Напряженность электрического поля в диэлектрике: физические процессы и закономерности

Электрическое поле в диэлектриках - увлекательная и важная тема для понимания физических процессов в электротехнике и электронике. Давайте разберемся в устройстве диэлектриков, механизмах возникновения в них электрического поля и основных законах этого поля.

Строение и свойства диэлектриков

Диэлектриками или изоляторами называют вещества, практически не проводящие электрический ток. Проводимость диэлектриков на ¹⁰–₁₈ порядков ниже, чем у металлов.

Вещества с очень малой электропроводностью (практически несущественной), называются диэлектриками (изоляторами).

К диэлектрикам относятся газы, жидкости (минеральные масла, лаки, спирты) и твердые вещества, кроме металлов и графита. Основные свойства диэлектриков:

• низкая электропроводность;
• способность к поляризации;
• длительное сохранение электростатического поля внутри.

В основе свойств диэлектриков лежит их молекулярное строение. Молекулы могут быть полярными и неполярными. У полярных молекул центры положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга. Такие молекулы обладают дипольным моментом. К полярным относятся молекулы воды, спирта, аммиака. У неполярных молекул (азот, водород, благородные газы) центры зарядов совпадают.

Возникновение электрического поля в диэлектрике

При помещении диэлектрика в электрическое поле, например между обкладками заряженного конденсатора, в нем происходит поляризация. Это означает, что под действием поля положительные и отрицательные заряды в молекулах смещаются в противоположные стороны. Молекулы превращаются в электрические диполи.

На границе диэлектрика возникает слой нескомпенсированных "связанных" зарядов. Их плотность меньше, чем у свободных зарядов на обкладках конденсатора. Поэтому часть силовых линий внешнего поля проходит сквозь диэлектрик, а часть обрывается на связанных зарядах. Так образуется результирующее поле E внутри диэлектрика, меньшее по величине внешнего поля E₀ :

E = E₀ - E'_связ

Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем меньше напряженность результирующего поля в нем. Это одно из важнейших свойств диэлектриков, которое широко используется на практике.

Поляризованность и поляризация диэлектриков

Для количественной оценки поляризации диэлектриков в электрическом поле используется понятие поляризованности P. Она определяется как отношение дипольного момента, возникшего в единичном объеме диэлектрика, к этому объему:

P = dM/dV

Величина поляризованности P связана со степенью поляризации диэлектрика и характеризует эту степень количественно.

Диэлектрическая восприимчивость

Другой важной характеристикой является диэлектрическая восприимчивость χ. Это безразмерная величина, показывающая, насколько легко диэлектрик поляризуется. Для большинства диэлектриков справедливо соотношение:

P = χ•E

То есть поляризованность прямо пропорциональна напряженности электрического поля E. Величина χ всегда положительна, чем она больше для данного диэлектрика, тем сильнее он поляризуется в поле.

Нелинейные эффекты поляризации

При сильных полях зависимость P(E) может отклоняться от линейной. Возникает нелинейная поляризация. Это связано с инерционностью процессов перемещения зарядов в молекулах, их инертностью. При быстром изменении поля часть молекул не успевает переориентироваться, и поляризация начинает отставать от роста E.

Напряженность поля и поляризуемость

Помимо диэлектрической восприимчивости, используется также понятие поляризуемости α, равной поляризованности, приходящейся на единицу напряженности поля:

α = P/E

Поляризуемость отражает способность вещества к поляризации и также зависит от частоты поля. Это явление называется частотной дисперсией поляризуемости.

Напряженность поля внутри диэлектрика

"напряженность поля в диэлектрике" определяется отношением силы F, действующей на положительный заряд q, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

E = F/q

Экспериментально "напряженность поля в диэлектрике" можно найти, измерив напряжение U между обкладками конденсатора с диэлектриком и поделив его на расстояние d между ними:

E = U/d

Связь "напряженности" и свободных зарядов

Как показывает анализ, величина "напряженности" в точке внутри диэлектрика определяется плотностью свободных зарядов σ на электродах и плотностью связанных зарядов σ':

E = (σ - σ')/ε₀

Поле в полости внутри диэлектрика

Для изучения распределения "напряженности" в диэлектрике можно сделать в нем узкую цилиндрическую полость вдоль линий поля. Исследуя силы, действующие на пробный заряд в этой полости, можно определить искомую "напряженность".

Пробой диэлектрика

При очень большой "напряженности" в диэлектрике может произойти электрический пробой - разрушение молекул и образование свободных носителей заряда. Диэлектрик становится проводником. Предельное значение "напряженности", при котором это происходит, называется пробивной напряженностью.