Поляризация диэлектриков. Одной из основных характеристик свойств диэлектрика является диэлектрическая проницаемость - физическая величина

Одной из основных характеристик свойств диэлектрика является диэлектрическая проницаемость - физическая величина, которая показывает, во сколько раз напряженность электрического поля, возбужденного системой электрических зарядов в вакууме, больше напряженности электрического поля этих же зарядов в диэлектрической среде.

Влияние диэлектриков на величину напряженности электрического поля, а, следовательно, и на воздействие электрических зарядов, объяснятся явлением поляризации диэлектриков во внешних электрических полях. Механизм поляризации диэлектриков зависит от строения их молекул.

Если молекулы имеют симметричное строение, т.е. центры «Тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствии внешнего электрического поля совпадают (неполярные молекулы), то во внешнем электрическом поле возникнет электронная или деформационная поляризация. Центры тяжести положительных +Q и отрицательных -Q зарядов смещаются на величину l (плечо диполя), молекула приобретает в электрическом поле дипольный момент (рисунок 1).

(1)

Рисунок 1

Если молекулы имеют асимметрично строение, т.е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают, то дипольный момент таких молекул отличен от нуля в отсутствии внешнего поля (полярные молекулы). При отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Внешнее электрическое поле вызовет ориентацию дипольных моментов в направлении поля (ориентационная поляризация).

Следовательно, поляризацией диэлектриков называется явление ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей.

В результате поляризации на поверхности диэлектрика во внешнем электрическом поле появляются связанные заряды, возбуждающие собственное, внутреннее поле , обратное внешнему полю Е₀.

На рисунке 2 изображен заряженный конденсатор, заполненный диэлектриком. Напряженность электрического поля в диэлектрике . Если известна диэлектрическая проницаемость диэлектрика, то

(2)

Рисунок 2

Наиболее распространенные методы определения основаны на измерении емкости конденсатора, заполненного исследуемым диэлектриком.

1) Электроемкость конденсаторов

Электроемкостью проводника называется физическая величина С, численно равная заряду, который следует сообщить проводнику для того, чтобы его потенциал изменился на единицу

(3)

Электроемкость уединенного проводника С зависит от формы его внешней поверхности, размеров, а также от диэлектрических свойств окружающей среды. Следует помнить, что С не зависит ни от заряда проводника, ни от его потенциала, ни от материала. В СИ электроемкость измеряется в фарадах. 1 фарад=1кулон/1вольт.

Практический интерес представляет взаимная электроемкость двух проводников - величина, численно равная заряду, который следует перенести с одного проводника на другой для изменения разности потенциалов между ними на единицу. Взаимная электроемкость зависит от формы, размеров, взаимного расположения проводников и от свойств среды.

Особенно важным для практики является случай, когда два разноименно заряженных проводника имеют такую форму и так расположены друг относительно друга, что возбуждаемое ими электростатическое поле сосредоточено только между ними. Такая система двух проводников называется конденсатором, а сами проводники – его обкладками. В зависимости от формы обкладок, конденсаторы делятся на плоские, сферические и цилиндрические. Используя соотношение

(4)

можно вывести формулу электроемкости любого конденсатора.

Для плоского конденсатора получаем

(5)

Емкость батареи из соединенных параллельно одинаковых конденсаторов определяется формулой

, (6)

где S – площадь одной обкладки конденсатора, м²;

d – расстояние между обкладками, м;

- электрическая постоянная, =8,85 10^-12 Ф/м.

– диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

N – число одинаковых конденсаторов, соединенных параллельно.