Диэлектрическая проницаемость материалов

1. Дайте определение явлению поляризации.

Поляризацией называется смещение под действием электрического поля связанных в атомы, молекулы, кристаллы зарядов вещества в соответствии со знаками этих зарядов и направлением поля.

1. Какие Вы знаете виды поляризации?

Поляризацию можно разделить на следующие виды и подвиды:

Атомная(электронная). Поляризации подвергаются заряды атома, в первую очередь деформируются электронные орбиты. Атомная поляризация может быть упругой, при которой энергия электрического поля практически не переходит в тепло. Если при атомной поляризации за счет взаимодействия атомов часть энергии электрического поля переходит в тепловую, поляризация называется релаксационной или тепловой.

Ионная. При поляризацииизменяется относительное расположение ионов в молекуле и (или) кристалле. Ионная поляризация может быть также упругой или релаксационной.

Ориентационная (дипольная). При поляризации дипольные молекулы вещества стремятся ориентироваться по полю. Ориентируются также и диполи, образовавшиеся в результате ионной поляризации. При ориентационной поляризации часть энергии электрического поля переходит в тепло.

Миграционная – под действием поля по веществу перемещаются отдельные заряды, возвращающиеся на прежнее место при исчезновении (снятии) поля. Длина пути этих зарядов может достигать 10^{-3 м.}

У некоторых веществ при образовании кристалла может возникнуть спонтанная (самопроизвольная, без воздействия поля) поляризация, носящая ионный или дипольный характер.

1. Что такое «время релаксации»?

Применительно к поляризации понятие «релаксация» можно трактовать как возврат в состояние равновесия после исчезновения поля. Временем релаксации называется промежуток времени τ, в течение которого отклонение какого либо параметра системы от его равновесного состояния уменьшается в e (2,7183) раз. Время релаксации для каждого материала можно вычислить как произведение удельного сопротивления, ρ на диэлектрическую проницаемость, ε (с учетом электрической постоянной):

τ=ε₀ ε ρ.

1. Сравните виды поляризации по времени релаксации.

τ_{упругой поляризации} ≈ 10^-16…10^-12 с,

τ_{релаксационной поляризации} ≈ 10^-10…10^-6 с,

τ_{ориентационной поляризации} ≈ 10^-10…10^-6 с.

τ_{миграционной поляризации} ≈ 10^-4…..10⁺⁴ с.

1. Определите понятие «диэлектрическая проницаемость» как меру физических изменений в веществе при приложении поля.

Диэлектрическая проницаемость, ε является мерой поляризации вещества в электрическом поле.

1. Определите понятие «диэлектрическая проницаемость» как меру изменения электрического поля в веществе.

Диэлектрическая проницаемость, ε - это мера ослабления электрического поля в веществе по сравнению с внешним полем; её значение показывает во сколько раз поле в веществе слабее поля от того же источника в вакууме.

1. Определите понятие «диэлектрическая проницаемость» как меру емкости устройства с веществом.

Значение диэлектрической проницаемости вещества, ε можно определить как отношение емкости конденсатора с данным веществом (диэлектриком) к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум.

1. Сопоставьте значение диэлектрической проницаемости с видом поляризации.

По мере возрастания значения диэлектрической проницаемости виды поляризации можно расположить в следующем порядке:

ε_{при атомной поляризации}< ε_{при ионной поляризации}< ε_{при ориентационной поляризации}

Примеры:

ε_{воздуха} = 1, 00058 ε_{каменной соли} = 6,0 ε_воды = 81

1. Что такое «сегнетоэлектрики»?

Сегнетоэлектрики – это твердые вещества со спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Сегнетоэлектрики обладают наибольшими значениями диэлектрической проницаемости – до 1000 и более.

Примеры сегнетоэлектриков: Сегнетова соль – NaKC₄H₄×4H₂O, ε_{сегн.соли} = 500…600.

Титанат бария – BaTiO₃, ε_{титаната бария} = 1500…2000.

1. Во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при замене воздуха между пластинами на известный Вам твердый диэлектрик?

Диэлектрическую проницаемость воздуха можно принять равной 1. Поэтому относительное увеличение емкости соответствует значению диэлектрической проницаемости диэлектрика. Например, диэлектрическая проницаемость трансформаторного масла лежит в пределах 2,2…2,5. Следовательно, при замене в конденсаторе воздуха на трансформаторное масло емкость конденсатора можно увеличить в 2,2…2,5 раза.

36.Как распределяются напряженности электрического поля в двухслойном диэлектрике?

Напряженности поля в диэлектрике, состоящем из двух слоев различных материалов, и помещенном в равномерное электрическое поле, распределяются обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям материалов: