§ 35. Поле конденсатора

Вернемся к вопросу об ослаблении электрического поля диэлектриком. Поместим наш конденсатор в аквариум, зарядим его и отключим от генератора. Затем в аквариум нальем диэлектрик – дистиллированную воду. Если сейчас измерить напряжение U₁ на обкладках конденсатора, мы увидим, что оно уменьшилось почти в 90 раз! Из (8.5) следует, что для сухого конденсатора U = E d (35.1). Тогда для конденсатора с диэлектриком можно написать U₁ = U/?, или E₁ = E/? (35.2), где ? – коэффициент ослабления поля. Величину ? принято называть диэлектрической проницаемостью, хотя она характеризует не проницаемость, а ослабление поля диэлектриком. (Справедливости ради заметим, что вместо понятия сопротивления в теории электричества часто используют понятие проводимости, которое имеет противоположный смысл). Для каждого диэлектрика ? имеет своё значение. Для ряда веществ значения ? измерены и сведены в таблицу.

Возникает вопрос: как этот эффект можно использовать в технике? Подключим снова конденсатор в аквариуме к генератору. Так как напряжение U₁ меньше э.д.с. генератора в ? раз, ток зарядки возобновится. Заряжание конденсатора продолжится до того, когда напряжение U₁ станет равным э.д.с. генератора. При этом заряд увеличится в ? раз. Это означает, что емкость С₁ конденсатора с диэлектриком увеличилась в ? раз относительно емкости C сухого конденсатора. Таким образом, применение диэлектриков позволяет изготавливать конденсаторы небольших размеров, но с большой емкостью.

Попробуем объяснить это явление. Из химии известно, что молекулы воды частично распадаются на протоны H⁺ и ионы гидроксила OH^-. Протоны стремятся к отрицательной обкладке, частицы гидроксила – к положительной. Облепив отрицательную обкладку, протоны частично нейтрализуют ее поле, снижая потенциал ?. Ионы гидроксила облепляют положительную обкладку и тоже снижают ее потенциал. Кроме того, молекула H₂O имеет свое поле, так как она сферически несимметрична. Такие молекулы называются полярными. В целом нейтральные, молекулы Н₂О разворачиваются вдоль поля конденсатора. Так в объеме диэлектрика возникает комбинированное встречное поле, которое существенно нейтрализует поле конденсатора. Можно сказать, электроэнергия дополнительно запасается в диэлектрике в форме энергии внутренних полей, что существенно увеличивает емкость конденсатора.

Можно предположить, что диэлектрическая проницаемость диэлектриков должна зависеть от плотности вещества и от подвижности носителей внутренних полей. В твердых диэлектриках полярные молекулы связаны и могут только поворачиваться на небольшой угол навстречу полю. Поэтому твердые диэлектрики должны иметь сравнительно небольшую величину ?, что подтверждается измерениями. Например, для фарфора ? составляет от 4 до 7 единиц (зависит от марки фарфора). Это намного меньше, чем у воды. Наименьшей величиной ? обладает вакуум, для него ? = 1. Для воздуха (смесь азота и кислорода) величина ? = 1.0006, почти как у вакуума. Низкая проницаемость воздуха объясняется его малой плотностью.