Диэлектрики в электростатическом поле

В отличие от проводника, заряды диэлектрика несвободны — они связаны в пределах атома и потому гораздо слабее реагируют на электрическое ноле. Диэлектрики применяют для электрической изоляции проводников. Значит ли это, что бакелитовые, эбонитовые, фторопластовые, слюдяные, бумажные и прочие элементы конструкций никак не влияют на электрическое поле?

Если у нейтральной молекулы диэлектрика заряды +ц и -ц смещены друг относительно друга, то они образуют так называемый диполь (рис. 5.8, а). Такие молекулы и состоящие из них диэлектрики называют полярными (Н₂0, СО и т. д.). Тепловое движение молекул хаотизирует ориентацию диполей, и потому результирующая напряженность поля в диэлектрике равна нулю. Однако в электростатическом поле возникает пара сил (см. рис. 5.8, а), которая поворачивает диполь вокруг центра С его инерции, чтобы сориентировать его вдоль силовой линии. Чем больше напряженность поля, тем в большей степени выполняется эта ориентация, несмотря на хаотизирующее влияние теплового движения.

Рис. 5.8.

Наряду с полярными, существуют и неполярные молекулы, у которых положительные и отрицательные заряды пространственно не разделены (0₂, Н₂ и т. д.). Однако под действием внешнего поля они смещаются в противоположные стороны и также образуют диполи, ориентированные вдоль силовых линий.

Процесс ориентации диполей диэлектрика под действием электростатического поля называется поляризацией.

Поляризацию можно рассматривать как вариант электростатической индукции. Результат поляризации также сводится к поверхностным зарядам: заряды диполей разного знака, находящихся в объеме, компенсируют, а на поверхности формируют связанный поляризационный заряд с поверхностной плотностью о_и(рнс. 5.8, 6). Будучи противоположным, но знаку свободному заряду (создающему поле), он его частично нейтрализует, что вносит поправку в выражение (5.21):

Таким образом, напряженность поля в диэлектрике по сравнению с вакуумом уменьшается.

Коэффициент с называется диэлектрической проницаемостью вещества. Поскольку у каждого диэлектрика она своя, это побуждает ввести такую силовую характеристику электростатического поля, которая от наличия диэлектрика не зависит. Она называется электрическим смещением D.

Из формул (5.29) и (5.30) следует, что D = г₀Е₀> где Е₀ определяется уже только свободными зарядами.

Формула (5.29) вносит уточнения и в соотношения (5.23), (5.28):

где величины [/₀, С₀ относятся к конденсатору без диэлектрика.

Чувствительность емкости конденсатора к среде между его обкладками, а также к их геометрии и относительному положению используют в датчиках — важнейшей составляющей природных и рукотворных систем, в том числе военных.

Примеры практики Если голод указывает организму на потребность в пище, то датчик разряда батареи указывает на ее «чувство голода». Если повышенная температура тела — симптом болезни, то повышенная температура, фиксируемая датчиком в боевом отсеке подводной лодки или самолета, — симптом неполадок. Если кровотечение — это результат ранения, то бортовой датчик, фиксирующий спад давления воздуха в бомбардировщике, указывает на пробоину и т. д.

В сущности, танк, ракета или авианосец — это искусственные организмы. В живом организме сигналы датчиков обрабатываются мозгом, а в боевых системах — автоматом, компьютером, оператором или командиром. Реакция па сигналы датчиков — команды, поступающие на исполнительные механизмы. Например, несанкционированное пересечение границ охраняемой зоны приводит к звуковой сирене, световым вспышкам или срабатыванию защиты. Приблизившись к объекту противника, ракета своими датчиками реагирует на его тепловое излучение или па собственный отраженный от нее сигнал и т. д. Искусственные датчики обладают зачастую много лучшими параметрами, чем естественные. Например, датчики локатора с гораздо большей точностью оценивают расстояние до противника и его скорость, чем глаза человека. В то же время в отношении точности датчики являются самым слабым местом современных средств приема-передачи и обработки информации — именно от них в основном зависят надежность и боевая эффективность различных видов ВВТ. Например, результат взаимодействия снаряда и цели определяется непрерывным получением и обработкой информации об их относительном положении, скоростях, ускорениях, воздействии среды и т. д. Роль физики здесь трудно переоценить, причем не только в части датчиков, но и в остальной элементной базе информационных систем.

В сложных системах работают тысячи датчиков температуры, давления, радиации, освещенности, механических напряжений, линейных и угловых координат, скоростей и ускорений, расходов жидкостей и газов. В каждом из них измеряемую неэлектрическую величину преобразуют в пропорциональную ей электрическую, поскольку электрические измерения отличаются точностью, чувствительностью, возможностью дистанционного измерения и автоматизации. Особенно ценны малогабаритные и устойчивые к внешним воздействиям датчики с цифровым выходом для компьютерной обработки сигнала. Существуют, например, датчики, способные, несмотря на огромные температуры и давления в стволе орудия, передавать телеметрическую информацию о движении в нем снаряда. Конденсатор может быть использован, например, в качестве инерциального датчика ускорений (см. подпараграф 1.1.4). Три его пластины образуют два конденсатора, соединенных последовательно. Две крайние закреплены жестко, а центральная, смещаясь под действием сил инерции, изменяет емкости конденсаторов, которые могут входить в состав микроэлектромеханической системы (МЭМС). Ее реализуют в едином кристалле (размером с ноготь), включающем не только чувствительный элемент, но и схему формирования выходного сигнала. Емкостные датчики применяют для определения состава смесей, измерения уровня жидкости, преобразования механических перемещений и др., а их чувствительность больше, чем многих других.^[1][2]

Обратный пьезоэффект состоит в том, что под действием внешнего напряжения сегнетоэлектрик деформируется. Эго явление применяют для преобразования электрических колебаний в механические, например в гидролокаторах — источниках ультразвука на подводных лодках.

• [1] При снятии внешнего поля тепловое движение молекул дезориентируетмолекулярные диполи. Однако некоторые расплавленные диэлектрики (смолы, полимеры, стекла и ситаллы), охлаждаемые в сильном электрическом поле, способны сохранять ориентацию молекул и после снятия поля. Полученные таким образом электреты уже сами могут служить источниками постоянного электрического поля, что используют в датчиках, микрофонах, телефонах и т. д. У сегнетоэлектриков поляризованы относительно большие области, именуемые доменами. В обычном состоянии дипольные моменты доменовориентированы произвольно, и потому в целом поляризованность диэлектрика равна нулю. Однако под влиянием внешнего поля растет объем тех доменов, которые случайно оказались ориентированными вдоль силовых линий. Если же внешнее поле уменьшать, то поляризованность уменьшаетсяс «запаздыванием» по сравнению с кривой ее роста. Это явление называютгистерезисом. При полном снятии поля (Е = 0) у сегнетоэлектриков остается некоторая остаточная поляризованность Рг, которая позволяет их использовать, как и электреты, в качестве источников поля. Аналогичная кривая гистерезиса наблюдается у ферромагнетиков (см. параграф 6.5).
• [2] некоторых сегнетоэлектриков (сегнетова соль, кварц, титанат бария и др.)поляризованность возникает под действием растяжения (сжатия), что называют прямым пьезоэффектом. Его открыли Пьер и Жак Кюри в 1880 г. Зависимость возникшего напряжения от механических нагрузок используют в газовых зажигалках для формирования искры, в микрофонах и пьезодатчиках, которые применяют, например, для фиксации детонаций двигателя. В пьезодатчике ускорения сила инерции деформирует кристалл, и наего гранях возникает измеряемая разность потенциалов. То же — при встречеснаряда или гранаты с преградой: механическая нагрузка на пьезоэлементинициирует импульс напряжения, подаваемый на электродетонатор взрывателя, и т. д.