Диэлектрическая проницаемость
Диэлектрическая проницаемость – это коэффициент, который входит в математическую запись закона Кулона для силы взаимодействия точечных зарядов, находящихся в однородной диэлектрической среде на определенном расстоянии друг от друга.
Математический закон Кулона выглядит следующим образом.
$F = (1/(4*π*Е_а))*((|q_1q_2|) / r^2))$
где, $π = 3,14; q_1, q_2$ - точечные заряды; r - расстояние между точечными зарядами; $Е_а$ - абсолютная диэлектрическая проницаемость.
Существуют два вида диэлектрической проницаемости:
- Абсолютная диэлектрическая проницаемость.
- Относительная диэлектрическая проницаемость.
Абсолютная и диэлектрическая проницаемости связаны между собой следующим образом:
$E_a = E_0*E_r$
где: $Е_r$ - относительная диэлектрическая проницаемость; $Е_0$ - электрическая постоянная.
Величина относительной диэлектрической проницаемости безразмерна, а абсолютная по величине совпадает с величиной электрической постоянной, согласно международной системе измерения - фарад на метр. Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в определенной среде меньше, чем в вакууме, для которого она равняется единице. Данное отличие обусловлено таким эффектом, как поляризация диэлектрика под воздействием внешнего электрического поля, в результате чего возникает внутреннее противоположно направленное поле. В области низких частот значение относительной диэлектрической проницаемости в реальной среде больше единицы и находится в диапазоне от 1 до 100, но для может составлять десятки и даже сотни тысяч. Как функция частоты электрического поля величина относительной диэлектрической проницаемости немного возрастает на участке вне полос или линий поглощения электромагнитного излучения рассматриваемым материалом, но вблизи данных полос или линий резко спадает, в благодаря чему высокочастотная диэлектрическая проницаемость меньше, чем статическая. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой электромагнитный параметры среды, который влияет на распределение составляющих вектора напряженности электромагнитного поля в пространстве и описывающего рассматриваемую среду в уравнениях Максвелла или в материальных уравнениях электродинамики.
Поляризация диэлектриков – это явление, которое связано с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, как правило, из-за воздействия внешнего электрического поля.
Сегнетоэлектрик или ферроэлектрик – это материал, который обладает спонтанной поляризацией, у которой можно изменить ориентацию при помощи электрического поля.
Диэлектрическая проницаемость металлов
В настоящее время для всех металлов получены значения диэлектрической проницаемости и у всех она существенно больше единицы. Но данные диэлектрические проницаемости имеют отношение только к внутренним процессам движения электронов и никак не характеризуют поведение толстого образца кристалла по отношению к внешнему электрическому полю. В металлах из-за перераспределения концентрации свободных электронов поляризация настолько сильна, что полностью препятствует прохождению сквозь металл частиц электрического поля, которые отражаются от металлических пластин. Фотоны металлы способны поглощать и отражать только частично - только тонкие металлические пленки не препятствуют прохождению через себя отдельных фотонов. Особенная ценность данных свойств представляется для объяснения термоэлектрических процессов, например, явления Зеебека. Данное явление заключается в следующем. В месте, где контактируют два разнородных проводника, появляется электродвижущая сила, что объясняется разной концентрацией носителей зарядов обоих проводников при температуре места их контакта, таким образом создается контактная разность потенциалов, значение которой может составлять от нуля до десятков милливольт. Контактная разность потенциалов была открыта в 1795 году Александром Вольтом. Им было установлено, что по знаку разности потенциалов все известные проводники можно расположить в определенном порядке (в ряд Вольта).
В большинстве случаев проводниками выступают металлы, потому что в их структуре всегда присутствуют свободные электроны, которые могут свободно перемещаться внутри всего объема и при этом одновременно являются участниками тепловых процессов. Когда металл изолирован от действия внешних электрических полей, в нем создается баланс отрицательных и положительных зарядов из свободных электронов и ионных решеток. Такое равновесие нарушается сразу при его внесении в электрическое поле, начинается перераспределение заряженных частиц, сопровождающееся возникновением несбалансированных зарядов отрицательных и положительных величин. Данное явление носит название электростатической индукции, а заряды, возникшие при ней на поверхности металла, - индукционные заряды. Данными зарядами формируется собственное электрическое поле, которое компенсирует действие внешнего внутри металла. Таким образом значение суммарного электростатического поля равно нулю, а потенциалы всех точек внутри и снаружи одинаковы. Получается, что внутри металла-проводника, даже в случае подключенного внешнего поля, нет электростатических полей и отсутствует разность потенциалов.
