Теоретичні відомості. Діелектрик поляризується під дією зовнішнього електричного поля у результаті пружного зміщення електронних оболонок (електронна поляризація)

Діелектрик поляризується під дією зовнішнього електричного поля у результаті пружного зміщення електронних оболонок (електронна поляризація), іонів (іонна поляризація) чи орієнтації дипольних моментів полярних груп або молекул вздовж напряму поля (орієнтацій на поляризація). Поляризований діелектрик характеризується дипольним моментом одиниці об’єму – поляризованістю:

де - елементарні дипольні моменти атомів, молекул.

Розрахунок електричних полів конденсатора з реальним діелектриком можна спростити, якщо використати уявлення про зв’язані заряди у поляризованому діелектрику, об’ємна густина яких визначається формулою . З врахуванням зв’язаних зарядів напруженість електричного поля в конденсаторі з реальним діелектриком

де - напруженість, зумовлена вільними зарядами, - напруженість, зумовлена зв’язаними зарядами (деполяризуюче поле).

У частковому випадку для плоского конденсатора можна прийняти, що поле та діелектрик однорідні, напруженість E=U/d. Тоді P=const, = 0. Оскільки поляризація діелектрика приводить до зменшення напруженості поля в конденсаторі, то шляхом нескладних перетворень можна отримати вираз для діелектричної проникності речовини:

де С_d – ємність конденсатора з діелектриком, С₀ – ємність конденсатора без діелектрика.

Поляризованість лінійних діелектриків пропорційна напруженості поля:

де χ – діелектрична сприйнятливість, що характеризує здатність діелектрика до поляризації.

Крім вектора напруженості, електричне поле в діелектрику характеризують ще вектором електричного зміщення:

Цей вектор визначається лише вільними зарядами.

Діелектричними втратами називають енергію, яка розсіюється в діелектрику при дії на нього змінного електромагнітного поля. Діелектричні втрати можуть зумовлюватися як струмами провідності (втрати провідності), так і запізнюванням поляризації при зміні поля (релаксаційні і резонансні втрати). Крім того, в сильних електричних полях при наявності у діелектрика повітряних включень спостерігаються додаткові втрати енергії (іонізаційні втрати).

У реальному конденсаторі на відміну від ідеального струм та напруга зсунуті на кут , тобто повний струм можна розкласти на складові активну та реактивну. Кут δ, який доповнює до кут зсуву фаз між струмом та напругою у ємнісному колі з реальним діелектриком, називають кутом діелектричних втрат. Кутом δ (а частіше, tg δ) визначають розсіювану потужність діелектрика у змінному електромагнітному полі.

Для характеристики діелектричних втрат часто використовують величину ε ”, яка називається фактором втрат та визначається із співвідношення:

Конденсатор з діелектричними втратами можна представити еквівалентною схемою, яка має ідеальну ємність та опір. Дві основні – паралельне та послідовне з’єднання цих елементів. Слід врахувати при моделюванні, що схеми дають принципово різні залежності від частоти. При послідовній схемі заміщення збільшується з ростом частоти прямо пропорційно до ω, а при паралельному заміщенні зменшується із зростанням частоти обернено пропорційно до ω.