Warto przeczytać

Co to jest dielektryk? Dielektryk to materiał, którego opór właściwyOpór właściwyopór właściwy $\rho$ jest większy niż 10Indeks górny 7⁷$\text{ }$Ωomegam. Im wyższa wartość tego oporu, tym gorzej dany materiał przewodzi prąd. Dobre przewodniki mają wartość oporu właściwego rzędu 10Indeks górny -7^-7$\text{ }$Ωomegam.

Aby zrozumieć, w jaki sposób dielektryk zachowuje się w polu elektrycznym, należy wiedzieć, jak jest on zbudowany.

Istnieją dwa typy budowy dielektryka (patrz Rys. 1.):

1. Cząsteczki dielektryka są dipolami (dipol to układ dwóch jednakowych różnoimiennych ładunków rozsuniętych na pewną odległość), czyli mają niezerowy moment dipolowy. Takie dielektryki nazywamy polarnymi.

2. Cząsteczki mają zerowy moment dipolowy, jednak w zewnętrznym polu zostają „rozciągnięte” siłami pola i tracą symetrię. W obecności zewnętrznego pola cząsteczki stają się dipolami. Takie dielektryki nazywamy niepolarnymi.

R1VGEvJZbfspx

Rys. 1. Z lewej strony jest pokazany model dielektryka polarnego. Cząsteczki dielektryka przedstawione są jako pałeczki, które z jednej strony mają znak plus, a z drugiej znak minus. Pałeczki ułożone są bezładnie, w różnych kierunkach. Z prawej strony jest pokazany model dielektryka niepolarnego. Każda cząsteczka dielektryka przedstawiona jest jako 2 współśrodkowe kółka o różnym promieniu. Cząsteczki dielektryka niepolarnego są uporządkowane.

Po umieszczeniu dielektryka w polu elektrycznym cząsteczki dielektryka, zarówno polarnego jak i niepolarnego, będą zachowywać się jak dipole.

Wielkością charakteryzująca dipole jest moment dipolowy $\overrightarrow{p}$, zdefiniowany jako iloczyn wartości ładunku q oraz wektora $\overrightarrow{l}$ mającego wartość równą odległości między ładunkami, kierunek prostej łączącej ładunki i zwrot od ładunku ujemnego do dodatniego:

Na Rys. 2. przedstawiony jest wektor momentu dipolowego, zgodny w powyższą definicją.

Na dipol umieszczony w zewnętrznym polu elektrycznym o natężeniu $\overrightarrow{E}$ działa moment siły $\overrightarrow{M}$, równy iloczynowi wektorowemu wektora momentu dipolowego oraz wektora natężenia pola:

W wyniku działania tego momentu siły dipol obraca się, ustawiając się wzdłuż linii pola tak, jak pokazano na Rys. 1.

R1Jta8l8lZHGT

Rys. 2. Rysunek przedstawia linie sił jednorodnego pola elektrycznego. Są to poziome, równoległe linie zakończone z prawej strony strzałkami. Wektor natężenia pola elektrycznego oznaczony jest literą duże E. Na tle linii sił pola narysowany jest dipol elektryczny, czyli dwa kółeczka symbolizujące punktowy ładunek dodatni i punktowy ładunek ujemny. Wektor l (el), o początku w ładunku ujemnym, a końcu w ładunku dodatnim, skierowany jest ukośnie w górę i w prawo. Do ładunku dodatniego, który znajduje się wyżej, przyłożony jest wektor siły wywieranej przez pole elektryczne skierowany w prawo. Wektor ten oznaczony jest literą duże F z indeksem dolnym plus. Do ładunku ujemnego, który znajduje się niżej, przyłożony jest wektor siły wywieranej przez pole elektryczne skierowany w lewo. Wektor ten oznaczony jest literą duże F z indeksem dolnym minus.

W przypadku dielektryków polarnych, umieszczenie ich w zewnętrznym polu elektrycznym powoduje uporządkowanie dipoli. Ustawiają się one tak, że wytworzone przez nie wewnętrzne pole elektryczne skierowane jest przeciwnie do pola zewnętrznego.

RsGakbukylNUE

Rys. 3. Z lewej strony pokazane są symbolicznie cząsteczki dielektryka polarnego. Cząsteczki przedstawione są jako pałeczki, które z jednej strony mają znak plus, a z drugiej znak minus. Pałeczki ułożone są bezładnie, w różnych kierunkach. Obok nich zapisano równanie: wektor duże E równa się zero. Z prawej strony pokazane są cząsteczki dielektryka polarnego umieszczonego między okładkami naładowanego kondensatora płaskiego. Na lewej okładce kondensatora są znaki minus, na prawej okładce znaki plus. Pałeczki przedstawiające cząsteczki dielektryka ułożone są poziomo tak, że znak plus jest z lewej strony, a znak minus z prawej strony. Narysowany jest wektor natężenia pola zewnętrznego skierowany od okładki dodatniej do ujemnej i oznaczony literą duże E z indeksem dolnym 0. Wektor natężenia pola indukowanego w dielektryku ma przeciwny zwrot i mniejszą wartość niż wektor pola zewnętrznego i oznaczony jest literą duże E z indeksem dolnym ind.

W przypadku dielektryków, których cząsteczki nie stanowią dipoli, umieszczenie ich w zewnętrznym polu elektrycznym, powoduje wyindukowane elektrycznych momentów dipolowych. Dipole te układają się podobnie jak w dielektrykach polarnych znajdujących się w zewnętrznym polu elektrycznym.

Uporządkowanie ładunków w obecności zewnętrznego pola elektrycznego następuje w taki sposób, że wewnętrzne pole elektryczne, pochodzące od uporządkowanych dipoli, skierowane jest przeciwnie do pola zewnętrznego. Wartość wektora natężenia wypadkowego pola elektrycznego wewnątrz dielektryka jest różnicą wartości wektorów natężeń pola zewnętrznego ${\overrightarrow{E}}_0$ i wewnętrznego ${\overrightarrow{E}}_{wew}$:

Widzimy zatem, że natężenie pola wypadkowego w dielektryku ma mniejszą wartość niż natężenie pola zewnętrznego:

Stosunek wartości wektorów natężeń pola ${\overrightarrow{E}}_0$ do $\overrightarrow{E}$ informuje nas, ile razy natężenie pola całkowitego w dielektryku zmniejszyło się, w porównaniu z natężeniem pola zewnętrznego (czyli takiego, jakie panowałoby w próżni). Wielkość ta nazywa się względną przenikalnością elektryczną dielektryka, jest cechą materiału i wyraża się wzorem:

Jeżeli między okładkami kondensatora umieścimy dielektryk, pole elektryczne wewnątrz będzie zleżało nie tylko od pola „zewnętrznego” (wynikającego z wartości ładunku zgromadzonego na okładkach), ale także od wartości $\varepsilon_r$ dla dielektryka. Zmniejszenie natężenia tego pola pozwala na zgromadzenie większego ładunku, niż dla kondensatora próżniowego, czyli na zwiększenie pojemności kondensatora.

Wartości względnej przenikalności elektrycznej dla wybranych dielektryków podano w tabeli poniżej:

Słowniczek