Диэлектрическая проницаемость

Классификация диэлектриков по виду поляризации

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация

Ионно-релаксационная поляризация

Наблюдается в ионных кристаллах с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стеклах, керамике. Этот вид поляризации обусловлен смещением слабо связанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояние больше постоянной кристаллической решетки. Эта поляризация происходит с потерями энергии, и поляризация усиливается с увеличением температуры.

Происходит и в отсутствии внешнего поля. Это характерно для сегнетоэлектриков, они обладают доменной структурой. Домен – это отдельные области в сегнетоэлектрике, имеющие пространственно-однородное упорядочение дипольных моментов элементарных кристаллических ячеек. При воздействии внешнего поля домены ориентируются в направлении поля, что вызывает эффект сильной поляризации, следовательно высокие и сверхвысокие значения ε (сегнетова соль, титанат бария, титанат стронция).

Делятся на полярные и неполярные.

Неполярные диэлектрики (жидкие, твердые (кристаллические, аморфные), газообразные) – не содержат электрических диполей, способных переориентироваться во внешнем электрическом поле. Им свойственна электронная поляризация. Они применяются как высококачественные электроизоляционные материалы на ВЧ и СВЧ. Это полистирол, фторопласт-4, полиэтилен, воздух, парафин, сера, алмаз, газы, жидкости.

Полярные диэлектрики (жидкие, полужидкие и твердые вещества) – содержат электрические диполи, которые способны переориентироваться во внешнем поле. Для них характерна электронная и дипольно-релаксационная поляризации. Электрические свойства хуже и применяются в качестве электроизоляционных материалов на НЧ. Это эпоксидные смолы, лавсан, оргстекло, фторопласт-3.

Диэлектрики с ионной структурой:

1) диэлектрики с электронными и ионными видами поляризации, при которых потери электрической энергии практически нет (кварц, слюда, корунд);

2) диэлектрик с электронными, ионными и релаксационными видами поляризации, при которых имеются существенные потери электрической энергии (неорганическое стекло, керамика).

4.4.1 Зависимость ε от температуры для полярных диэлектриков

С увеличением температуры увеличивается подвижность молекул диэлектрика, тем самым облегчается процесс поляризации и ε увеличивается, достигая максимального при высокой температуре. Но в дальнейшем ε уменьшается, так как увеличение температуры приводит к увеличению хаотического теплового движения частиц, что мешает ориентации диполей, степень процесса поляризации ослабевает и ε уменьшается (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 – График зависимости диэлектрической проницаемости от температуры для полярных диэлектриков.

4.4.2 Зависимость ε от температуры для неполярных диэлектриков

Для неполярных диэлектриков с увеличением температуры в диэлектрике происходит два параллельных процесса – диэлектрик расширяется, уменьшая число частиц в единице объема и за счет увеличения тепловой энергии уменьшаются силы связи между частицами; первый процесс уменьшает ε, второй увеличивает ε (рисунок 4.6).

Равновесие этих процессов приводит к постоянству ε от температуры.

4.4.3 Зависимость ε от влажности

Для всех диэлектриков с увеличением влажности наблюдается увеличение ε. Особенно чувствительны пористые диэлектрики (резина, каучук)

Рисунок 4.6 – График зависимости диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков от температуры:

1 – полистирол; 2 – парафин.

4.4.4 Зависимость ε от частоты f

У неполярных диэлектриков ε не изменяется от f, так как поляризация происходит мгновенно, примерно 10^-13 – 10^-15 с (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7 – График зависимости диэлектрической проницаемости неполярных полимеров от частоты:

1 – полистирол; 2 – политетрафторэтилен.

В полярных диэлектриках – где наблюдается дипольно-релаксационная поляризация, ε зависит от f T₄ > T₃ > T₂ > T₁ (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8 – График зависимости диэлектрической проницаемости полярного диэлектрика политрифторхлорэтилена от частоты при различных температурах.

При увеличении f ε сначала остается неизменной, но, начиная с некоторой критической частоты, ε начинает снижаться, приближаясь к значениям ε для неполярных диэлектриков. Это снижение ε происходит из-за того, что частота прикладываемого поля становится большой и поляризация не успевает установиться за полупериод напряжения, т.е. диполи не успевают соориентироваться под действием такого поля.

f _КР = 1 ∕ (2π ∙ τ₀) = kT ∕ (8π ∙ η ∙ r³), (4.6)

где η – динамическая вязкость диэлектрика;

r – радиус молекулы (шар условно).

Дата добавления: 2015-05-26