Діелектрична проникність

Діелектрична проникність (діелектрична стала) середовища ε — безрозмірна величина, що характеризує ізоляційні властивості середовища. Вона показує, у скільки разів взаємодія між зарядами в однорідному середовищі менша ніж у вакуумі.

Фізична природа

Зменшення сили взаємодії між зарядами викликано процесами поляризації середовища. У електричному полі електрони в атомах та молекулах зміщуються відносно йонів, і виникає наведений дипольний момент. Ті молекули, які мають власний дипольний момент (наприклад, молекула води), орієнтуються в електричному полі. Дипольні моменти створюють своє електричне поле, яке протидіє тому полю, що зумовило їх появу. В результаті сумарне електричне поле зменшується. При невеликих полях таке зменшення можна описати за допомогою діелектричної проникності.

Сильні електричні поля можуть сильно змінити процеси, які відбуваються в середовищі. Наприклад, може наступити пробій. У такому випадку поняття діелектричної проникності втрачає сенс.

Статична діелектрична проникність

При розгляді незмінних із часом електричних полів вводять поняття статичної діелектричної проникності. Статична діелектрична проникність встановлює зв'язок між вектором електричної індукції й напруженістю електричного поля . Загалом напрямки цих векторів не збігаються, тож діелектрична проникність є тензорною величиною.

.

Формула записана в системі СГС.

У системі СІ вектор електричної індукції й напруженість електричного поля мають різну розмірність, тому потрібно ще додатково помножити на певний коефіцієнт перетворення до інших одиниць ε₀, який тепер офіційно називають електричною сталою а раніше називали діелектричною проникністю вакууму.

.

Для ізотропних середовищ, у яких немає виділеного напрямку, тензор діелектричної проникності має діагональну форму й характеризується одним характерним для середовища числом, який називають діелектричною сталою середовища. Відповідно, у СІ називають відносною діелектричною проникністю.

Відносна діелектрична проникність ε_r може бути визначена шляхом порівняння електричної ємності тестового електричного конденсатора з певним діелектриком (C_x) і ємності того ж конденсатора у вакуумі (C_o):

Діелектрична функція

Фізична картина, яка лежить в основі відгуку (реакції) середовища на змінне електричне поле, має суттєво інший характер. Зовнішнє електричне поле викликає зміщення зарядів і утворення наведених дипольних моментів, але цей процес відстає від зміни зовнішнього поля. В такому випадку, електричне поле створене наведеними дипольними моментами, залежить від того, яким було зовнішнє електричне поле в попередні моменти часу.

Враховуючи відставання відклику середовища від зміни поля, для поляризації можна записати^[1]

.

В такому випадку можна ввести залежну від частоти зовнішної електромагнітної хвилі діелектричну проникність , яка пов'язує між собою вектори електричної індукції та напруженості електричного поля електромагнітної хвилі з частотою ω.

.

Залежну від частоти діелектричну проникність часто називають діелектричною функцією. Вона зв'язана із залежною від частоти поляризовністю співвідношенням

Наведений зв'язок справедливий тільки для слабких полів, коли нелінійні ефекти не грають великої ролі.

Діелектрична функція є загалом комплексною величиною, тобто має дійсну й уявну сладові. Зазвичай їх позначають та .

Якщо дійсна складова діелектричної проникності аналогічна діелектричній сталій, описуючи зумовлене поляризацією зменшення електричного поля в речовині, то уявна частина описує струми, які виникають в речовині в змінному електричному полі. Діелектрики, які не проводять постійного струму, можуть проводити змінні струми, зв'язані із періодичним зміщенням зв'язаних електронів відносно ядер.

В оптичному діапазоні дійсна складова діелектричної проникності зв'язана з показником заломлення, а уявна частина - із затуханням світла. Уявна частина діелектричної функції завжди додатні для середовища, яке поглинає світло

.

Від'ємні значення уявної складової діелектричної проникності виникають лише для дуже не рівноважних середовищ, у яких можливе підсилення світла (див. лазер).

Загалом принцип причинності накладає певні обмеження на можливі значення дійсної та уявної складових діелектричної проникності, які задаються співвідношеннями Крамерса-Кроніґа.

Низькі частоти

На низьких частотах діелектрична проникність речовин близька до діелектричної сталої. Проте необхідно враховувати той факт, що реальні діелектрики хоча б частково проводять електричний струм. Для речовини з провідністю σ діелектрична проникність на частоті ω дорівнює

,

де c - швидкість світла, - діелектрична стала.

Для провідників другий член великий завдяки великому значенню провідності. Існуванням цього члена пояснюється скін-ефект - часткове проникнення електричного поля в провідник.

Високі частоти

При дуже високих частотах діелектрична проникність поводиться однаково для провідників та діелектриків. Ця поведінка описується формулою

,

де N - загальна кількість електронів у всіх атомах одиниці об'єму середовища, m - маса електрона, e - його заряд.

Звідси видно, що при .

Діелектрична проникність та показник заломлення

Діелектрична функція в оптичному частотному діапазоні зв'язана із показником заломлення світла співвідношенням:

,

де n - показник заломлення, κ - коефіцієнт затухання світла.

У випадку, коли затухання мале (світло розповсюджується в прозорому середовищі),

.

16 електростатичне поле

Постійне електростатичне поле (ЕСП) — це поле нерухомих електричних зарядів, що здійснює взаємодію між ними.

Статичний струм — це сукупність явищ, пов’язаних з виникненням і збереженням вільного електричного заряду на поверхні і в об’ємі діелектричних і напівпровідникових речовин, матеріалів, виробів або на ізольованих провідниках.

Виникнення зарядів статичного струму відбувається при деформації, подрібненні речовин, відносному переміщенні двох тіл, що знаходяться у контакті, шарів рідини і сипучих матеріалів, при інтенсивному перемішуванні, кристалізації, а також внаслідок індукції.

ЕСП характеризується напруженістю (Б). Напруженість ЕСП — це відношення сили, що діє в полі на точковий електричний заряд, до величини цього заряду. Одиницею виміру напруженості ЕСП є вольт на метр (В/м).

ЕСП створюється в енергетичних установках і при електротехнічних процесах. Залежно від джерела утворення вони можуть існувати у вигляді власного електростатичного поля (поля нерухомих зарядів) або стаціонарного електричного поля (електричне поле постійного струму).

Напруженість електростатичного поля нормується стандартом ГОСТ 12.1.045-84 "Електростатичні поля. Допустимі рівні на робочих місцях і вимоги до проведення контролю".

Наведений стандарт поширюється на ЕСП, що виникають при експлуатації електричного устаткування високого напруження постійного струму і електризації діелектричних матеріалів. Цей стандарт встановлює допустимі рівні напруженості електростатичних полів на робочих місцях, а також загальні вимоги до проведення контролю і засобів захисту.Допустимі рівні напруженості ЕСП встановлюються залежно від часу перебування на робочих місцях.

Гранично допустимий рівень напруженості ЕСП (Е,ра„) приймається відповідно до стандарту 60 кВ/м протягом однієї години.

Якщо напруженість електростатичних полів до 20 кВ/м, час перебування в ЕСП не регламентується.

В діапазоні напруженості від 20 до 60 кВ/м, допустимий час перебування працюючих в ЕСП без засобів захисту (/ , год) визначається за формулою:

де Е^— фактичне значення напруженості ЕСП, кВ/м.Для визначення напруженості ЕСП використовують вимірювач напруженості електростатичного поля.

Поиск по сайту: