Диэлектрики – тела, плохо проводящие ток. В диэлектриках в отличие от проводников практически нет свободных зарядов, способных перемещаться на значительные расстояния по всему объему тела. Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул (к такому типу диэлектриков относят все газовые диэлектрики, жидкие диэлектрики, а также часть твердых), либо из ионов, размещенных в узлах кристаллической решетки в определенных положениях равновесия. Ионные решетки могут быть разбиты на элементарные ячейки, каждая из которых содержит равное количество положительных и отрицательных зарядов и в целом нейтральна. Таким образом, в целом можно определить диэлектрик как вещество, построенное из нейтральных молекул, причем в случае ионной решетки под нейтральной молекулой следует понимать элементарную ячейку.

Под воздействием внешнего электрического поля заряды, входящие в состав диэлектрика не срываются полем со своих мест, образуя электрический ток, а лишь смещаются на незначительные расстояния в некоторые новые равновесные положения. Поскольку равнодействующая электрических сил однородного электрического поля на нейтральную молекулу равна нулю, центр тяжести молекулы в этом поле остается неподвижным. Но в молекуле диэлектрика существуют частицы противоположных знаков, на них по отдельности действует электрическое поле, и они смещаются в противоположные стороны, вследствие этого молекула деформируется.

Допустим, диэлектрик состоит из электрически нейтральных молекул. В присутствии внешнего электрического поля центры тяжести электронов смещаются из положений равновесия относительно центра тяжести атомных ядер. Молекулы становятся электрическими диполями, ориентированными по направлению приложенного электрического поля, т.е. диэлектрик становится поляризован. Под поляризацией понимается состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент. Поляризованностью диэлектрика называют электрический момент системы в единице объема, причем сумма берется по всем зарядам: электронам и атомным ядрам, находящимся в данном объеме V. Поляризованность является количественной характеристикой диэлектрика. Если диэлектрик состоит из множества нейтральных молекул, просуммировать следует сначала заряды, входящие в отдельные молекулы, что даст электрические моменты отдельных молекул p_i, далее следует просуммировать полученные моменты по всем этим молекулам, таким образом поляризованность определяется векторной суммой электрических моментов молекул, находящихся в объеме диэлектрика:

В случае ионного кристаллического диэлектрика эта формула применима с незначительной поправкой: под моментами отдельных молекул здесь следует понимать элементарные ячейки этой кристаллической решетки. Хотя разбиение кристалла на эти ячейки и неоднозначно, результат имеет вполне определенное значение.

В отсутствие внешних полей поляризация P диэлектрика равна нулю, так как электрические моменты отдельных молекул в этом случае расположены беспорядочно и в сумме дают ноль. При наличии же электрического поля, как было доказано опытами, поляризация прямопропорциональна напряженности E прилагаемого поля:

где коэффициент α носит название поляризуемости диэлектрика и характеризует свойства данного вещества.

В зависимости от строения молекул (атомов) диэлектрика различается три типа поляризации:

– ориентационная поляризация в полярных диэлектриках. Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты жестких диполей вдоль направления электрического поля. Замедленный вид поляризации.

– электронная (деформационная) поляризация в неполярных диэлектриках. Под действием внешнего электрического поля в молекулах диэлектриков этого типа наводятся индуцированные дипольные моменты, направленные вдоль поля. Быстрый вид поляризации.

– ионная поляризация в твердых диэлектриках, имеющих ионные кристаллические решетки. Например, NaCl, CsCl и др. Внешнее электрическое поле вызывает смещения всех положительных ионов в направлении напряженности E, а всех отрицательных ионов – в противоположную сторону. Быстрый вид поляризации.

Ионная поляризация характерна для твёрдых тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов на расстояния, меньше периода решётки. Например, рассматривая решётку каменной соли можно предположить смещение ионов натрия из узлов кристаллической решетки по направлению электрического поля и ионов хлора – против направления поля.

Смещению ионов под действием поля препятствуют упругие силы химической связи. В состоянии равновесия qE=k_упр∆x, где k_упр– коэффициент упругой связи, ∆x – смещение ионов, обусловленное внешним электрическим полем. Смещение двух разноимённых заряженных ионов приводит к появлению элементарного электрического момента Р_и=q∆x=q2E/ k_упр. Сумма всех таких элементарных моментов, приходящихся на единицу объёма, определяет ионный вклад в поляризованность диэлектрика.

С повышением температуры расстояния между ионами вследствие теплового расширения материала увеличиваются. В большинстве случаев это сопровождается ослаблением сил упругой связи и возрастанием поляризованности диэлектрика. Время установления ионной поляризации – порядка 10^-13с.

 

Диэлектрики находят широкое применение в радио, вычислительной технике, электронике, космоновтике. Простейшим и хорошо известным изобретением, основанным на диэлектрике, является конденсатор - устройство для накопления заряда.

Разумеется, очень широко ионные диэлектрики применяются в области прямого своего назначения - изоляции проводников.

Ионные диэлектрики используются во многих исследовательских задач, практически во всех областях физики. При этом в последнее время, с развитием представлений и теорий о нелинейных свойствах вещества, растет применение диэлектриков в области возбуждения атомов вещества сверхсильными полями и изучения, протекающих при этом, процессов. В частности, в связи с ростом сферы практического применения таких эффектов как эффекты Поккельса, Керра, генерация гармоник оптического излучения, параметрическая генерация, огромные перспективы имеют кристаллы с нелинейной поляризуемостью.

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда. Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с тефлоновым (фторопластовым) диэлектриком. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием химических реакций между электролитом и обкладками.

Конденсатор - двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля (рис.1). Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Создан был в 1745г., когда в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук создали «лейденскую банку».

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой , где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами.