Что такое диэлектрическая проницаемость среды кратко

Обновлено: 05.07.2024

Диэлектрическая проницаемость — величина, характеризующая диэлектрические свойства среды — её реакцию на электрическое поле:

D = εF
В большинстве диэлектриков при не очень сильных полях диэлектрическая проницаемость не зависит от поля Е. В сильных же электрических полях (сравнимых с внутриатомными полями), а в некоторых диэлектриках в обычных полях зависимость D от Е — нелинейная.

Так же диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия F_o в вакууме:

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества может быть определена путем сравнения ёмкости тестового конденсатора с данным диэлектриком (C_x) и ёмкости того же конденсатора в вакууме (C_o):

Таблица значений диэлектрической проницаемости для твердых тел:

Таблица значений диэлектрической проницаемости для жидкостей:

Таблица значений диэлектрической проницаемости для газов:

Обозначение в формуле:

D — электрическая индукция в среде;

ε — диэлектрическая проницаемость среды;

E — напряжённость электрического поля;

F₀ — сила взаимодействия между зарядами в среде;

F — сила взаимодействия между зарядами в вакууме;

C_x — ёмкость конденсатора в среде;

C₀ — ёмкость конденсатора в вакууме.

величина e, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрич. поля Е. Д. п. входит в Кулона закон как величина, показывающая, во сколько раз сила вз-ствия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Ослабление вз-ствия происходит из-за экранизации свободных зарядов связанными, образующимися в результате поляризации среды. Связанные заряды возникают вследствие микроскопич. перераспределения заряда в электрически нейтральной среде и, в отличие от свободных зарядов, не способны перемещаться под действием поля на макроскопич. расстояния, т. е. не участвуют в электропроводности в-в.

Связь между вектором поляризации P, вектором напряжённости электрич. поля Е в вакууме и в диэлектрике (вектором электрич. индукции D) в системе единиц СГСЭ имеет вид:

где e0 — электрическая постоянная. Величина Д. п. e зависит от структуры и хим. состава в-ва, а также от давления, темп-ры и др. внешних условий (табл.).

Рис. 1. а — изменение поляризации P во времени t при включении электрич. поля Е в случае ионного и электронного механизмов поляризации; б — частотные зависимости e' и tgd.

Рис. 2. а — изменение поляризации P во времени при включении поля Е при ориентац. механизме поляризации; б — частотные зависимости e' и tgd.

Поляризация диэлектрика при наложении электрич. поля происходит не мгновенно, а в течение нек-рого времени t (время релаксации). В переменном поле E=E0sinwt; это приводит к отставанию поляризации P=P0•sin(wt-d) от поля Е. При описании колебаний P и Е методом комплексных амплитуд Д. п. представляют комплексной величиной:

причём e' и e" зависят от w и t (см. ДЕБАЯ ФОРМУЛЫ), а отношение e"/e'=tgd определяет диэлектрические потери в среде. Сдвиг фаз d зависит от соотношения времён т и T=2p/w. При t Т (высокие частоты) поляризация не успевает за изменениями Е, d®p и e' в этом случае обозначают e?. Очевидно, что e0?e?, и в перем. полях Д. п. оказывается функцией со. Вблизи w=1/t происходит изменение e' от e0 до e? (область дисперсии), а зависимость tgd(w) проходит через максимум.

Характер зависимостей e'(w) и tgd (w) в области дисперсии определяется механизмом поляризации. В случае ионной и электронной поляризаций изменение R во времени t при включении поля Е имеет характер затухающих колебаний (рис. 1, а). Соответственно зависимости e' и tgd от w наз. резонансными (рис. 1,б). При ориентац. поляризации R(t) носит релаксац. характер (рис. 2, а), а зависимости e' и tgd от w наз. релаксационными (рис. 2, б). Времена т установления или исчезновения поляризации в этом случае зависят от интенсивности теплового движения атомов, молекул или ионов, т. е. от темп-ры. При ориентац. поляризации т определяется временем ориентации отд. молекул в направлении Е и зависит от величины дипольных моментов молекул, вязкости среды, энергии диполь-дипольного вз-ствия и т. д. При комнатной темп-ре t=10-4— 10-10 с, причём для газов и жидкостей, как правило, t меньше, чем для тв. тел.

В тв. диэлектриках поляризация часто обусловлена слабо связанными ионами, к-рые могут иметь неск. положений равновесия. Под действием поля Е и теплового движения они могут перемещаться из одного равновесного положения в другое, преодолевая потенциальный барьер U. В этом случае t=exp(U/kT) варьируется в широком интервале. В электрически неоднородных средах наблюдается межповерхностная поляризация, вызванная движением свободных носителей заряда, скапливающихся вблизи границ областей с повышенным уд. сопротивлением (межкристаллитная прослойка в керамике, приэлектродные запорные слои в кристаллах, микротрещины, флуктуации хим. состава и т. д.). При этом в системе единиц СГСЭ t=e/4ps (в СИ t=e0e/s), где e и s — Д. п. и проводимость высокопроводящих включений.

Рис. 3. Частотные зависимости e' и tgd в широком диапазоне частот для гипотетич. диэлектрика: частоты w1, w2 и w3 соответствуют ориентац. поляризации, w4 и w5 — электронной и ионной поляризациям.

В реальных диэлектриках нередко возможны одновременно неск. механизмов поляризации с различными т, что приводит к более сложному характеру зависимостей e(w) и tgd (w) (рис. 3).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

В диэлектрической среде показана ориентация заряженных частиц при создании поляризационных эффектов. Такая среда может иметь более высокий коэффициент электрического потока для зарядки (диэлектрической проницаемости), чем пустое место

В СИ (система единиц) единицы, диэлектрическая проницаемость ε измеряется в фарадах (фарада электрическая ёмкость)на метр (F/m); электрическая восприимчивость χ — безразмерный параметр. Они связаны друг с другом через
$$\varepsilon = \varepsilon_> \varepsilon_0 = (1+\chi)\varepsilon_0 $$

где ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость материала en:Relative_permittivity, и ε = 8.8541878176.. × 10-12 F/m — диэлектрическая проницаемость вакуума en:Vacuum_permittivity.

Фара́д (обозначение: Ф, F) — единица измерения электрической ёмкости в системе СИ (система единиц) (ранее называлась фара́да).

1 фарад равен электрической ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между обкладками конденсатора напряжение 1 вольт.

Ф = Кл/В = A·c/B 1Ф = А² · с4 / кг · м²

Единица названа в честь английского физика Майкла Фарадея

Эффект поляризации диэлектрика и проницаемость

Под воздействием электрического поля в диэлектрике имеет место поляризация — явление, связанное с ограниченным смещением зарядов или поворотом электрических диполей. Данное явление характеризует вектор электрической поляризации P >, равный дипольному моменту единицы объёма диэлектрика. В отсутствие внешнего поля диполи ориентированы хаотично (см. верхний рис.), за исключением особых случаев спонтанной поляризации в сегнетоэлектриках. При наличии поля диполи в большей или меньшей степени поворачиваются (нижний рис.), в зависимости от восприимчивости χ(ω) конкретного материала, а восприимчивость, в свою очередь, определяет проницаемость ε(ω). Помимо дипольно-ориентационного, имеются и поляризации. Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объёме, однако она сопровождается появлением связанных электрических зарядов на поверхности диэлектрика и в местах неоднородностей. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле, как правило, направленное против внешнего наложенного поля. В итоге тот факт, что εa≠ε>, является следствием электрической поляризации материалов.

Роль диэлектрической проницаемости среды в физике

Относительная диэлектрическая проницаемость ε среды, наряду с её относительной магнитной проницаемостью μ и удельной электропроводностью σ, влияет на распределение напряжённости электромагнитного поля в пространстве и используется при описании среды в системе уравнений Максвелла. Среду со значениями μ=1 и σ= называют идеальным диэлектриком (диэлектриком без поглощения, диэлектриком без потерь), для неё ε определяет такие вторичные параметры, как коэффициент преломления среды, скорость распространения, фазовую скорость и коэффициент укорочения длины электромагнитной волны в среде, волновое сопротивление среды. Относительная диэлектрическая проницаемость реальных диэлектриков (диэлектриков с потерями, диэлектриков с поглощением, для которых σ>0>) также влияет на значение тангенса угла диэлектрических потерь и погонное затухание электромагнитной волны в среде. Относительная диэлектрическая проницаемость среды влияет на электрическую ёмкость расположенных в ней проводников: увеличение ε приводит к увеличению ёмкости. При изменении ε в пространстве (то есть если ε зависит от координат) говорят о неоднородной среде, зависимость ε от частоты электромагнитных колебаний — одна из возможных причин дисперсии электромагнитных волн, зависимость ε от напряженности электрического поля — одна из возможных причин нелинейности среды. Если среда является анизотропной, то в материальном уравнении ε будет не скаляром, а тензором. При использовании метода комплексных амплитуд в решении системы уравнений Максвелла и наличии потерь в среде (σ>0>) оперируют комплексной диэлектрической проницаемостью.

Численное значение

В Международной системе единиц

До изменения СИ 2018—2019 годов

Поскольку в СИ для магнитной постоянной было справедливо точное равенство μ=4π × 10−7 =4\pi \ \times \ 10^\ >Гн/м, то для электрической постоянной выполнялось соотношение

также являвшееся точным.

Учитывая, что скорости света в СИ приписано точное значение, по определению равное 299 792 458 м/с, из последнего соотношения следует численное значение ε> в СИ:

Или, выражая то же через основные единицы СИ,

ε ≈ 8,85418781762039 · 10−12 м−3·кг−1·с4·А2.

После изменений СИ 2018—2019 годов

С 2019 года вступили в силу изменения в СИ, включающие, в частности, переопределение ампера на основе фиксации численного значения элементарного заряда. Это привело к тому, что значение электрической постоянной стало экспериментально определяемой величиной, хотя численно её значение осталось прежним с высокой точностью. Значение электрической постоянной, рекомендованное CODATA:

В системе СГС электрическая постоянная как коэффициент, связывающий напряжённость и индукцию электрического поля в вакууме, также может быть введена. При этом в различных вариантах системы СГС электрическая постоянная имеет разную размерность и значение. Конкретно, Гауссова система единиц и система СГСЭ построены так, что электрическая постоянная безразмерна и равна 1, а в системе СГСМ она равна ε = 1/c2 ≈ 1,11265005605362 · 10−21 с2·см−2.

величина e, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрич. поля Е. Д. п. входит в Кулона закон как величина, показывающая, во сколько раз сила вз-ствия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Ослабление вз-ствия происходит из-за экранизации свободных зарядов связанными, образующимися в результате поляризации среды. Связанные заряды возникают вследствие микроскопич. перераспределения заряда в электрически нейтральной среде и, в отличие от свободных зарядов, не способны перемещаться под действием поля на макроскопич. расстояния, т. е. не участвуют в электропроводности в-в.

Связь между вектором поляризации P, вектором напряжённости электрич. поля Е в вакууме и в диэлектрике (вектором электрич. индукции D) в системе единиц СГСЭ имеет вид:

где e0 — электрическая постоянная. Величина Д. п. e зависит от структуры и хим. состава в-ва, а также от давления, темп-ры и др. внешних условий (табл.).

Рис. 1. а — изменение поляризации P во времени t при включении электрич. поля Е в случае ионного и электронного механизмов поляризации; б — частотные зависимости e' и tgd.

Рис. 2. а — изменение поляризации P во времени при включении поля Е при ориентац. механизме поляризации; б — частотные зависимости e' и tgd.

Поляризация диэлектрика при наложении электрич. поля происходит не мгновенно, а в течение нек-рого времени t (время релаксации). В переменном поле E=E0sinwt; это приводит к отставанию поляризации P=P0•sin(wt-d) от поля Е. При описании колебаний P и Е методом комплексных амплитуд Д. п. представляют комплексной величиной:

причём e' и e" зависят от w и t (см. ДЕБАЯ ФОРМУЛЫ), а отношение e"/e'=tgd определяет диэлектрические потери в среде. Сдвиг фаз d зависит от соотношения времён т и T=2p/w. При t Т (высокие частоты) поляризация не успевает за изменениями Е, d®p и e' в этом случае обозначают e?. Очевидно, что e0?e?, и в перем. полях Д. п. оказывается функцией со. Вблизи w=1/t происходит изменение e' от e0 до e? (область дисперсии), а зависимость tgd(w) проходит через максимум.

Характер зависимостей e'(w) и tgd (w) в области дисперсии определяется механизмом поляризации. В случае ионной и электронной поляризаций изменение R во времени t при включении поля Е имеет характер затухающих колебаний (рис. 1, а). Соответственно зависимости e' и tgd от w наз. резонансными (рис. 1,б). При ориентац. поляризации R(t) носит релаксац. характер (рис. 2, а), а зависимости e' и tgd от w наз. релаксационными (рис. 2, б). Времена т установления или исчезновения поляризации в этом случае зависят от интенсивности теплового движения атомов, молекул или ионов, т. е. от темп-ры. При ориентац. поляризации т определяется временем ориентации отд. молекул в направлении Е и зависит от величины дипольных моментов молекул, вязкости среды, энергии диполь-дипольного вз-ствия и т. д. При комнатной темп-ре t=10-4— 10-10 с, причём для газов и жидкостей, как правило, t меньше, чем для тв. тел.

В тв. диэлектриках поляризация часто обусловлена слабо связанными ионами, к-рые могут иметь неск. положений равновесия. Под действием поля Е и теплового движения они могут перемещаться из одного равновесного положения в другое, преодолевая потенциальный барьер U. В этом случае t=exp(U/kT) варьируется в широком интервале. В электрически неоднородных средах наблюдается межповерхностная поляризация, вызванная движением свободных носителей заряда, скапливающихся вблизи границ областей с повышенным уд. сопротивлением (межкристаллитная прослойка в керамике, приэлектродные запорные слои в кристаллах, микротрещины, флуктуации хим. состава и т. д.). При этом в системе единиц СГСЭ t=e/4ps (в СИ t=e0e/s), где e и s — Д. п. и проводимость высокопроводящих включений.

Рис. 3. Частотные зависимости e' и tgd в широком диапазоне частот для гипотетич. диэлектрика: частоты w1, w2 и w3 соответствуют ориентац. поляризации, w4 и w5 — электронной и ионной поляризациям.

В реальных диэлектриках нередко возможны одновременно неск. механизмов поляризации с различными т, что приводит к более сложному характеру зависимостей e(w) и tgd (w) (рис. 3).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

Читайте также:

  
• Что такое эпизод в музыке определение кратко
  
• Презентация экспериментальная деятельность в детском саду
  
• Одинакова ли скорость тела в начале и конце любого отрезка пути при равномерном движении кратко
  
• Что такое бытовые отходы кратко
  
• Как научить в доу читать