Диэлектрики в электрическом поле

Определение

Диэлектрики (изоляторы) — это вещества, которые очень плохо проводят или совсем не проводят электрический ток, но под действием внешнего электрического поля в них происходит смещение зарядов (поляризация), что приводит к ослаблению этого поля внутри диэлектрика.

Как диэлектрики реагируют на поле

В диэлектриках, в отличие от проводников, нет свободных электронов, которые могли бы перемещаться по всему объему. Все электроны прочно связаны с атомами или молекулами. Когда диэлектрик помещают во внешнее электрическое поле, эти связанные заряды смещаются: положительные частицы (ядра) сдвигаются по направлению поля, а отрицательные (электроны) — против поля. Это смещение называется поляризацией. В результате на поверхностях диэлектрика появляются связанные заряды, которые создают собственное электрическое поле, направленное навстречу внешнему. Это ослабляет общее поле внутри диэлектрика.

Два типа поляризации

Поляризация диэлектриков может быть двух основных типов. Если диэлектрик состоит из молекул, у которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают (неполярные молекулы, например, водород, кислород), то во внешнем поле эти молекулы «растягиваются», и центры зарядов смещаются друг относительно друга. Это называется электронной поляризацией. Если же молекулы изначально полярные (например, вода), то есть имеют постоянный электрический дипольный момент, то во внешнем поле они просто поворачиваются, ориентируясь своими полюсами вдоль направления поля. Это называется ориентационной поляризацией.

Почему ослабевает поле

После того как диэлектрик поляризовался, на его гранях, перпендикулярных внешнему электрическому полю, возникают избыточные связанные заряды. На одной грани накапливаются положительные связанные заряды, на другой — отрицательные. Эти связанные заряды сами создают электрическое поле внутри диэлектрика, которое направлено противоположно внешнему полю. Суммарное (результирующее) электрическое поле внутри диэлектрика становится слабее, чем было бы без диэлектрика. Во сколько раз ослабевает поле, показывает диэлектрическая проницаемость материала.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость (обозначается греческой буквой эпсилон, ε) — это безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз электрическое поле внутри однородного диэлектрика меньше внешнего электрического поля. Для вакуума ε = 1, для воздуха ε ≈ 1. Чем больше ε, тем сильнее диэлектрик ослабляет электрическое поле. Например, для воды ε ≈ 81, что означает, что электрическое поле в воде в 81 раз слабее, чем в вакууме. Эта характеристика важна для расчёта ёмкости конденсаторов и свойств изоляторов.

Разбор задач

Задача 1

Конденсатор имеет ёмкость 2 мкФ. Между его пластинами находится воздух. Какова будет ёмкость этого конденсатора, если пространство между пластинами полностью заполнить слюдой, диэлектрическая проницаемость которой равна 6?

1. Запишем формулу для ёмкости плоского конденсатора: C = (ε·ε₀·S) / d, где ε₀ – электрическая постоянная, S – площадь пластин, d – расстояние между ними. 2. В случае с воздухом (для которого ε ≈ 1) ёмкость С₁ = (1·ε₀·S) / d = 2 мкФ. 3. В случае со слюдой ёмкость С₂ = (ε_слюды·ε₀·S) / d. 4. Выразим отношение ёмкостей: С₂ / С₁ = ε_слюды / 1 = ε_слюды. 5. Отсюда С₂ = С₁ · ε_слюды. 6. Подставим значения: С₂ = 2 мкФ · 6 = 12 мкФ.

Ответ: Ёмкость конденсатора станет 12 мкФ.

Где это встречается

• Конденсаторы — Между обкладками конденсатора помещают диэлектрик (например, керамику, бумагу, слюду), чтобы увеличить его ёмкость и предотвратить пробой.
• Электрическая изоляция — Материалы вроде резины, пластика, стекла используются для покрытия электрических проводов и деталей, чтобы предотвратить утечку тока и короткие замыкания.
• Трансформаторы и двигатели — Специальные диэлектрические масла и компаунды используются для изоляции обмоток и отвода тепла, что важно для их безопасной и эффективной работы.
• Печатные платы — Основа печатных плат изготавливается из диэлектрических материалов (например, стеклотекстолита), которые предотвращают замыкания между токопроводящими дорожками.

Типичные ошибки

Не путать

• Проводники — Проводники имеют свободные заряды (электроны), которые легко перемещаются под действием электрического поля, создавая ток. В диэлектриках заряды связаны и могут лишь немного смещаться, что вызывает поляризацию, но не ток.
• Полупроводники — Полупроводники занимают промежуточное положение. При низких температурах они ведут себя как диэлектрики, а при повышении температуры или добавлении примесей начинают проводить ток, подобно проводникам. Их проводимость можно управлять.
• Магнетики (в магнитном поле) — Диэлектрики реагируют на электрическое поле. Магнетики (диа-, пара-, ферромагнетики) реагируют на магнитное поле, изменяя его индукцию. Это разные физические явления и разные виды полей.

Откуда взялось понятие

Понятие диэлектрика и его поляризации было развито благодаря работам Майкла Фарадея в 19 веке при изучении электрических явлений и конденсаторов.

Как запомнить

Диэлектрик — это материал, который ток 'не пропускает', но поле 'чувствует'.