Влияние агрегатного состояния на диэлектрическую проницаемость линейных диэлектриков

Классификация диэлектриков в связи с механизмами поляризации

После снятия электрического поля ориентация дипольных моментов молекул ослабевает постепенно.

Дипольно-релаксационная поляризация свойственна газам и жидкостям с полярным строением молекул, но может наблюдаться и в твердых полярных веществах. В последнем случае поляризация обычно обусловлена уже не поворотом самой молекулы, а поворотом имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют так же дипольно-радикальной. Примером вещества с этим видом поляризации является целлюлоза, полярность которой объясняется наличием гидроксильных групп — ОН и кислорода.

Ионно-релаксационная поляризация (С_up, Q_up, r_up) наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стеклах и в некоторых кристаллических веществах. В этом случае слабо связанные ионы вещества, подвергаясь под воздействием внешнего электрического поля хаотическим тепловым перебросам, совершают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия. Этот механизм поляризации можно отнести к релаксационным, при которых происходит необратимое рассеяние энергии в виде тепла.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация (С_cn, Q_cn,, r_cn) свойственна только группе твердых диэлектриков ионной структуры, получивших название сегнетоэлектриков (по наименованию сегнетовой соли у которой этот процесс ярко выражен и был обнаружен впервые). Подробнее поляризация сегнетоэлектриков будет рассмотрена в последующих лекциях.

Структурная поляризация С_СТ, Q_СТ, r_СТ, считающаяся дополнительным механизмом поляризации, проявляется в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Она обнаруживается лишь при низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. Вызывается эта поляризация наличием слоев с различной проводимостью, проводящих и полупроводящих включений в технических диэлектриках и т. д.

В зависимости от того, влияет или не влияет величина напряженности электрического поля на значение диэлектрической проницаемости материала, все диэлектрики подразделяются на линейные и нелинейные.

Различие их свойств можно понять из рис. 2.1.5, на котором показана зависимость заряда от приложенной разности потенциалов (переменной полярности).

Линейные диэлектрики с без инерционными механизмами поляризации (электронной, ионной) и ничтожно малой сквозной проводимостью характеризуются рис. 2.1.5 а, линейные диэлектрики с замедленными (релаксационными) механизмами поляризации – рис. 2.1.5,6. Площадь эллипса пропорциональна количеству энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период изменения напряжения.

У нелинейных диэлектриков – сегнетоэлектриков зависимость заряда от напряжения имеет вид петли гистерезиса (рис. 2.1.5, в).

Приведенные на том же рисунке зависимости e от напряженности электрического поля подчеркивают и другое различие между линейными и нелинейными диэлектриками. Если у конденсаторов с линейным диэлектриком емкость зависит только от геометрических размеров и не меняется с изменением приложенной разности потенциалов, то у конденсаторов с нелинейным диэлектриком она поддается управлению электрическим полем.

Различия в механизмах поляризации, а также особые явления, ей сопутствующие, дают возможность подразделить все диэлектрики на несколько групп.

Нейтральные (неполярные) диэлектри ки. К этой группе относятся материалы, обладающие, в основном электронной поляризацией. Это газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях. Примерами нейтральных диэлектриков могут служить водород, бензол, парафин, сера и полиэтилен.

Дипольные (полярные) диэлектрики. К числу этих диэлектриков принадлежат материалы, обладающие одновременно и дипольно-релаксационной и электронной поляризациями, например масляно-канифольные компаунды, фенолформальдегидные и эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и некоторые другие органические жидкие, полужидкие и твердые вещества.

Ионные соединения. Эту группу, в которую входят твердые неорганические диэлектрики с ионной, электронной и ионно-релаксационной поляризациями, целесообразно разделить на две подгруппы, существенно различающиеся по своим электрическим характеристикам. К подгруппе диэлектриков с ионной и электронной поляризациями относятся преимущественно кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов, например кварц, слюда, каменная соль и корунд (Аl₂О₃). Диэлектрики с ионной, электронной и ионно-релаксационной поляризациями образуют вторую подгруппу. К ней принадлежат неорганические стекла, кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке и некоторые керамические материалы, например изоляторный фарфор.

Сегнетоэлектрики. Эту группу составляют диэлектрики, характеризующиеся спонтанной, электронной и ионной поляризациями, например сегнетова соль.

Значение диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, определяется в первую очередь механизмами поляризации. Однако величина в большой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходе из одного состояния в другое существенно меняются плотность вещества, его вязкость и изотропность. А у сегнетоэлектриков, являющихся, подобно всем ионным соединениям, диэлектриками только в одном твердом состоянии, значение е может очень резко меняться при термодинамических переходах, связанных с перестройками кристаллической решетки материала.

Поэтому рассмотрим диэлектрическую проницаемость линейных диэлектриков, находящихся в различных агрегатных состояниях, а затем особо осветим этот же вопрос применительно к сегнетоэлектрикам.

Рис. 2.1.5. Зависимость заряда Q конденсатора от напряжения U и диэлектрической проницаемости от напряженности поля Е.

Диэлектрическая проницаемость газов. Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Ввиду этого поляризация всех газов незначительна.

Поляризация газов может быть как чисто электронной, так и дипольной (молекулы газа полярны), но и в том, и в другом случае их диэлектрическая проницаемость близка к единице, т.е. 1.

Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.

Основной газовой средой, с которой приходится иметь дело в электронной технике, является воздух. Воздух при не очень высоких значениях напряжённости электрического поля представляет собой весьма хороший диэлектрик.

Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков. Жидкие диэлектрики могут быть построены из нейтральных (неполярных) молекул или из дипольных (полярных) молекул. У неполярных жидкостей величина диэлектрической проницаемости определяется наличием только электронной поляризации. Она близка к значению квадрата показателя преломления света и обычно не превышает 2,5.

У жидкостей, содержащих дипольные молекулы, поляризация определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше величина электрического момента диполей и чем больше число молекул в единице объема.

Сильно полярные жидкости, характеризующиеся очень высоким значением диэлектрической проницаемости (например, вода и этиловый спирт), не могут найти практического применения в качестве диэлектриков вследствие большой удельной проводимости.

С температурной и частотной зависимостями диэлектрической проницаемости можно познакомиться в [1].

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков. У твердых тел диэлектрическая проницаемость может принимать самые различные числовые значения в соответствии с разнообразием структурных особенностей твердых диэлектриков. В твердых телах возможны все виды поляризации, указанные на рис. 2.1.1.

Диэлектрики, построенные из нейтральных молекул и обладающие только электронной поляризацией, имеют наименьшее значение диэлектрической проницаемости. Ниже приведены значения диэлектрической проницаемости некоторых нейтральных твердых диэлектриков (при t=20⁰С):

Материал e   Парафин ………………..1,9-2,2 Парафин…………………2,4-2,6 Полистирол……………..3,6-4,0 Алмаз……………………5,5-5,8

Материал ε  

  Каменная соль (NаС1)………….……………6 Корунд (Al₂O₃)……………………………...10 Рутил (ТiO₂)……………………………….110 Титанат кальция (СаО)………………150  

Диэлектрическая проницаемость ε неорганических стекол лежит в сравнительно узких пределах - примерно от 4 до 20.

С температурной и частотной зависимостями диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков также можно познакомиться в [1].

Дата добавления: 2014-01-20