Такие явления, как диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость, встречаются не только в физике, но и в обычной жизни. В связи с этим следует определить значения данных явлений в науке, их влияние и применение в обычной жизни.
Определение напряженности
Напряженность является векторной величиной в физике, которая вычисляется по силе, влияющей на единичный положительный заряд, размещенный в исследуемой точке поля. После помещения диэлектрика во внешнее электростатическое поле он приобретает дипольный момент, иначе говоря, поляризуется. Чтобы количественно описать поляризацию в диэлектрике, применяют поляризованность - векторный физический показатель, вычисляемый как дипольный момент значения объема диэлектрика.
Вектор напряженности после перехода сквозь грань между двумя диэлектриками испытывает скачкообразное изменения, вызывая этим помехи во время расчета электростатических полей. В связи с этим вводится дополнительная характеристика - вектор электрического смещения.
С помощью диэлектрической проницаемости можно узнать, во сколько раз диэлектрик может ослабить внешнее поле. С целью наиболее рационального объяснения электростатических полей в диэлектриках применяется вектор электрического смещения.
Основные определения
Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды является коэффициентом, который входит в математическую запись закона Кулона и уравнения взаимосвязи напряженности электрического поля и электрической индукции. Абсолютная диэлектрическая проницаемость может быть представлена в виде произведения относительного показателя диэлектрической проницаемости среды и постоянной электричества.
Диэлектрическая восприимчивость, называемая поляризуемостью вещества, является физической величиной, способной поляризироваться под влиянием электрического поля. Также это коэффициент линейной связи внешнего электрического поля с поляризацией диэлектрика в малом поле. Формула диэлектрической восприимчивости записывается так: Х=na.
В большинстве случаев диэлектрики имеют положительную диэлектрическую восприимчивость, при этом данная величина является безразмерной.
Сегнетоэлектричество является физическим явлением, присутствующим в определенных кристаллах, которые называются сегнетоэлектриками, при определенных температурных значениях. Оно заключается в появлении спонтанной поляризации в кристалле даже без внешнего электрического поля. Отличие сегнетоэлектриков от пироэлектриков состоит в том, что в определенных температурных диапазонах их кристаллическая модификация изменяется, а случайная поляризация исчезает.
Электрики в поле ведут себя не как проводники, однако они имеют общие признаки. Диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных заряженных носителей. Они там присутствуют, но в минимальных количествах. В проводнике подобным носителем заряда станет электрон, свободно перемещающийся в кристаллической решетке металла. Однако электроны в диэлектрике связаны с собственными атомами и не могут легко перемещаться. После внесения диэлектриков в поле с электричеством в нем появляется электризация, подобно проводнику. Отличием от диэлектрика является то, что электроны не свободно перемещаются по всему объему, как это протекает в проводнике. Однако под влиянием наружного электрического поля изнутри молекулы вещества возникает легкое смещение зарядов: положительный будет смещен по направлению поля, а отрицательный - наоборот.
В связи с этим поверхность приобретает определенный заряд. Процедура возникновения заряда на поверхности вещества под влиянием электрических полей именуется поляризацией диэлектрика. Если в однородном и неполярном диэлектрике с определенной концентрацией молекул все частицы одинаковы, то поляризация также будет одинакова. И в случае с диэлектрической восприимчивостью диэлектрика данная величина будет безразмерной.
Связанные заряды
По причине процесса поляризации в объёме диэлектрического вещества появляются некомпенсированные заряды, называемые поляризационными или связанными. Частицы, имеющие данные заряды, имеются в зарядах молекул и под влиянием наружного электрического поля смещаются из положения равновесия, не выходя из молекулы, в составе которой они располагаются.
Связанные заряды характеризуются поверхностной плотностью. Диэлектрическая восприимчивость и проницаемость среды определяет, во сколько раз сила связи двух электрических зарядов в пространстве меньше того же показателя в вакууме.
Относительная воздушная восприимчивость и проницаемость и большей части других газов в стандартных условиях близится к единице (из-за малой плоскости). Относительная диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость в сегнетоэлектриках составляет десятки и сотни тысяч на поверхности разделения пары диэлектриков с различающимися показателями абсолютной диэлектрической проницаемости и восприимчивости вещества, а также равными между ними касательными составляющими напряжённости.
Среди множества практических ситуаций происходит встреча с переходом тока из металлического тела в окружающий мир, при этом удельная проводимость последней в несколько раз меньше проводимости данного тела. Подобные ситуации могут встречаться, к примеру, во время перехода тока сквозь зарытые в грунт металлические электроды. Зачастую используют электроды из стали. Если стоит задача определить диэлектрическую восприимчивость стекла, то задача будет несколько осложнена тем, что данное вещество имеет ионно-релаксационное свойство, из-за которого появляется небольшая запоздалость.
На границе пары диэлектриков с разными проницаемостями в присутствии внешнего поля появляются поляризационные заряды с различными показателями с разыми поверхностными плотностями. Так получается новое условие преломления линии поля во время перехода из диэлектрика в другой.
Закон преломления в случае с линиями тока по своей форме может считаться аналогичным закону преломления линий смещения на грани двух диэлектриков в электростатических полях.
Каждое тело и вещество окружающего мира имеет определенные электрические свойства. Причина этому кроется в молекулярной и атомной структуре - присутствие заряженных частиц, которые пребывают во взаимосвязанном или свободном состоянии.
Если на вещество не влияет внешнее поле, то такие части располагаются, уравновешивая друг друга, в общем суммарном объеме, не создавая дополнительных электрических полей. Если случится приложение электрической энергии снаружи, внутри имеющихся молекул и атомов появится перераспределение зарядов, что приведёт к появлению собственного внутреннего поля, которое будет направлено навстречу наружному.
При обозначении приложенного внешнего поля как Е0, а внутреннего Е', то все поле Е будет суммой этих величин.
Все вещества в электричестве принято разделять на:
- проводники;
- диэлектрики.
Данная классификация существует достаточно давно, однако не совсем точна, поскольку наука давно открыла тела с новыми или комбинированными свойствами вещества.
Проводники
В качестве проводящих веществ могут выступать среды, в которых присутствуют свободные заряды. Зачастую таковыми материями считают металлы, поскольку их структура подразумевает постоянное присутствие свободных электронов, способных перемещаться внутри всей полости вещества. Диэлектрическая восприимчивость среды позволяет быть участником теплового процесса
Если проводник находится в изоляции от влияния наружного электрического поля, то внутри него появляется баланс между положительными и отрицательными зарядами. Данное состояние сразу исчезает при появлении проводника в электрическом поле, который своей энергией перераспределяет заряженные частицы и провоцирует появление несбалансированных зарядов с положительной и отрицательной величиной на внешней поверхности
Данное явление называют электростатической индукцией. Появившееся под её действием заряды на поверхности металла называют индукционными зарядами.
Возникшие в проводнике индукционные заряды создают собственное поле, компенсирующее влияние внешнего поля внутри проводника. В связи с этим показатель полного суммарного электростатического поля будет скомпенсирован и равняться 0. Потенциалы каждой точки внутри и снаружи равны.
Данный результат свидетельствует о том, что изнутри проводника (даже с подключённым внешнем полем) отсутствует различие в потенциалах и нет электростатического поля. Данный факт применяется в экранировании из-за использования метода электрооптической защиты человека и чувствительного к полям электрооборудования, в особенности высокоточных приборов по измерению и микропроцессорной техники.
Связь между диэлектрической проницаемостью и восприимчивостью так же имеется. Однако выражена она может быть с помощью формулы. Так связь диэлектрической проницаемости и диэлектрической восприимчивости имеет следующую запись: е=1+Х.
Принцип электростатической защиты
С помощью экранирования одежда и обувь из материй с токопроводящими свойствами, в том числе головные уборы, применяются в энергетике для безопасности персонала, проводящих работы в условиях высокой напряжённости, провоцируемой высоковольтными устройствами. Электростатическое поле не проникает внутрь проводника, потому что при внесении проводника в электрическое поле оно будет скомпенсировано полем, которое возникает в связи с перемещением свободных зарядов.
Диэлектрики
Данное название принадлежит веществам, имеющим изоляционные качества. В их составе пребывают лишь взаимосвязанные заряды, а не свободные. Каждая положительная частица в них будет скреплена с отрицательной внутри атома с общим нейтральным зарядом без свободного перемещения. Они распределяются изнутри диэлектриков и не могут изменять своего положения под влиянием наружных полей. При этом диэлектрическая восприимчивость вещества и получаемая энергия все-таки влечет определенные изменения в структуре вещества. Изнутри атома и молекулы меняется соотношение положительного и отрицательного зарядов частицы, а на поверхности вещества появляются лишние несбалансированные взаимосвязанные заряды, создающие внутреннее электрическое поле. Оно направленно навстречу прилагаемой снаружи напряженности.
Данное явление именуют поляризацией диэлектрика. Характеризоваться оно может тем, что изнутри вещества возникает электрическое поле, вызванное влияние наружной энергии, но ослабляемое противодействием внутреннего поля.
Типы поляризации
Внутри диэлектриков она может быть представлена двумя видами:
- ориентационная;
- электронная.
Первый тип также обладает дополнительным называнием - дипольная поляризация. Это свойство присуще диэлектрикам со смещенными центрами у положительного и отрицательного заряда, которые создают молекулы из малых диполей - нейтральной совокупности пары зарядов. Данное явление характерно для жидкости, сероводорода, доносила азота.
Без влияния наружного электрического поля у данных веществ молекулярные диполи ориентируются хаотично под действием действующих температурных изменений, при на внешней стороне у диэлектрика не появляется электрический заряд.
Данная картина меняется под действием прилагаемой снаружи энергии, когда диполи не сильно меняют собственную ориентацию и на поверхности появляются не скомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле со встречным направление к прилагаемому извне полю.
Электронная поляризация, упругий механизм
Данное явление возникает у неполярных диэлектриков - материалов иного типа с молекулами, в которых отсутствует дипольный момент, который под действием наружного поля деформируется так, что только положительные заряды ориентируются по направлению вектора внешнего поля, а отрицательные - в противолежащую стороны.
По итогу каждая молекула функционирует как электрический диполь, ориентированный по оси приложенного наружного поля. Подобным образом появляется на внешней поверхности собственное поле, имеющее встречное направление.
Поляризация неполярного диэлектрика
У данных веществ изменение молекул и последующая поляризация от влияния поля снаружи не находится в зависимости от их перемещения под действием температуры. В роли неполярного диэлектрика можно использовать метан СН4. Численные показатели внутреннего поля у обоих диэлектриков по величине поначалу будут изменяться пропорционально изменению наружного поля, а после насыщения появляются эффекты нелинейного типа. Они появляются, когда каждая молекулярная диполь выстроилась вдоль силовых линий возле полярных диэлектриков либо случились изменения неполярных веществ, вызванные сильной деформацией атомов и молекул от большой величины приложенной снаружи энергии. В практических случаях подобное происходит крайне редко.
Диэлектрическая проницаемость
В числе изоляционных материалов серьёзная роль отводится электрическим показателям и такой характеристике, как диэлектрическая проницаемость. Оба расценивается по двум разным характеристикам:
- абсолютное значение;
- относительный показатель.
Под термином абсолютной диэлектрической проницаемости у вещества понимается обращение к математической записи закона Кулона. С её помощью описывается в форме коэффициента связь вектора индукции и напряжённости.
