Поле конденсатора

Повернемося до питання про ослаблення електричного поля діелектриком. Помістимо наш конденсатор в акваріум, зарядимо його і відключимо від генератора. Потім в акваріум наллємо діелектрик – дистильовану воду. Якщо зараз виміряти напругу U1 на обкладинках конденсатора, ми побачимо, що воно зменшилося майже в 90 разів! З (8.5) випливає, що для сухого конденсатора U = E d (35.1). Тоді для конденсатора з діелектриком можна написати U1 = U / ε, або E1 = E / ε (35.2), де ε – коефіцієнт ослаблення поля. Величину ε прийнято називати діелектричної проникністю, хоча вона характеризує не проникність, а ослаблення поля діелектриком. (Справедливості заради зазначимо, що замість поняття опору в теорії електрики часто використовують поняття провідності, яке має протилежний зміст). Для кожного діелектрика ε має своє значення. Для ряду речовин значення ε виміряні і зведені в таблицю.
Виникає питання: як цей ефект можна використовувати в техніці? Підключимо знову конденсатор в акваріумі до генератора. Так як напруга U1 менше е.р.с. генератора в ε раз, струм зарядки поновиться. Заряджання конденсатора продовжиться до того, коли напруга U1 стане рівним е.р.с. генератора. При цьому заряд збільшиться в ε раз. Це означає, що ємність С1 конденсатора з діелектриком збільшилася в ε раз щодо ємності C сухого конденсатора. Таким чином, застосування діелектриків дозволяє виготовляти конденсатори невеликих розмірів, але з великою ємністю.
Спробуємо пояснити це явище. З хімії відомо, що молекули води частково розпадаються на протони H + і іони гідроксилу OH-. Протони прагнуть до негативної обкладанні, частки гідроксилу – до позитивної. Обліпивши негативну обкладку, протони частково нейтралізують її полі, знижуючи потенціал φ. Іони гідроксилу обліплюють позитивну обкладку і теж знижують її потенціал. Крім того, молекула H2O має своє поле, так як вона сферически несиметрична. Такі молекули називаються полярними. В цілому нейтральні, молекули Н2О розгортаються уздовж поля конденсатора. Так в обсязі діелектрика виникає комбіноване зустрічне поле, яке істотно нейтралізує поле конденсатора. Можна сказати, електроенергія додатково запасається в діелектрику у формі енергії внутрішніх полів, що істотно збільшує ємність конденсатора.
Можна припустити, що діелектрична проникність діелектриків повинна залежати від щільності речовини і від рухливості носіїв внутрішніх полів. У твердих діелектриках полярні молекули зв’язані і можуть тільки повертатися на невеликий кут назустріч полю. Тому тверді діелектрики повинні мати порівняно невелику величину ε, що підтверджується вимірами. Наприклад, для порцеляни ε становить від 4 до 7 одиниць (залежить від марки порцеляни). Це набагато менше, ніж у води. Найменшою величиною ε володіє вакуум, для нього ε = 1. Для повітря (суміш азоту і кисню) величина ε = 1.0006, майже як у вакууму. Низька проникність повітря пояснюється його малою щільністю.

Посилання на основну публікацію