Поляризация диэлектриков.

Поляризацией называется процесс смещения электрических зарядов под действием сил внешнего и внутреннего электрических полей. В результате поляризации диэлектрика в нём создаётся внутреннее электрическое поле, противоположное к внешнему полю, вызвавшему эту поляризацию.

Характерной особенностью диэлектрика является способность поляризоваться в электрическом поле. Сущность поляризации заключается в смещении связанных электрических зарядов под действием поля. Смещенные заряды создают собственное внутреннее электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему. Мерой поляризации является диэлектрическая проницаемость ε. Она оценивается отношением емкостей С_д/С_о конденсатора. Емкость С_д определяется, когда между пластинами конденсатора находится диэлектрик, а ёмкость Со - когда вместо диэлектрика - вакуум. В твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько видов поляризации, которые в сумме определяют величину ε и её зависимость от температуры и частоты поля. Конструкционные диэлектрики общего назначения имеют небольшое значение ε - до 10-12. Диэлектрики, которые используются в конденсаторах, должны иметь высокие значения ε , чтобы увеличить ёмкость конденсатора. У конденсаторных диэлектриков ε меняется от 12-15 до 100000. Наиболее важными видами поляризации являются электронная, ионная, дипольно-релаксационная и самопроизвольная (спонтанная).

Качественно поляризация выражается величиной, которая равна пределу отношения электрического момента объёма диэлектрика к значению этого объёма, когда оно стремится к нулю.

®

Р = lim dM/dV ½dV®0.

Степень поляризации может быть оценена также увеличением ёмкости конденсатора.

Если конденсатор, диэлектриком которого является воздух, присоединён к источнику синусоидального напряжения U, то запасаемый им заряд Q будет равен:

Q = C_oU, где С_о = А/d* e_o,

С_о – вакуумная ёмкость конденсатора, А – поверхность пластин, d – расстояние между пластинами, e_o – диэлектрическая проницаемость вакуума = 1/ 36p 10¹¹ ф/см.

Если конденсатор заполнен диэлектриком, то его ёмкость возрастает до величины С, которая будет равна:

С = e С_о или e = С/С_о ,

где e - относительная диэлектрическая проницаемость.

В зависимости от природы электрических зарядов и структуры молекул, существуют различные механизмы поляризации.

Почему же диэлектрик увеличивает емкость?

Будем считать, что заряд на пластинах при введении диэлектрика не изменился и остался равным Q. Для увеличения емкости необходимо уменьшение U в e раз, т.е. ослабление поля между пластинами.

В диэлектрике нет свободных зарядов. Но можно полагать, что он состоит из связанных между собой положительных и отрицательных зарядов.

Под воздействием электрического поля может измениться взаимная ориентация положительного и отрицательного зарядов, например небольшой сдвиг в пределах одного кристалла. По-прежнему внутри диэлектрика сумма положительных и отрицательных зарядов будет равна нулю, но на поверхности диэлектрика заряд останется нескомпенсированным (рис. 133), а именно поверхностный заряд диэлектрика имеет плотность s_пол.=NqD,

где D - расстояние, на которое сместились заряды в диэлектрике;
N - концентрация зарядов,
q = e - заряд электрона.

Величина s_пол. - называется вектором поляризации и обозначается P. Поле между пластинами теперь зависит и от заряда Q, и от поля, создаваемого зарядами диэлектрика

Величина поляризации зависит от электрического поля: чем больше E, тем больше расстояние D, больше P…..

Таким образом,

где введенный коэффициент c называется диэлектрической восприимчивостью.

Итак, процессы в конденсаторе характеризуются способностью диэлектрика к поляризации, то есть к взаимному смещению положительных и отрицательных зарядов в пространстве.

Мы стремимся создавать конденсаторы, обладающие большой емкостью при малом объеме V. Для этого надо повысить удельную емкость конденсатора

,

(где 0,0884 = e₀)

Для увеличения С_уд. можно:

1. уменьшать d, но при этом растет напряженность поля в диэлектрике и опасность его пробоя;

2. увеличивать e , выбирая соответствующие материалы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: