Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость характеризует количественно процесс поляризации.

Диэлектрической проницаемостью (или относительной диэлектрической проницаемостью) ε называется отношение абсолютной диэлектрической проницаемости вещества ε_а к электрической постоянной ε_о.

Значение относительной диэлектрической проницаемости электроизоляционных материалов можно вычислить, сравнив емкости двух конденсаторов, одинаковых по форме и геометрическим размерам:

,

где С_х – емкость конденсатора с испытываемым диэлектриком;

С_о – емкость конденсатора при тех же геометрических размерах, но в случае, когда испытываемый диэлектрик заменен вакуумом.

Значение ε исследуемого диэлектрика можно определить, измеряя дважды емкость разборного конденсатора: когда между обкладками данный диэлектрик (С_х) и когда между ними воздух (С_о). Замена вакуума воздухом дает малую погрешность (сотые доли процента).

Поляризация газообразных веществ вследствие больших рас­стояний между молекулами незначительна, и диэлектрическая про­ницаемость близка к единице. Диэлектрическая проницаемость газа пропорциональна давлению и обратно пропорциональна аб­солютной температуре, так как она определяется изменением чис­ла молекул в единице объема. Однако эта зависимость слабо вы­ражена.

Жидкие диэлектрики могут быть построены из нейтральных (неполярных) молекул, обладающих только электронной поляриза­цией, а также из дипольных (полярных) молекул, поляризация которых определяется одновременно электронной и дипольной сос­тавляющими.

Жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей и чем больше число молекул в единице объема. Диэлек­трическая проницаемость нейтральных жидкостей обычно не пре­вышает 2.5. Сильнополярные жидкости, характеризующиеся очень высоким значением диэлектрической проницаемости, например во­да, этиловый спирт, не находят практического применения в качест­ве диэлектрика вследствие их высокой электропроводности. Ди­электрическая проницаемость нейтральной жидкости обратно про­порциональна температуре, так как с ростом последней уменьша­ется число молекул в единице объема.

Зависимость диэлектрической проницаемости дипольных жид­костей от температуры носит более сложный характер.

При низких температурах диэлектрическая проницаемость но­сит только электронный характер, диполи еще не могут поверты­ваться. С повышением температуры вязкость жидкости уменьша­ется и диполи начинают ориентироваться в электрическом поле, что ведет к резкому увеличению диэлектрической проницаемости. При дальнейшем увеличении температуры возросшая кинетическая энергия хаотического движения диполей мешает их ориентации, и поэтому диэлектрическая проницаемость начинает постепенно уменьшаться (рис. 12.2).

Рис. 12.2- Зависимость диэлектри­ческой проницаемости от тем­пературы

Диэлектрическая проницаемость дипольной жидкости зависит от частоты тока. При малых частотах диполи успевают следовать за изменением поля и значение диэлектрической проницаемости при этом близко к значению проницаемости, определяемому при постоянном токе. При увеличении частоты молекулы не успевают следовать за изменением поля, и диэлектрическая проницаемость начинает уменьшаться. При большой частоте ее значение прибли­жается к значению, обусловленному только электронной поляриза­цией (рис. 12.3).

Рис. 12.3- Зависимость диэлектри­ческой проницаемости от час­тоты

Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей повыше­на по сравнению с нейтральными жидкостями. Например, для совтола ее значение равно 3,2, для касторового масла – 4,5.

Диэлектрическая проницаемость твердых тел может принимать самые различные значения в соответствии с разнообразием струк­турных особенностей твердых диэлектриков. Наименьшее значе­ние диэлектрической проницаемости имеют твердые диэлектрики, построенные из нейтральных молекул и обладающие только элект­ронной поляризацией. К такому виду относится парафин, имеющий диэлектрическую проницаемость 1,9...2,2. Температурная зависи­мость диэлектрической проницаемости нейтральных твердых ди­электриков подобна зависимости нейтральных жидкостей. В твер­дых диэлектриках, представляющих собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц и обладающих электронной и ионной поляризациями, значение диэлектрической проницаемости меняется в очень широких пределах. С увеличением температуры таких диэлектриков их диэлектрическая проницаемость возрастает почти линейно за счет возрастания поляризуемости ионов, несмотря на уменьшение плотности вещества.

Твердые дипольные диэлектрики аморфной и кристаллической структуры и ионные аморфные диэлектрики, в том числе полярные полимеры (бакелит, шеллак, плексиглас, эбонит, поливинилхлорид и др.), целлюлоза и продукты ее переработки (галовакс, неоргани­ческие стекла), характеризуются наличием электронной, ионной и структурной поляризаций и делятся на две подгруппы:

- ионные аморфные диэлектрики (неорганические стекла), структурная по­ляризация которых состоит в перебросе тепловым движением внут­ри замкнутой ячейки ионов, направляемых электрическим полем; диэлектрическая проницаемость стекол находится в пределах от 4 до 20;

- дипольные аморфные и кристаллические твердые тела, в которых в твердом состоянии обнаруживается дипольная поляри­зация, аналогичная поляризации дипольных жидкостей, но с со­вершенно иными значениями времени релаксации. Диэлектричес­кая проницаемость материалов второй подгруппы в большой степе­ни зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются у ди­польных диэлектриков.

От значения диэлектрической проницаемости зависит емкость материала. Поэтому, например, сверхвысокая диэлектрическая про­ницаемость керамического сегнето диэлектрика используется в ма­логабаритных конденсаторах. Интересно отметить, что диэлектри­ческая проницаемость сегнетодиэлектриков имеет резко выражен­ную зависимость не только от температуры, но и от напряженности поля, при этом отмечено явление диэлектрического гистерезиса сегнетодиэлектриков.

Дата добавления: 2014-11-08