✅Діелектрична проникність: визначення

Діелектрична проникність – це один з основних параметрів, що характеризують електричні властивості діелектриків. Іншими словами він визначає наскільки хорошим ізолятором є той чи інший матеріал.

Значення діелектричної проникності показує залежність електричної індукції в діелектрику від напруженості електричного поля, що впливає на нього. При цьому на її величину впливають не тільки фізичні властивості самого матеріалу або середовища, але ще і частота поля. Як правило в довідниках вказується величина, виміряна для статичного або низькочастотного поля.

Розрізняють два види діелектричної проникності:

Відносна діелектрична проникність показує відношення ізолюючих (діелектричних) властивостей досліджуваного матеріалу до аналогічних властивостям вакууму. Вона характеризує ізолюючі властивості речовини в газоподібному, рідкому або твердому станах.

Тобто може бути застосована практично до всіх діелектриків. Величина відносної діелектричної проникності для речовин в газоподібному стані, як правило, знаходиться в межах 1. Для рідин і твердих тіл вона може перебувати в дуже широких межах – від 2 і практично до нескінченності.

Наприклад, відносна діелектрична проникність прісної води дорівнює 80, а сегнетоелектриків – десятки, а то і сотні одиниць залежно від властивостей матеріалу.

Абсолютна діелектрична проникність – це постійна величина. Вона характеризує ізолюючі властивості конкретної речовини або матеріалу, не залежно від його місця розташування і впливають на нього зовнішніх чинників.

Використання

Діелектричну проникність, а точніше її значення використовують при розробці і проєктуванні нових електронних компонентів, зокрема конденсаторів. Від її значення залежать майбутні розміри і електричні характеристики компонента.

Цю величину також враховують і при розробці цілих електричних схем (особливо в високочастотній електроніці) і навіть інтегральних мікросхем.

Що ми дізналися?

1. Основне визначення
   • Що це таке: Діелектрична проникність – це фізична величина, яка визначає ступінь поляризації діелектрика у електричному полі.
2. Важливість
   • Роль у фізиці: Одна з ключових характеристик діелектриків, що впливає на їхні електричні властивості.
3. Поляризація
   • Процес поляризації: Виникає, коли в діелектрику під дією електричного поля розподіляються електричні заряди так, що створюють додаткове електричне поле, яке частково компенсує зовнішнє поле.
4. Формула
   • Математичний вираз: Діелектрична проникність ε виражається через відношення електричної ємності конденсатора з діелектриком до його ємності без діелектрика.
5. Залежності
   • Залежність від температури та частоти: Діелектрична проникність може змінюватися залежно від температури та частоти електричного поля.
6. Приклади матеріалів
   • Різні діелектрики: Вода, скло, кераміка, різні пластмаси мають різну діелектричну проникність.
7. Застосування
   • Використання у техніці: Конденсатори, ізоляційні матеріали, діелектричні резонатори.

Висновок

Діелектрична проникність є фундаментальною характеристикою діелектриків, яка відіграє ключову роль у розумінні їхніх електричних властивостей.

Вона визначає, наскільки матеріал може поляризуватися під дією електричного поля, що має важливе значення у багатьох областях, від електроніки до матеріалознавства. Різні діелектрики мають різну діелектричну проникність, що дозволяє використовувати їх у різноманітних технічних застосуваннях, включаючи ізоляцію, конденсацію та інші.

Цікавим фактом є те, що діелектрична проникність може змінюватися залежно від температури та частоти, що робить її важливою змінною при проєктуванні електронних компонентів.

§ 31. Речовина в електростатичному полі

Ви знаєте, що в провідниках, на відміну від діелектриків, існують вільні заряджені частинки (наприклад, у металах це вільні електрони). Зазвичай у нейтральному провіднику ці частинки розподілено по об’єму провідника рівномірно. Тому якщо виділити подумки будь-яку частину провідника, її заряд дорівнюватиме нулю (наприклад, у металі негативний заряд вільних електронів буде скомпенсований позитивним зарядом йонів кристалічної ґратки).

Зазначимо, що це справедливо тільки для електростатичного поля, в інших випадках електричне поле проникатиме всередину провідника.

• Електростатичне поле не може проникати всередину провідника.

Якби всередині провідника існував будь-який некомпенсований електричний заряд, то відповідно до теореми Гауса він створював би всередині провідника й електричне поле (на кожному заряді починалися б або закінчувалися силові лінії). Отже, такого некомпенсованого заряду не може бути. Це справедливо як для нейтральних, так і для заряджених провідників. Якщо зарядити металеву кулю, то весь її заряд розподілиться по поверхні. Отже, електричне поле буде таким самим, як для зарядженої сфери (див. рис. 30.17).

• Заряд провідника розподіляється тільки по його поверхні.

У розглянутому вище прикладі (рис. 31.1) перерозподіл зарядів спричинив зміну напруженості електричного поля тільки всередині провідника. Це не правило, а скоріше виняток: зазвичай перерозподіл зарядів у провіднику спричиняє зміну електричного поля й навколо провідника. Силові лінії електростатичного поля поблизу поверхні провідника утворюють з цією поверхнею прямий кут: якщо б вони були «нахилені» до поверхні, відбувався б перерозподіл зарядів між різними ділянками поверхні провідника, аж доки причина такого перерозподілу — складова напруженості електричного поля вздовж поверхні — не зникла б.

Заряд розподіляється по поверхні більшості провідників нерівномірно. Найбільш «щільно» заряди розміщуються там, де радіус кривизни поверхні найменший (наприклад, біля вістря, як на рис. 31.2). Саме біля цих ділянок поверхні напруженість електричного поля максимальна.

Рис. 31.2. Неоднорідний розподіл електричних зарядів по поверхні провідника біля вістря

На рис. 31.1, в ми бачимо, що силові лінії поля обриваються на одній поверхні провідника (закінчуються на негативних поверхневих зарядах) і продовжуються з іншого боку (починаються на позитивних поверхневих зарядах). Усередині ж провідника поле відсутнє. А тепер подумки видалимо якусь внутрішню частину провідника (утворимо порожнину, рис. 31.3). Оскільки ми не змінили розподілу зарядів, поле в усіх точках залишиться незмінним. Отже, у порожнині електростатичного поля не буде. Не буде й електричних зарядів на поверхні порожнини.

Рис. 31.3. Електростатичне поле відсутнє не тільки всередині самого провідника, а й у порожнині в провіднику

Цей висновок лишається справедливим навіть для порожнистого провідника з дуже тонкими стінками (його можна отримати, загорнувши якесь діелектричне тіло в тонку алюмінієву фольгу).

На цьому ґрунтується електростатичний захист. Будь-яке тіло, прилад або живу істоту можна захистити від дії електростатичного поля, навіть дуже сильного, помістивши всередину замкненої провідної (найчастіше металевої) оболонки. Навіть якщо замінити суцільні стінки металевою сіткою, поле практично не проникатиме всередину (рис. 31.4).

Рис. 31.4. Приклад електростатичного захисту

Усе сказане щодо провідників в електростатичному полі добре ілюструють досліди, в яких можна спостерігати силові лінії (рис. 31.5).

Рис. 31.5. Силові лінії електростатичного поля поблизу провідників

Зверніть увагу на те, що частинки крупи не стали «шикуватися» усередині провідника (фігурного електрода), а також на напрям і густину силових ліній поблизу поверхні провідників.

2. Діелектрики в електростатичному полі

У діелектриках практично немає вільних заряджених частинок. Але є зв’язані заряджені частинки в складі атомів, молекул або йонів. Тому під дією електричного поля і в діелектриках відбувається певний перерозподіл зарядів. За відсутності зовнішнього електричного поля діелектрик можна розглядати як однорідну «суміш» зарядів обох знаків, тому заряд будь-якої частини об’єму діелектрика дорівнює нулю.

Під дією зовнішнього електричного поля заряджені частинки «суміші» трохи зміщуються: позитивні заряди — у напрямі напруженості поля, а негативні — у протилежному напрямі. Якщо тепер визначити заряд якогось об’єму всередині діелектрика, то він знов дорівнюватиме нулю. А от поблизу поверхні ситуація інша: ми бачимо, що на одній поверхні виникає негативний заряд, а на іншій — позитивний (на рис. 31.6 для простоти показано діелектричну пластину). Ці заряди називають зв’язаними, а сам процес — поляризацією діелектрика. Зв’язані заряди, на відміну від вільних, не можна «зняти», торкнувшись провідником поверхні.

Рис. 31.6. Поляризація діелектричної пластини під дією електричного поля: на поверхнях виникають зв’язані заряди протилежних знаків

Рис. 31.7. Перерозподіл зарядів у провіднику спричиняє зникнення електричного поля в пластині, а поляризація діелектрика — лише послаблення поля в пластині

З наведеного означення випливає, що для вакууму ε = 1. Діелектрична проникність повітря трохи більша, але зазвичай можна вважати, що вона теж дорівнює одиниці. Діелектричні проникності кількох діелектриків наведено в табл. 2.1.

Діелектрична проникність

Діелектрик