3.2. Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость  характеризует способность вещества изменять напряженность первичного электрического поля вследствие явления поляризации, т. е. упорядоченной ориентировки связанных электрических зарядов.

Диэлектрическая проницаемость вещества определяется отношением электрической индукции поля D (количество электричества, которое поле способно индуцировать на единицу площади) к величине электрической напряженности поля Е (сила, действующая на единицу электрического заряда):

.

(3.6)

Размерность: .

Для свободного пространства этот коэффициент обозначается как ₀:

.

Абсолютное значение диэлектрической проницаемости используется редко. Чаще и при теоретических, и при практических работах оперируют относительной диэлектрической проницаемостью, определяемой зависимостью:

.

(3.7)

_отн, как видно из определения, является безразмерной величиной. Ее значение показывает, во сколько раз уменьшается сила взаимодействия между электрическими зарядами в данной среде по сравнению с вакуумом. Изменение силы взаимодействия зарядов связано с явлением поляризации вещества под влиянием электрического поля.

Мерой поляризации вещества принята величина поляризуемости р:

.

(3.8)

Здесь   диэлектрическая восприимчивость вещества. Если в пустом пространстве индукция

,

то в пространстве с диэлектрической проницаемостью 

,

(3.9)

отсюда

.

(3.10)

Величина диэлектрической восприимчивости вещества  пропорциональна числу молекул п, содержащихся в 1 см³ вещества, и коэффициенту поляризуемости молекулы а этого вещества

.

(3.11)

Поляризация, т. е. смещение заряженных частиц (электронов и ионов) и ориентировка полярных молекул под влиянием электрического поля  наиболее характерное свойство диэлектриков. Поляризационными свойствами обладают также многие полупроводники.

Вещества в электрическом поле испытывают упругую, релаксационную и структурную поляризацию.

Упругая поляризация заключается в смещении упругосвязанных зарядов (электронов, ионов) вещества в электрическом поле. Она протекает быстро (время установления совпадает с периодами колебаний, соответствующих инфракрасному излучению, т. е. 10^-1210^-14 с). Относительная диэлектрическая проницаемость у диэлектриков с упругой поляризацией обычно составляет 415, но у некоторых ионных кристаллов она достигает нескольких сотен (до 300 у титаната стронция, например).

Релаксационная (тепловая) поляризация характерна для веществ, содержащих слабосвязанные частицы, способные менять равновесие при тепловом движении. Поляризация этого типа вызывается тем, что приложенное внешнее электрическое поле создает в хаотическом тепловом движении заряженных частиц определенную упорядоченность. Различают две разновидности поляризации: ориентационную дипольную тепловую и ионную тепловую.

Дипольная поляризация возникает в полярных жидкостях (в том числе и в воде) за счет преимущественной ориентации слабосвязанных дипольных молекул в электрическом поле. Время релаксации полярной жидкости пропорционально ее вязкости. В сложных полярных молекулах может также наблюдаться внутримолекулярное вращение различных частей молекулы относительно друг друга.

Ионная тепловая поляризация возникает в ионных кристаллах, содержащих слабосвязанные ионы, появление ко­торых обусловлено дефектами кристаллической решетки. Ионы при тепловом движении перемещаются, преодолевая потенциальные барьеры. Электрическое поле формирует преимущественное направление их переходов. В результате дипольный момент единицы объема породы становится отличным от нуля и поддерживается этим электромагнитным процессом.

Наконец, в многофазных горных породах наблюдается структурная (объемная) поляризация, связанная с захватом носителей тока микродефектами кристаллической решетки, замедлением их передвижения у межфазовых границ раздела или с застреванием свободных зарядов на макронеоднородностях кристаллов. Это сравнительно медленный тип поляризации, период ее становления находится в преде­лах радиочастот (10^-410^-10 с).