Диэлектрики в электрическом поле, поляризация диэлектриков
Содержание
При использовании диэлектриков важно знать, какие есть типы этих веществ, как на них влияет электрическое поле, что такое поляризация, диэлектрическая прочность, восприимчивость и проницаемость.
Что такое диэлектрик
Такое вещество, как диэлектрик практически не проводит электрический ток, поэтому является изолятором. В нем отсутствуют свободные электроны, что и является причиной его изоляционных свойств.
Диэлектрические вещества могут удерживать электростатический заряд, рассеивая при этом минимальную энергию в виде тепла. Примерами материалов с изоляционными свойствами являются слюда, пластмассы, стекло, фарфор и различные оксиды металлов, а также сухой воздух и некоторые жидкости. Необходимо считаться также с тем, что при достаточно низких температурах полупроводники ведут себя как диэлектрики.
Классификация диэлектрических материалов
Материалы с диэлектрическими свойствами могут быть:
- полярными;
- неполярными.
Поляризация заключается в образовании индуцированного электрического дипольного момента внутри вещества. Диэлектрики в электрическом поле поляризуются с двумя разными видами их поведения. Это может быть ориентация диполей либо смещение упруго связанных зарядов.
Свойства полярных диэлектриков
Молекулы этих материалов обладают тем свойством, что внутреннее распределение в них электрозарядов не является симметричным. Это приводит к тому, что положительно заряженная часть молекулы отдаляется от отрицательно заряженной. Подобные молекулы представляют собой электрические диполи.
Причиной отнесения диэлектрического материала к полярным является асимметрия формы его молекул. Примерами веществ с полярными молекулами являются вода H2O, углекислый газ CO2, диоксид азота NO2 и тому подобные.
При помещении полярного диэлектрика во внешнее электрополе перемещение диполей по веществу не происходит в отличие от электронов в проводниках. Дипольные молекулы ориентируются в пространстве в соответствии с действием приложенного поля. То есть, если диэлектрики находятся в электрическом поле, происходит поляризация диэлектриков. С исчезновением такого поля диполи возвращаются в исходное состояние.
А что происходит при отсутствии внешнего электрополя: в подобном случае наблюдается произвольное изменение дипольного момента. При этом моменты отдельных молекул взаимно компенсируются, поэтому средний дипольный момент по некоторому объему становится нулевым.
Диэлектрики неполярного вида
В молекулах веществ, относящихся к неполярным, центры положительно и отрицательно заряженных частей совпадают, поэтому такие молекулы считаются симметричными. Их дипольный момент имеет нулевое значение. При внесении неполярного диэлектрика в электрическое поле, его молекулы начинают вести себя как диполи, ориентированные в соответствии с направлением приложенного поля.
При подобном типе поляризации с исчезновением поля молекулы восстанавливают прежнюю симметрию (которую имели до приложения поля). Подобно поляризации электропроводящих материалов, диэлектрики поляризуются за счет энергии, переносимой электрическим полем. Примерами являются кислород O2, азот N2, водород H2 и тому подобные.
Индуцированный дипольный момент
Когда неполярная молекула попадает под действие электрополя, все протоны (положительные элементарные частицы) начинают перемещаться в направлении поля, а электроны (отрицательные элементарные частицы) — в противоположном направлении. Процесс продолжается до установления равновесия между внутренними и внешними силами. Вследствие этого возникают два центра заряда, то есть, под действием электрического поля молекулы поляризуются и начинают представлять собой индуцированный электрический диполь. Присущий этим диполям момент является индуцированным. Он пропорционален напряженности приложенного поля и температуронезависим. Направление индуцированного дипольного момента и поля совпадает.
Поляризуемость определяет динамический отклик связанной системы на внешние электрополя и дает представление о внутренней структуре молекулы. В твердом теле поляризуемость определяется как дипольный момент P на единицу объема кристаллической ячейки. В системе СИ данный параметр измеряется в кубических метрах, его размерность равна размерности объема.
Диэлектрическая поляризация
Внутри диэлектрика, помещенного в однородное электрическое поле, происходит поляризация за счет приобретения молекулами вещества дипольного момента.
Электрическая восприимчивость в системе СИ определяется исходя из значения поляризации P и напряженности Е электрополя, вызвавшего поляризацию:
Диэлектрическая постоянная
Отношение напряженности внешнего поля в вакууме к той напряженности, которую имеет поле в диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью материала.
Значение ε для вакуума равно 1, для изоляционных материалов всегда больше 1. Значение этого параметра у специальных керамических материалов, применяемых для изготовления конденсаторов (например, титаната бария), достигает 7000–15000.
E всегда меньше или равно E0, то есть, поле внутри диэлектрика ослабевает. Но следует отметить, что в проводниках происходит ослабление поля до 0, а электрическое поле в диэлектриках сохраняется с уменьшением его напряженности.
Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше заряда может быть накоплено конденсатором. Полное заполнение промежутка между обкладками конденсатора изолирующим материалом увеличивает электрическую емкость конденсатора в число раз, равное относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика εr:
Диэлектрическая прочность
Для изоляционного материала диэлектрическая прочность — это такая напряженность электрического поля, при которой он еще не разрушается, то есть, продолжает сохранять свои изоляционные свойства.
Измеряется диэлектрическая прочность в кВ/мм. Для воздуха этот показатель равен 3 кВ/мм, для лавсана — 80–120 кВ/мм.
Области применения материалов с высокой диэлектрической прочностью следующие:
- слюда — для обмоток электродвигателей;
- стекло и фарфор — для высоковольтных трансформаторов и изоляторов линий электропередач;
- минеральные масла — в отдельных случаях.
Диэлектрические свойства любого вещества не являются постоянными. Если диэлектрик попадает под влияние высокой температуры или повышенной влажности, электроны меняют свое поведение. Они отрываются от ядра и становятся свободными электрическими зарядами. Изоляционные качества материала при этом понижаются. Диэлектрик считается надежным при наличии малого тока утечки, не превышающего критическую величину и не нарушающего работу системы.
Загрузка...
