Диэлектрическая проницаемость металлов: от закона Кулона до поведения проводника в поле

Диэлектрическая проницаемость металлов

Диэлектрическая проницаемость описывает, как среда изменяет силу взаимодействия электрических зарядов по сравнению с вакуумом. Этот параметр входит в фундаментальные уравнения электродинамики и помогает понять, почему разные материалы по-разному откликаются на электрическое поле. Особый интерес вызывает поведение металлов, у которых свободные электроны кардинально меняют картину. Ниже разобраны суть величины, её виды, связанные с ней явления и особенности проводников.

Сам закон Кулона записывается так:

F=(1/(4·π·Еа))·((|q1q2|)/r²)

где π = 3,14; q1, q2 - точечные заряды; r - расстояние между ними; Еа - абсолютная диэлектрическая проницаемость.

Абсолютная и относительная формы величины

Принято выделять два вида этой характеристики - абсолютную и относительную диэлектрическую проницаемость. Связь между ними выражается соотношением:

Ea=E0·Er

где Er - относительная диэлектрическая проницаемость, а E0 - электрическая постоянная.

Относительная величина безразмерна, тогда как абсолютная численно совпадает с электрической постоянной и измеряется, согласно международной системе единиц, в фарадах на метр (Ф/м). Смысл относительной проницаемости прост: она показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух зарядов в данной среде слабее, чем в вакууме, для которого её значение принимается равным единице.

Такое различие возникает из-за поляризации диэлектрика во внешнем электрическом поле: внутри вещества формируется собственное поле противоположного направления. В области низких частот относительная проницаемость реальной среды превышает единицу и обычно лежит в диапазоне от 1 до 100, хотя у отдельных материалов достигает десятков и даже сотен тысяч. При изменении частоты поля она слегка растёт вне полос поглощения электромагнитного излучения, но вблизи этих полос или линий резко падает - поэтому высокочастотное значение оказывается меньше статического. Как электромагнитный параметр среды эта величина влияет на распределение составляющих вектора напряжённости поля и входит в уравнения Максвелла и материальные уравнения электродинамики.

Сегнетоэлектрик (ферроэлектрик) - материал со спонтанной поляризацией, ориентацию которой можно менять с помощью электрического поля.

Что показывает проницаемость у металлов

Для всех металлов сегодня получены значения диэлектрической проницаемости, и все они заметно превышают единицу. Однако эти цифры относятся исключительно к внутренним процессам движения электронов и ничего не говорят о том, как толстый кристалл реагирует на внешнее электрическое поле. Причина в том, что перераспределение концентрации свободных электронов создаёт в металле настолько сильную поляризацию, что она полностью преграждает путь частицам электрического поля - те отражаются от металлической поверхности.

Фотоны металл способен поглощать и отражать лишь частично: пропускать отдельные фотоны сквозь себя могут только тонкие металлические плёнки. Эти свойства особенно полезны при объяснении термоэлектрических процессов, в частности явления Зеебека.

Явление Зеебека и контактная разность потенциалов

Суть эффекта в следующем: в месте контакта двух разнородных проводников возникает электродвижущая сила. Она обусловлена разной концентрацией носителей зарядов в этих проводниках при температуре точки их соприкосновения, из-за чего появляется контактная разность потенциалов - её значение может составлять от нуля до десятков милливольт. Само явление контактной разности потенциалов открыл в 1795 году Александр Вольта. Он показал, что по знаку разности потенциалов все известные проводники выстраиваются в определённой последовательности - так называемом ряду Вольта.

Металл во внешнем электрическом поле

Роль проводников чаще всего играют именно металлы: в их структуре постоянно присутствуют свободные электроны, которые перемещаются по всему объёму и одновременно участвуют в тепловых процессах. Пока металл изолирован от внешних полей, в нём сохраняется баланс отрицательных и положительных зарядов - свободных электронов и ионной решётки.

Стоит поместить проводник в электрическое поле, как это равновесие нарушается: заряженные частицы перераспределяются, и появляются нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Такой процесс называют электростатической индукцией, а возникшие на поверхности металла заряды - индукционными. Именно они создают собственное электрическое поле, компенсирующее внешнее внутри проводника.