Измерение диэлектрической проницаемости твердых материалов, страница 2

Ситуация изменяется, если между пластинами поместить изолирующий материал (диэлектрик). При рассмотрении электрического поля в среде различают два типа электрических зарядов: свободные и связанные. Свободными зарядами являются заряды, способные перемещаться под действием электрического поля на макроскопические расстояния, положительные заряды атомных остатков в металлах, избыточные заряды, сообщённые телу и нарушающие его электрическую нейтральность. Связанными зарядами называются заряды, которые входят в состав атомов, молекул, ионов в кристаллических диэлектриках с ионной решёткой и могут под действием электрического поля лишь незначительно смещаться из своих положений равновесия.

В диэлектриках нет свободных зарядов, как в металлах, но положительные ядра и отрицательные электроны атомов в электрическом поле смещаются, выстраиваясь вдоль силовых линий поля. Прежде неполярные молекулы, ведут себя таким образом, как временно стационарные диполи. Как видно из рис. 3, внутри диэлектрика соседние диполи компенсируют заряды друг друга.

Рис. 3. Образование нескомпенсированных зарядов в диэлектрике вследствие поляризации молекул в электрическом поле плоского конденсатора.

Однако, на поверхностях со стороны пластин нет компенсирующих диполей, что и проводит к появлению дополнительного, нескомпенсированного заряда. Нескомпенсированные заряды, в свою очередь, ослабляют электрическое поле в диэлектрике, которое создается реальными зарядами Q, находящимися на обкладках конденсатора. Ослабление электрического поля в пределах диэлектрика количественно выражается безразмерной физической величиной – относительной диэлектрической проницаемостью  ( = 1 в вакууме)  , тогда:

,                                                                     (7)

где   – напряжённость электрического поля, создаваемого только реальными зарядами Q. Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от температуры, а полярных – уменьшается с ростом температуры. Диэлектрическая проницаемость у обычных диэлектриков порядка единиц, в то время как у сегнетоэлектриков достигает нескольких тысяч, при этом, зависимость поляризованности от вектора напряжённости сегнетоэлектриков не является линейной, следовательно диэлектрическая проницаемость зависит от напряжённости поля. (Сегнетоэлектриками называется группа кристаллических диэлектриков, обладающих в определённом интервале температур самопроизвольной или спонтанной поляризацией, которая изменяется под влиянием внешних воздействий – электрического поля, деформации, изменения температуры).

Напряжённость электрического поля создаваемого нескомпенсированными зарядами , противоположно направлена внешнему полю и определяется:

.                                                            (8)

Макроскопически можно пренебречь зарядами в пределах объема диэлектрика, поэтому только нескомпенсированные поверхностные заряды (±) создают поле противоположного направления:

,                                                     (9)

где  – полный дипольный момент поверхностных зарядов. В общем случае для неоднородного диэлектрика уравнение (9) принимает вид:

,                                                            (10)

где  – полный дипольный момент единицы объема диэлектрика , называемый диэлектрической поляризованностью (поляризуемостью). Вектор поляризованности  служит количественной мерой поляризации диэлектрика и определяется отношением электрического дипольного момента малого объёма диэлектрика к этому объёму.

Чтобы учесть влияние нескомпенсированных зарядов диэлектрика, в общем случае уравнение Гаусса (1) дополняют диэлектрической проницаемостью  диэлектрика, который заполняет соответствующий объем: