25.11: Podatność, przenikalność i stała dielektryczna

Po umieszczeniu w zewnętrznym polu elektrycznym materiał dielektryczny ulega polaryzacji. Gęstość ładunku w materiale dielektrycznym wyraża się jako sumę gęstości ładunku związanego i swobodnego, natomiast całkowitą gęstość ładunku można również zapisać jako całkowite pole elektryczne. Związaną gęstość ładunku można zmierzyć w kategoriach polaryzacji, co prowadzi do związku między przemieszczeniem elektrycznym a polaryzacją.

Polaryzacja jest proporcjonalna do pola elektrycznego w przypadku dielektryków liniowych. Wprowadza to nową stałą proporcjonalności zwaną podatnością elektryczną, wielkość bezwymiarową. Podatność elektryczna to tendencja dowolnego materiału do polaryzacji i wynosi zero w wolnej przestrzeni.

Te wyrażenia można rozwiązać, uzyskując drugą stałą proporcjonalności lub przenikalność materiału.

Stosunek przenikalności elektrycznej materiału do przepuszczalności wolnej przestrzeni daje trzecią stałą proporcjonalności, zwaną przenikalnością względną lub stałą dielektryczną.

Jest to ta sama stała proporcjonalności, która określa zależność pomiędzy pojemnością kondensatora z i bez ośrodka dielektrycznego. Wartość stałej dielektrycznej dla wolnej przestrzeni wynosi 1. Obecność ośrodka dielektrycznego w kondensatorze zawsze zwiększa magazynowanie energii, zwiększając w ten sposób pojemność. Dlatego stała dielektryczna dowolnego ośrodka jest zawsze większa niż 1.

W spolaryzowanym dielektryku całkowita gęstość ładunku jest sumą gęstości ładunku związanego i swobodnego. Przypomnienie wyrażenia na związaną gęstość ładunku i przepisanie całkowitej gęstości ładunku w kategoriach całkowitego pola elektrycznego daje wyrażenie na przemieszczenie elektryczne w kategoriach polaryzacji.

W przypadku dielektryków liniowych polaryzacja jest proporcjonalna do całkowitego pola elektrycznego. Stała proporcjonalności nazywana jest podatnością elektryczną materiału, a przenikalność elektryczna wolnej przestrzeni sprawia, że podatność elektryczna jest bezwymiarowa.

W przypadku przyłożonego pola elektrycznego, jeśli wzrasta podatność elektryczna, polaryzacja wzrasta.

Podstawienie wyrażenia polaryzacji oznacza, że przemieszczenie elektryczne jest również proporcjonalne do całkowitego pola elektrycznego.

Nową stałą proporcjonalności jest przenikalność elektryczna materiału. Stosunek przenikalności elektrycznej materiału do przenikalności elektrycznej wolnej przestrzeni daje przenikalność względną, znaną również jako stała dielektryczna.

Szacuje to zdolność do magazynowania ładunku dla danego pola elektrycznego. Materiały o wyższych stałych dielektrycznych są stosowane w kondensatorach w celu zwiększenia magazynowania energii.