Кіріспе

Диэлектрлік материалдың электрлік поляризациялануының өлшемі – электрлік тұрақты.

Электромагнетизмде абсолюттік диэлектрлік өтімділік, көбінесе диэлектрлік өтімділік деп аталады және грек әрпі ε (эпсилон) арқылы белгіленеді, диэлектрлік материалдың электрлік поляризациялануының өлшемі болып табылады. Жоғары диэлектрлік өтімділікке ие материал, төмен диэлектрлік өтімділікке ие материалға қарағанда, қолданылатын электр өрісіне жауап ретінде көбірек поляризацияланады, осылайша материалда көбірек энергия сақталады. Электростатикада диэлектрлік өтімділік конденсатордың сыйымдылығын анықтауда маңызды рөл атқарады. Ең қарапайым жағдайда, қолданылатын электр өрісінен туындайтын электрлік орын ауыстыру өрісі 'D' келесідей болады:

Жалпы алғанда, диэлектрлік өтімділік – термодинамикалық күйдің функциясы. Ол қолданылатын өрістің жиілігіне, шамасына және бағытына байланысты болуы мүмкін. Диэлектрлік өтімділіктің СИ бірлігі – метрге фард (F/m). Диэлектрлік өтімділік көбінесе салыстырмалы диэлектрлік өтімділік ε арқылы көрсетіледі, ол абсолюттік диэлектрлік өтімділік ε мен вакуумдық диэлектрлік өтімділік ε арақатынасы болып табылады.

Бұл өлшемсіз шама жиі және екіұшты түрде диэлектрлік өтімділік деп аталады. Абсолюттік және салыстырмалы диэлектрлік өтімділікке қатысты тағы бір жиі қолданылатын термин – диэлектрлік тұрақты, ол физика, инженерлік және химия салаларында қолданудан шығарылды. Анықтама бойынша, таза вакуумның салыстырмалы диэлектрлік өтімділігі дәл 1-ге тең, ал стандартты температура мен қысымда ауаның салыстырмалы диэлектрлік өтімділігі

Салыстырмалы диэлектрлік өтімділік электрлік сезімталдықпен (χ) тікелей байланысты:

әйтпесе, келесідей жазылуы мүмкін:

"Диэлектрлік өтімділік" термині 1880 жылдары Оливер Хевисайд Томсонның (1872) "өткізгіштік" терминін толықтыру үшін енгізді. Бұрын p деп белгіленген, ε белгісі 1950 жылдан бері кеңінен қолданылады.

Бірліктер

СИ жүйесінде диэлектрлік тұрақтылықтың бірлігі – метрге фард (F/м немесе F·м−1) болып табылады.

Түсіндірме

Электромагнетизмде "D" электрлік орын ауыстыру өрісі "E" электр өрісінің болуынан туындаған белгілі бір ортадағы электр зарядтарының таралуын көрсетеді. Бұл таралымға зарядтың қозғалысы және электр диполінің қайта бағдарлануы кіреді. Оның электр өрісінің өзгеруіне "бірден" жауап беретін сызықты, біртекті, изотроптық материалдардың ең қарапайым жағдайындағы диэлектрлік өтімділікке қатысы:

мұнда диэлектрлік өтімділік ε скаляр болып табылады. Егер орта анизотроптық болса, диэлектрлік өтімділік екінші ретті тензор болады. Жалпы алғанда, диэлектрлік өтімділік тұрақты емес, себебі ол ортадағы орналасуына, қолданылатын өрістің жиілігіне, ылғалдылыққа, температураға және басқа да параметрлерге байланысты өзгеруі мүмкін. Сызықтық емес ортада диэлектрлік өтімділік электр өрісінің күшіне байланысты болуы мүмкін. Диэлектрлік өтімділік жиіліктің функциясы ретінде нақты немесе кешенді мәндерді қабылдауы мүмкін. СИ жүйесінде диэлектрлік өтімділік метрге фардамен өлшенеді (F/m немесе A2·s4·kg−1·m−3). "D" орын ауыстыру өрісі бірліктерімен өлшенеді: бір шаршы метрге кулон (C/m2), ал электр өрісі "E" бірліктерімен өлшенеді: бір метрге вольт (V/m). "D" және "E" зарядталған денелер арасындағы өзара әрекеттесуді сипаттайды. "D" осы өзара әрекеттесуге байланысты заряд тығыздықтарымен байланысты, ал "E" күштермен және потенциалдар айырмашылығымен байланысты.

Сыйымдылықты анықтау

Конденсатордың сыйымдылығы оның құрылымы мен архитектурасына негізделеді, яғни зарядтау және разрядтау кезінде өзгермейді. Параллель пластиналы конденсатордың сыйымдылық формуласы былай жазылады:

мұндағы – бір пластинаның ауданы, – пластиналар арасындағы қашықтық, ал – екі пластина арасындағы ортаның диэлектрлік тұрақтылығы. Егер конденсатордың салыстырмалы диэлектрлік тұрақтылығы болса, онда былай айтуға болады:

Материалдарды жіктеу

Материалдарды олардың күрделі өткізгіштігі ε бойынша жіктеуге болады, оның нақты ε′ және жорамал ε″ компоненттерін салыстыру арқылы (немесе, эквивалентті түрде, өткізгіштік σ ескерілген жағдайда). Кемел өткізгіштің шексіз өткізгіштігі бар, ал кемел диэлектрик – өткізгіштігі жоқ материал; соңғы жағдайда, нақты мәнді өткізгіштік (немесе жорамал бөлігі нөлге тең күрделі өткізгіштік) жоғалмайтын орта деп аталады. Әдетте, біз материалды төмен шығынды диэлектрик деп қарастырамыз (толығымен жоғалмайтын болмаса да), ал жақсы өткізгішпен байланыстырамыз; елеулі өткізгіштігі бар мұндай материалдар электромагниттік толқындардың таралуын қиындататын көп мөлшерде шығынға әкеледі, сондықтан олар да шығынды орталар деп аталады. Екі шекке де жатпайтын материалдар жалпы орталар болып саналады.

Кванттық механикалық түсіндіру

Кванттық механика тұрғысынан алғанда, диэлектрлік өтімділік атомдық және молекулалық өзара әрекеттесулермен түсіндіріледі. Төмен жиіліктерде полярлы диэлектриктердегі молекулалар қолданылатын электр өрісімен поляризацияланады, бұл периодтық айналуға себеп болады. Мысалы, микротолқын жиілігінде микротолқын өрісі су молекулаларының сутекті байланыстарды бұзуға жеткілікті периодтық айналуын қоздырады. Бұл өріс байланыстарға қарсы жұмыс жасайды және энергия материалға жылу түрінде сіңіріледі. Сондықтан микротолқынды пештер суы бар материалдар үшін өте тиімді жұмыс істейді. Судың жолғары компонентінің (сіңіру индексі) екі максимумы бар, біреуі микротолқын жиілігінде, екіншісі алыс ультракүлгін (УК) жиілігінде. Бұл екі резонанс та микротолқынды пештердің жұмыс жиілігінен жоғары жиіліктерде орналасқан. Орташа жиіліктерде энергия айналуды тудыру үшін тым жоғары, бірақ электрондарға тікелей әсер ету үшін тым төмен, және резонанстық молекулалық дірілдер түрінде сіңіріледі. Суда осы кезде сіңіру индексі күрт төмендеуі басталады, ал жолғары өтімділіктің минимум нүктесі көк жарықтың жиілігінде (оптикалық режимде) орналасқан. Жоғары жиіліктерде (мысалы, УК және одан жоғары) молекулалар босаңсуға үлкермейді, ал энергия таза түрде атомдармен сіңіріледі, электрондық энергия деңгейлерін қоздырады. Осылайша, бұл жиіліктер иондаушы сәулелену ретінде жіктеледі. Толық ab initio (яғни, бірінші принциптерге негізделген) модельдеуді жүргізу қазір есептеу мүмкіндіктерінің арқасында қолдануға болады, бірақ ол әлі кеңінен қолданылмаған. Сондықтан, феноменологиялық модель эксперименттік мінез-құлықты бейнелеудің жеткілікті әдісі ретінде қабылданады. Дебье моделі және Лоренц моделі бірінші және екінші реттік (сәйкесінше) жиынтық жүйе параметрлерінің сызықтық бейнелеуін қолданады (мысалы, RC және LRC резонанстық тізбегі).