Что такое диэлектрическая проницаемость
Содержание
Диэлектрическая проницаемость характеризует в электродинамике и электростатике способность вещества к поляризации электрическими полями. Такая способность известна в физике, как диэлектрическая восприимчивость или коэффициент пропорциональности между поляризованностью среды и напряженностью внешнего поля. Диэлектрическая восприимчивость — безразмерная величина.
Определение через закон Кулона
При размещении рядом двух электрически заряженных тел возникает взаимная сила притяжения или отталкивания, в зависимости от природы заряда тел. Два одинаково заряженных тела взаимно отталкиваются, а два разноименно заряженных тела притягиваются. Установлено, что действие силы между соседними одинаково заряженными телами, разделенными одинаковым расстоянием, в разных средах различно. Величину этой силы можно определить по закону Кулона:
В этой формуле роль среды нахождения заряженных тел показывает произведение ε0·εr. Из закона Кулона следует, что сила, действующая между находящимися на расстоянии заряженными телами, обратно пропорциональна этому произведению, получившему название абсолютная диэлектрическая проницаемость среды. Член ε0 — это абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, а член εr — относительная диэлектрическая проницаемость среды.
Значение данной постоянной представляет собой комплексное число, реальная часть которого отражает запасаемую в диэлектрике энергию при влиянии на него электрического поля, а мнимая часть отражает потери, характеризуемые тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ.
Абсолютная проницаемость вакуума (иногда используется название диэлектрическая абсолютная проницаемость в вакууме) принимается за базовое значение характеристики. Числовое значение диэлектрической проницаемости вакуума (пустого пространства) равняется:
ε0≈ 8.8542 · 10-12 Φ/м
Относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая постоянная
Относительная диэлектрическая проницаемость определяется как отношение фактической или абсолютной диэлектрической проницаемости среды к абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума и равна:
Эта характеристика показывает, во сколько раз проницаемость среды больше абсолютной проницаемости вакуума.
Ниже приведена таблица со значениями данной характеристики для ряда материалов.
Как видим из таблицы диэлектрическая проницаемость бумаги и эбонита практически одинаковая, а слюды и стекла почти вдвое больше. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха, как и диэлектрическая проницаемость любого газообразного диэлектрика, несколько выше 1 за счет поляризуемости входящих в его состав газов и паров. Подобно всем полярным веществам, вода проявляет различные поляризационные эффекты, которые приводят к увеличению относительной проницаемости.
Растворители с высокой диэлектрической проницаемостью являются хорошими растворителями для ионных и других полярных соединений, а растворители с низкими значениями данной характеристики — лучшими растворителями для неполярных соединений. Так, диэлектрическая проницаемость воды равна 88 и она хорошо растворяет поваренную соль, а низкая проницаемость керосина (ε = 2.1) делает его хорошим растворителем для органических масел.
Физический смысл диэлектрической проницаемости
Электростатическая сила, действующая между близко расположенными электрически заряженными телами, обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости среды. Поэтому относительная диэлектрическая проницаемость любой среды εr определяется как отношение силы F0, действующей между соседними электрически заряженными телами в вакууме, к силе F, действующей между теми же телами, удаленными на одинаковое расстояние в данной среде.
Напряженность электрического поля в любой точке поля, удаленной на расстояние d от электрического заряда Q, определяется как:
Из этого соотношения можно определить плотность электрического потока D:
Из выражения напряженности электрического поля и плотности потока может быть выведена формула:
Следовательно, отношение плотности электрического потока D к напряженности электрического поля E в точке поля может быть определено как диэлектрическая проницаемость среды в этой точке.
Из формул выше следует также физический смысл диэлектрической проницаемости материала. Она характеризует степень ослабления электрического поля внутри него.
Диэлектрическая проницаемость металлов и ее дисперсия
Металлы, в частности медь, являются проводниками электрического тока, что позволяет формально считать их диэлектрическую проницаемость равной бесконечности. Физически это можно рассматривать как следствие того, что электроны свободно перемещаются внутри проводников, и тем самым металлы бесконечно поляризуемы.
Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты приложенного электрического поля. Это свойство называется дисперсией диэлектрической проницаемости. Дисперсия объясняется тем, что процессы поляризации обладают инерционностью, то есть между изменениями электрического поля и изменениями поляризации существует задержка.
Единица измерения проницаемости
Исходя из уравнения закона Кулона, мы можем записать выражение для проницаемости в виде:
Таким образом, единица измерения проницаемости может быть определена как Кл2/Н·м2. Но более распространено другое обозначение этой единицы, вывод которой представлен ниже.
Электрическую емкость плоского конденсатора и диэлектрическую проницаемость материала между его пластинами (диэлектрика) связывает формула:
Из этой формулы можно определить диэлектрическую проницаемость материала между пластинами конденсатора:
Исходя из этого выражения, единица проницаемости имеет размерность Ф·м/м2 = Ф/м, где фарад — единица электрической емкости в системе единиц СИ.
Поскольку относительная проницаемость — это отношение абсолютной проницаемости среды к абсолютной проницаемости вакуума, она является безразмерной единицей.
Загрузка...
