Поляризация диэлектриков. Относительная диэлектрическая проницаемость

Диэлектрик на электрических схемах замещения приводится в виде конденсатора определенной электрической емкости С.

Его электрический заряд можно определить по выражению вида:

= = + ;

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику;

– заряд, который обусловлен системой электродов (предполагается, что между электродами находится вакуум).

– заряд, обусловленный фактическими процессами поляризации диэлектрика.

Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика определяется из соотношения:

= = =1+ .

Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость всегда больше единицы ( > 1), а в вакууме эта величина равна единице ( = 1).

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика создавать электрическую емкость:

= = ;

= ,

где – фактическая емкость конденсатора.

– емкость конденсатора той же формы и размеров в вакууме.

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз сила взаимодействия между двумя точечными зарядами меньше чем в вакууме. Это следует из закона Кулона:

= .

Поляризация проявляется как образование индуцированного электрического момента, равного геометрической сумме моментов всех поляризованных молекул, находящихся в определенном объеме диэлектрика.

Поляризованность (Кл/м²) – величина, характеризующая интенсивность поляризации и равная:

= ,

где – объем диэлектрика, ;

– индуцированный электрический момент, .

Для случая плоского конденсатора, который находится в однородном электрическом поле:

= , = ,

= ,

= .

То есть поляризованность численно равняется величине поверхностной плотности электрически связанных зарядов .

Существуют диэлектрики, у которых зависимость поляризованности в функции напряженности электрического поля Р = f (Е) может носить линейный или нелинейный характер.

У диэлектриков, имеющих линейную зависимость Р = f(Е), поляризованность прямопропорциональна напряженности электрического поля:

= ,

где = электрическая постоянная, = ,

- относительная диэлектрическая восприимчивость, = -1,

– относительная диэлектрическая проницаемость,

Е – напряженность электрического поля,

– абсолютная диэлектрическая восприимчивость.

Электрическое смещение D (Кл/м²), характеризующее интенсивность поляризации линейного диэлектрика:

= + = .

Плотность энергии электрического поля (накопленная в заряженном конденсаторе энергия электрического поля, отнесенная к единице объема диэлектрика), находящаяся в определенном объеме диэлектрика, определяется по формуле:

= = , [ ].

Для нелинейных диэлектриков (например, сегнетоэлектриков) приведенные выше зависимости не выполняются. В этом случае зависимости электрического смещения в функции напряженности электрического поля D=f(E), полученные экспериментально, выглядят следующим образом.

Рисунок 7

1 – линейные диэлектрики без потерь (Р=0),

2 – линейные диэлектрики с потерями (Р>0),

3 – нелинейные диэлектрики (сегнетоэлектрики) (Р>>0).