Діелектрик в електричному полі

    На відміну від провідників у діелектриках майже не існує вільних зарядів. В середині атомів і молекул діелектриків негативно і позитивно заряджені частинки зв'язані між собою електричними силами але не абсолютно жорстко, а можуть до певної міри змішуватись під дією прикладених до них сил.

    Негативні і позитивні заряди кожної молекули однакові, тому будь яка молекула в цілому не заряджена. У будь якій частині об'єму діелектрика загальний позитивний заряд дорівнює негативному зарядові і результуюча дія цих зарядів дорівнює нулеві.

    Якщо помістити діелектрик в електричне поле, то на позитивні і негативні заряди його молекул почнуть діяти протилежно напрямлені сили. Під дією цих сил заряди кожної молекули змістяться, причому це зміщення відбуватиметься в напрямі напруженості поля. Сили поля будуть розтягувати молекули і орієнтувати їх вздовж силових ліній. В результаті молекули розмістяться впорядковано. Рис. 1.

Рисунок 1

    І в цьому випадку у будь якій частині діелектрика сумарний електричний заряд дорівнюватиме нулеві. Але на поверхнях діелектрика, які обмежують його, з'являться заряди з одного боку позитивні, з другого - негативні. Процес зміщення зарядів у діелектриків, вміщеному в електричне поле, називається поляризацією, а сам діелектрик в цьому стані - поляризованим.

    Поляризація діелектрика трохи нагадує електризацію провідника через вплив. Проте між цими явищами існує глибока відмінність. Якщо в провіднику під впливом сил електричного поля вільні електрони перемішуються по всьому об'ємові провідника, то в діелектрикові вільного переміщення електричних зарядів бути не може. Проте в межах однієї молекули діелектрика виникає зміщення додатнього заряду вздовж напрямку електричного поля і від'ємного заряду в зворотньому напрямку. Розрізняють діелектрики двох класів. У діелектрику першого класу, молекула в нейтральному стані має додатній і від'ємний заряди, що настільки близько розміщені один до одного, що їх дія взаємно компенсується. Під дією електричного поля додатні і від'ємні заряди в межах молекул дещо зміщуються відносно один до одного, утворюючи диполь.

    У діелектриків другого класу молекули без присутності електричного поля утворюють диполі. Такі діелектрики називаються полярними. До них відносяться: вода, аміак, ефір, ацетон і т.д. У таких діелектриків, при відсутності електричного поля диполі в просторі розміщені хаотично і в наслідок цього результуюче електричне поле навколо полярного діелектрика рівне нулю. Під дією зовнішнього електричного поля молекули (а значить і диполі) повертаються так, щоб їх вісь співпадала з напрямком зовнішнього поля. На відміну від індукованих зарядів на провіднику поляризовані заряди діелектрика не можна відділити один від другого.

    Якщо поділити в електричному полі провідник, заряджений через вплив, то обидві частини провідника будуть заряджені протилежно. Заряди залишаються на провідниках і після видалення їх з поля. Інакше йдуть справи у випадку діелектрика. Якщо поділити діелектрик в електричному полі на дві частини, то на утворених знову поверхнях обох частин з'являться заряди обох знаків: на одному боці - позитивні, на другому негативні (рис.2)

Рисунок 2

Заряди, які з'являються на поверхнях поляризованого діелектрика, називаються зв'язаними зарядами.

    Діелектрична проникливість. Ступінь поляризованості речовини характеризується особливою величиною, яка називається діелектричною проникливістю. Розглянемо, що це за величина.

Рисунок 3

Нехай напруженість однорідного поля між двома зарядженими пластинами в пустоті дорівнює Ео рис.3а. Заповнимо проміжок між цими пластинами яким небудь діелектриком. Електричні заряди, які з`явилися на межі діелектрика з провідником в наслідок поляризації, нейтралізують дію частини зарядів на пластинах. В результаті поле між пластинами змінюється. Напруженість Е цього поля стає меншою від напруженості Ео рис. 3б.

    Дослід показує, що коли послідовно заповнювати проміжок між пластинами різними діелектриками, то величини напруженості поля будуть різні. Тому величини відношення напруженості полів між пластинами без діелектрика Ео із діелектриком Е можна судити про поляризованість діелектрика, тобто про його діелектричну проникливість. Цю величину прийнято позначати грецькою буквою Е (епсілон). Отож, можна написати: епсілон = Ео/Е

    Діелектрична проникливість показує у скільки разів напруженість поля даних зарядів у діелектрику (однорідному) буде менша ніж у вакуумі.

Таблиця діелектричних проникностей деяких речовин.

Повітря .... 1,0006

Парафін .... 2

Плексиглас .... 3/4

Ебоніт .... 4

Фарфор .... 7

Скло .... 4/7

Слюда .... 4/5

Янтар .... 12,8

Вода .... 81

    На практиці діелектричну проникливість повітря приймають за одиницю. Закон Кулона для зарядів вміщених у діелектрик, виражається формулою

    Таким чином, поляризація представляє собою пружне зміщення електричних зарядів у речовині діелектрика. При деякій певній величині напруженості електричного поля зміщення зарядів досягає граничної величини, після чого відбувається руйнація - пробій діелектрика, в результаті чого діелектрик втрачає свої ізоляційні властивості і стає струмопровідним. На базі цього виникла теорія електричної міцності, яка має важливе значення для сучасної техніки високих напруг.

Керівник гуртка Нікуліца В.Г., UT1YN

                                              Студент 4 курсу ЧНУ Ватрич Д.О. UR5YVD

 Компютерний набір матеріалу виконано студентом 4 курсу ЧНУ Ватрич Д.О.