«электромагнитные поля и волны»

2.6. Понятие о физическом строении диэлектрика

Современное представление об электрическом токе тесно связано с учением о физическом строении вещества.

Диэлектриками (изоляторами) называют вещества, в которых почти все электроны прочно удерживаются на орбитах вокруг положительных ядер атомов. Таким образом, у диэлектриков нет свободных электронов.
Так как только свободные электроны — носители отрицательных зарядов могут перемещаться внутри вещества, то естественно, что диэлектрик электрический ток не пропускает.
В зависимости от физического состояния диэлектрики подразделяют на твердые, жидкие и газообразные. Принято различать естественные и искусственные, неорганические и органические диэлектрики.
Твердыми неорганическими диэлектриками являются различные керамики, стекло, слюда, кварц, асбест.
Твердыми органическими диэлектриками являются смолы, лаки, пластмассы, каучуки, волокна.
К жидким диэлектрикам относятся нефтяные масла, кремний-органические и фторорганические жидкости, хлорированные углеводороды (совол и совтол).
Из газообразных диэлектриков чаще всего используют воздух.
Для всех практически применяемых диэлектриков характерно очень большое объемное удельное сопротивление:
ρ_v= 10⁸ ÷ 10²⁰ [Ом_*м].

В диэлектриках возможно длительное существование электрического поля. Однако при некоторых условиях, например, при действии высоких температур или сильных электрических полей, в диэлектриках возможны расщепление молекул на ионы и потеря изолирующих свойств.

2.7. Поляризация и степень поляризации диэлектрика

Рис. 2.6.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, электризуется под его влиянием. Это происходит не за счет свободного перемещения электрических зарядов, а за счет того, что в пределах одной молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль, а отрицательного против направления поля. В результате такого смещения на одной стороне диэлектрика будет преобладать положительный заряд, на другой — отрицательный.
Это явление называют поляризацией диэлектрика. Такую поляризацию часто называют упругим смещением, так как электрические заряды внутри атома как бы смещаются относительно друг друга.
С устранением электрического поля поляризация диэлектрика исчезает.
Однако имеются такие диэлектрики, которые, будучи поляризованными внешним электрически полем, сохраняют остаточную поляризацию. К ним относятся сегнетоэлектрики.
Таким образом, сегнетоэлектрики характерны наличием в них диэлектрического гистерезиса, т.е. отставанием изменений электрического смещения от изменений напряженности электрического поля.
При поляризации диэлектрика создается свое электрическое поле (поле поляризации), которое направлено от положительных зарядов к отрицательным, т.е. противоположно внешнему полю.
Таким образом, вследствие поляризации изменяется результирующая напряженность электрического поля в диэлектрике E = E_ВН — E_П. Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее результирующее поле внутри него. Влияние диэлектрика на результирующее электрическое поле оценивают векторной величиной, называемой поляризованностью или интенсивностью поляризации P.
Для большинства диэлектриков поляризованность пропорциональна напряженности электрического поля:


P = kε_rE,

где k — диэлектрическая восприимчивость, характеризующая способность диэлектрика поляризоваться.

Чем слабее результирующее поле внутри диэлектрика, т.е. диэлектрическая проницаемость ε_r.У диэлектрика, находящегося в переменном поле, смещение зарядов также изменяется, что вызывает нагревание диэлектрика.
Чем выше частота внешнего поля, тем сильнее нагревается диэлектрик. Это явление применяется при нагревании и сушке влажных материалов, получении или ускорении химических реакций, требующих повышенной температуры.
Мощность, идущую на нагревание диэлектрика, отнесенную к единице его объема, называют удельными диэлектрическими потерями.