Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическую проницаемость определяют чаще всего как меру способности вещества увеличивать ёмкость какой-либо электротехнической конструкции или изделия по сравнению с ёмкостью того же объекта без этого вещества (когда между электродами пустота).

По своей физической природе диэлектрическая проницаемость – это мера поляризации вещества в электрическом поле. Поляризацией называется смещение под действием электрического поля связанных в атомы, молекулы, кристаллы заряженных частиц в соответствии со знаками их зарядов и направлением поля. Поляризации подвергаются заряженные частицы атома, в первую очередь деформируются электронные орбиты (атомная или электронная поляризация). При поляризацииизменяется относительное расположение ионов в молекуле и (или) кристалле (ионная поляризация). Если вещество имеет молекулы с собственным дипольным моментом, то такие молекулы дополнительно к электронной и ионной поляризации стремятся ориентироваться по полю (ориентационная поляризация).

В случае, когда при поляризации происходит взаимодействие частиц и увеличивается энергия их колебательного движения, происходит нагрев диэлектрика. Такая поляризация называется тепловой (или релаксационной).

Количественно поляризация определяется вектором поляризации Р, равным сумме дипольных моментов q×r в единице объёма вещества:

,

где q – значение заряда одного знака в диполе, r – расстояние между центрами зарядов разного знака в диполе. Вектор поляризации имеет размерность Кл/м² и направлен противоположно вектору электрического смещения воздействующего поля – D, имеющему ту же размерность. Поэтому:

,

где Е_{материала} – напряжённость электрического поля в материале.

(В пустоте поляризоваться нечему, поэтому для пустоты: ).

После алгебраических преобразований получаем величину:

которую называют диэлектрической проницаемостью. Как видно из выражения, значение диэлектрической проницаемости количественно связано со значением поляризации вещества в электрическом поле с напряженностью = 1В/м.

Из этого же выражения можно найти, что поток электрического смещения, пронизывающий материал, выразится через напряжённость поля в материале как:

.

В соответствии с этим выражением диэлектрическую проницаемость можно определить как меру ослабления электрического поля в веществе по сравнению с внешним полем.Её значение показывает во сколько раз поле в веществе слабее поля от того же источника в вакууме на эквипотенциальной границе «вещество-вакуум».

Значение диэлектрической проницаемости вещества, ε можно определить также как отношение емкости конденсатора с данным веществом (диэлектриком) к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум.

В зависимости от вида поляризации и агрегатного состояния вещества (концентрации диполей в единице объёма) изменяются и значения диэлектрической проницаемости:

ε_{при атомной поляризации}< ε_{при ионной поляризации}< ε_{при ориентационной поляризации}

Существуют твердые вещества со спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Такие вещества называют сегнетоэлектриками. Сегнетоэлектрики обладают наибольшими значениями диэлектрической проницаемости – до 1000 и более. Примеры:

 

Вещество	Диэлектрическая проницаемость	Тип поляризации
εвоздуха	1,00058	атомная
εкаменной соли	6,00	ионная
εводы		ориентационная
εсегнетовой соли	500…600	спонтанная ориентационная
εтитаната бария	1500…2000	спонтанная ионная

 

 

Напряженности поля в диэлектрике, помещенном в равномерное электрическое поле, состоящем из двух слоев различных материалов, при условии перпендикулярности границы раздела векторам напряженности электрического поля распределяются обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям материалов: