Диэлектрики в электростатическом поле

В энергетике и электронике используются материалы с разной степенью электрической проводимости. Одни применяются в качестве проводников, а другие как изоляторы. В статье будет рассмотрено следующее — как диэлектрики ведут себя в электростатическом поле, структуру таких материалов, а так же их влияние на электростатическое поле.

Определение

Диэлектриком называют вещество или материал, которые при обычных условиях не проводят электрический ток. Объясняется это следующим образом — отсутствие в составе таких веществ или материалов свободных носителей тока, которые могли бы перемещаться под воздействием внешних магнитных или электрических полей.

Но несмотря на полное отсутствие проводимости, изоляторы способны взаимодействовать с электричеством. Само взаимодействие в физике называется поляризацией.

Поляризация — это процесс, который приводит к смещению зарядов материала, если на него воздействует какое-то электростатическое поле. Процессу свойственно образование собственного магнитного поля внутри вещества. Направленность этого поля прямо противоположна напряжённости внешнего электростатического поля.

Процесс поляризации известен всем и он достаточно прост. Всем мы помним опыт с пластиковой ручкой, кусочками бумаги и ткани. Если натереть пластик о шерстяную ткань, то за счет трения образуется слабый по величине ток, который начинает притягивать кусочек бумаги. Это притяжение и является взаимодействием с диэлектриком, которым в данном опыте выступает кусочек бумаги.

Виды поляризации

Поляризация является основным свойством изоляционных материалов. Существует два основных типа поляризации — быстрая (упругая) и медленная (неупругая, релаксационная).

В свою очередь быстрая поляризация может быть:

1. Электронной. Такой вид присущ всем диэлектрикам. Он характеризуется полным отсутствием потерь энергии. Электронный тип негативно воздействует на неполярные структуры. При возрастании деформации в сильном поле может возникнуть эффект пробоя.
2. Ионной. Наблюдается в ионных кристаллах с плотной упаковкой ионов (NaCl, LiF и так далее). Протекает так же без потерь энергии, но характеризуется заметным смещением кристаллических решеток. Данный тип используется при проектировании сложной электроники, основанной на проводимости кристаллических веществ.
3. Ориентированная или дипольная. Характерна для твердых диэлектриков (полярных кристаллов), отличается потерей небольшой доли энергии. Так же дипольная диэлектрическая поляризация имеет связь с диполями внешнего электрического поля.

Получается, что быстрая поляризация отличается малым временем установления τ и не приводит к потерям энергии на промышленных частотах.

Медленная поляризация может быть:

1. Ионно-релаксационной. Ее можно увидеть в ионных диэлектриках аморфного типа (стекло, керамика, так далее) и неорганических кристаллических диэлектриках, которым присуща неплотная упаковка ионов (рыхлое строение). Процесс такой поляризации основан на смещении слабосвязанных ионов из-за воздействия внешнего электростатического поля на расстояние, которые превышает амплитуду ангармонических тепловых колебаний. Кроме того из-за повышения температуры поляризация заметно возрастает из-за того, что межионное взаимодействие уменьшается.
2. Дипольно-релаксационной — полярные газы, жидкости и некоторые твердые диэлектрики. Дипольные молекулы при таком процессе поворачиваются в сторону внешнего электростатического поля. Возникает в том случае, когда межмолекулярное взаимодействие не препятствуют диполям и последние могут ориентироваться вдоль направления поля. Повышение температуры не приводит к усилению такой поляризации из-за того, что увеличивается хаотическое тепловое движение молекул и благодаря этому уменьшается ориентирующее влияние внешних электростатических полей.
3. Миграционной (междуслойной). Это диэлектрики, которые отличаются наличием проводящих и полупроводящих включений или слоев с различной проводимостью, а так же различные композиционные материалы. Время становления может быть как несколько секунд, так и несколько часов.
4. Спонтанной. Она образуется даже тогда, когда внешнее электрическое поле не воздействует на активные диэлектрики в виде доменов (сегнетовая соль, титанат бария BaTiO3, нитрит натрия NaNO2 и другое)

Можно сделать следующее заключение — такие диэлектрики отличаются большим временем установления τ. При этом происходят потери энергии и нагрев таких диэлектриков.

Расчет поляризации

Заряд, который образуется при поляризации диэлектрика, распределен по всему объему поляризуемого вещества. Однако во время процесса на поверхности вещества возникает слабый электрический заряд, который имеет поверхностную плотность Q. Этот заряд может двигаться как в направлении внешней стороны поля, так и в обратную сторону от него. На данную направленность заряда оказывает влияние его потенциал.

Вектор поляризации зависим от направленности внешнего электрического поля. На него воздействует как напряженность, так и время ее изменения. Проследить эту зависимость можно с помощью такой формулы:

P=χE

Где:

P — поляризация.

Χ — диэлектрическая восприимчивость.

E — напряженность поля.

При этом напряженность поля внутри диэлектрика равна сумме «E₀» и «Eʹ». «E₀» —это напряженность поля, которое создается свободными зарядами, а «Eʹ» — напряженность поля, созданного связанными зарядами. То что было описано до этого можно довольно просто выразить такой формулой:

E = E₀ + Eʹ

Обратное воздействие

До этого мы выяснили, что при нахождении непроводящего материала во внешнем электрическом поле происходит следующее:

1. Атомная оболочка смещается относительно самого заряда.
2. Образуется собственный электрический момент.
3. Формируются поверхностные заряды, которые имеют противоположное направление внешнему полю.
4. Возникает собственное поле, напряженность которого меньше напряженности внешнего поля.

Все эти процессы возникают из-за воздействия внешнего поля. Однако они же приводят к тому, что диэлектрик ослабляет воздействие на него напряженности внешнего поля. Происходит это за счет образования индуцированного внутреннего поля, которое формирует сама структура такого вещества. Оно воздействует на напряженность внешней нагрузки и понижает ее, в зависимости от величины такого образованного поля. Происходит это так же из-за того, что внутри структуры вещества появляются отрицательно заряженные частицы, которые направлены в противоположную от внешнего поля сторону. Часть энергии, затраченная на поляризацию вещества, отводится в сторону и приводит к ослаблению внешнего воздействия на сам диэлектрик.

Разновидности диэлектриков

Изоляционные материалы имеют свойство к поляризации и обратному воздействию на электростатические поля. Но эти свойства не могут быть одинаковыми для всех материалов. Они зависят от разновидности самих материалов, которые подразделяются на:

1. Сегнетоэлектрики. К этому типу относятся кристаллические вещества. Им свойственна высокая поляризация, которая увеличивается при возрастании температуры вещества. Кроме того такие кристаллы способны сохранять некоторую часть предыдущего заряда за счет того, что сегнетоэлектрики зависимы от внешнего воздействующего поля. К ним применимо понятие диэлектрического гистерезиса.
2. Пьезоэлектрики. К ним также относятся кристаллические материалы. Основной особенностью является возникновение тока при механическом воздействии на материал или деформации его структуры.
3. Пироэлектрики. Являются одной из разновидностей пьезоэлектриков. Отличительная особенность таких материалов заключается в возникновении поляризации при изменении температуры внешней поверхности. Такие вещества способны вырабатывать ток как при росте температуры, так и при ее снижении.

Свойства кристаллических диэлектриков сильно отличаются от свойств изоляторов из органических, неорганических веществ, используемых в повседневной жизни. Такие материалы применяются в чувствительных датчиках СВЧ, различных радиодеталях и генераторах тока.

Итог

Диэлектрические материалы не способны по своей природе проводить электрический ток. Благодаря этому становится понятно, почему они используются в качестве разнообразных изоляторов. Например, их используют в качестве рукояток для электромонтажных инструментов. Но под воздействием токов, в структуре диэлектриков могут возникать слабые электрические токи. Они не могут нанести вред человеку, но способны изменять в некоторой мере внешнее воздействующее поле.

Видео по теме