Что такое диэлектрическая проницаемость среды

Еще в школе на уроках физики преподаватель, рассказывая об электрических явлениях, пояснял, что такое диэлектрическая проницаемость среды. В дальнейшем, если основная профессия не связана с электротехникой, тема благополучно забывалась. В данной работе мы вспомним, что же скрывается за этим определением.

Обычно для объяснения термина «диэлектрическая проницаемость среды» принято рассматривать пример с конденсатором, пластины которого плоские. Представим простейший конденсатор, находящийся в вакууме. Определим значение электрического заряда:

Qv = (U*S*Ev)/d,

где d – расстояние между пластинами, U – напряжение, S – площадь пластины, Ev – диэлектр. постоянная. Последняя является эталонным значением, ее представляет диэлектрическая проницаемость среды без воздуха (вакуум) и равняется 8.85*10 в степени -12 Фарад на метр.

Но в конденсаторах разделяющей пластины средой может выступать не только вакуум, но и любой другой диэлектрический материал. Очевидно, что в этом случае диэлектрическая проницаемость среды отличается от «Ev», поэтому и заряд изменяется. Если конденсатор подключен к источнику ЭДС, то значение заряда на пластинах становится равным Qz. Диэлектрическая проницаемость материала представляет собой отношение заряда пластин подключенного конденсатора Qz к заряду в случае вакуума Qv, то есть

E = Qz / Qv.

Очевидно, что размерность отсутствует. Запитанный конденсатор потребляет дополнительную мощность от источника.

Фактически, это относительная диэлектрическая проницаемость среды. Она показывает, во сколько раз уменьшается интенсивность взаимодействия зарядов, разделенных диэлектриком, по сравнению с пластинами в вакууме. Также можно сказать, что это одна из характеристик материала.

Если же при накоплении заряда на пластинах подача энергии прекращается, имеет место другое явление. Снижается величина напряжения и, как следствие, падает напряженность электрического поля. Почему?

Любой материал состоит из атомов с вращающимися вокруг ядра электронами. При появлении электрического поля происходит рассредоточение носителей заряда в каждой молекуле согласно полярности внешнего воздействия – возникает так называемая поляризация, формирующая диполь. Это электронный ее вид. Сам материал может состоять как из полярных, так и неполярных молекул. В первом случае молекула ориентируется согласно полю (напряжению), а так как диполи самоориентируются, то относительная диэлектрическая проницаемость довольно высока. Значение их проницаемости часто превышает 100 единиц. Во втором случае (неполярные молекулы) хотя благодаря действию поля диполи и образуются, часть энергии тратится на поддержание их пространственной конфигурации, поэтому проницаемость несущественна и редко превышает 5 единиц. Стоит отметить, что газообразное вещество всегда обладает низким показателем проницаемости из-за малого количества молекул в единице объема, причем независимо от их естественной структуры.

Для большинства распространенных диэлектрических материалов данные по проницаемости приводятся в соответствующих таблицах, поэтому при выполнении расчетов не возникает сложностей с определением нужного значения. Интересно, что воздух обладает проницаемостью в 1 единицу. Это объясняет, почему в конденсаторах используют различные дополнительные диэлектрические прослойки – керамика, слюда, парафин и пр. Все эти материалы, обладая более высокой проницаемостью, увеличивают значение накапливаемого на пластинах заряда. Другими словами, емкость можно регулировать не только способом расположения пластин, но и разделяющим их материалом. Чемпионами среди веществ с высокой проницаемостью являются керамика (около 80) и очищенная от примесей вода (не менее 81).