Warto przeczytać

Co to jest dielektryk? Dielektryk to materiał, którego opór właściwyOpór właściwyopór właściwy jest większy niż 10Indeks górny 7omegam. Im wyższa wartość tego oporu, tym gorzej dany materiał przewodzi prąd. Dobre przewodniki mają wartość oporu właściwego rzędu 10Indeks górny -7omegam.

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. Dwa typy budowy wewnętrznej dielektryków: polarny i niepolarny.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

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

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

p=ql

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

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

M=p × E

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

R1Jta8l8lZHGT
Rys. 2. Wyjaśnienie skutku działania momentu siły na dipol umieszczony w polu elektrycznym, czyli obrotu dipola tak, by wektor jego momentu dipolowego pokrył się z liniami pola zewnętrznego.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

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. Wskutek oddziaływań dipoli z zewnętrznym polem elektrycznym ustawiają się one tak, jak na rysunku. Indukowane pole wytworzone przez dipole ma kierunek przeciwny do pola zewnętrznego.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

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 E0 i wewnętrznego Ewew:

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

Stosunek wartości wektorów natężeń pola E0 do 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 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:

Material

Względna przenikalność elektryczna

Papier

3,5

Szkło

4,5

Diament

5,5‑10

Sól

3–15

Woda

88   ( w   0 ° C )     34 , 5   ( w   200 ° C )

Słowniczek

Opór właściwy
Opór właściwy

(ang.: electrical resistivity) (rezystywność) – wielkość charakteryzująca właściwości elektryczne materiału; opór elektryczny jednorodnego przewodnika o przekroju poprzecznym równym 1 mIndeks górny 2 długości równej 1 m, oznaczamy symbolem (mała grecka litera ro).  Zależność między oporem właściwym a oporem elektrycznym  przewodnika wykonanego z drutu wyraża się wzorem:

ρ=RSl