Относительная диэлектрическая проницаемость

При действии электрического поля на диэлектрик в нем протекает процесс поляризации.

Поляризация – ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация полярных молекул под действием электрического поля.

Количественной мерой поляризации единицы объема диэлектрика служит поляризованность P, являющаяся векторной суммой индуцированных дипольных моментов p0 всех (n) частиц (микрообъемов) диэлектрика:

, (1.2)

 

где 0 = 8,854 · 10–12 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; – поляризуемость данной частицы (микрообъема), E'–напряженность локального электрического поля, действующего на частицу (микрообъем).

Поляризуемость является микроскопической характеристикой поляризации диэлектрика.

Для линейных диэлектриков в области слабых электрических полей:

 

P = 0 ( – 1)E = 0E, (1.3)

 

где – относительная диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая восприимчивость, E – напряженность электрического поля, действующего на диэлектрик.

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность вещества к поляризации, является макроскопической характеристикой поляризации диэлектрика.

Численное значение относительной диэлектрической проницаемости показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при замене вакуума между его обкладками на исследуемый диэлектрик:

, (1.4)

 

где Cх – суммарная емкость конденсатора, Ф; C0– емкость конденсатора с вакуумом между обкладками, Ф; Cd – емкость конденсатора, обусловленная поляризацией диэлектрика, Ф.

Из (1.4) следует, что не может быть меньше единицы. Для вакуума = 1.

Связь между и устанавливает уравнение Клаузиуса–Мосотти:

 

, (1.5)

 

Емкость плоского конденсатора определяется по выражению:

 

, (1.6)

 

где S – площадь электрода, м2; d – толщина диэлектрика между электродами, м.

Из (1.2) получим:

 

, (1.7)

Величина, характеризующая изменение при нагревании диэлектрика на один градус, называется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости:

, К1. (1.8)

Виды поляризации

Все виды поляризации подразделяются на упругие (быстрые или деформационные), обусловленные смещением сильно связанных зарядов, и релаксационные (медленные), обусловленные смещением слабо связанных зарядов.

К упругим видам поляризации относятся электронная и ионная. К релаксационным – дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная, спонтанная, миграционная и резонансная.

Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием электрического поля.

Электронная поляризацияимеет место у всех диэлектриков, независимо от их агрегатного состояния и строения. В чистом виде электронная поляризациянаблюдается в неполярных диэлектриках молекулярного строения. Время установления этого вида поляризации составляет 10–15–10–14 с.

Относительная диэлектрическая проницаемость при электронной поляризации не зависит от частоты и напряженности электрического поля.

Ионная поляризация – упругое смещение сильно связанных ионов под действием внешнего электрического поля на величину менее параметра кристаллической решетки.

Ионная поляризация наблюдается в кристаллических диэлектриках ионного строения с плотной упаковкой ионов. Ионная поляризация всегда сопровождается электронной поляризацией. Время установления поляризации 10–13–10–12 с.

Относительная диэлектрическая проницаемость при ионной поляризации не зависит от частоты и напряженности электрического поля.

Ионно-релаксационная поляризация – упорядоченное смещение слабо связанных ионов под действием электрического поля на величину, превышающую параметр кристаллической решетки (у кристаллических веществ) или расстояние между ионами (у аморфных веществ).

Поляризация имеет место в твердых диэлектриках ионного строения аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой решетки ионами.

Дипольно-релаксационная поляризация – преимущественная ориентация дипольных молекул вещества, находящихся в непрерывном тепловом хаотическом движении, под действием внешнего электрического поля.

Дипольно-релаксационнаяполяризация наблюдается в полярных газообразных, жидких и твердых веществах молекулярного строения.

Продолжительность установления дипольно-релаксационной поляризации характеризуют временем релаксации.

Время релаксации – промежуток времени в течение которого после внезапного снятия внешнего поля степень упорядоченности диполей уменьшается ве (~ 2,7) раз.

Время релаксации составляет 10–810–1 с.

В полимерных диэлектриках дипольно-релаксационая поляризация проявляется в виде двух разновидностей: дипольно-сегментальной и дипольно-групповой.

Дипольно-сегментальная поляризация заключается в создании электрическим полем некоторой упорядоченности в положении отрезков молекулярных цепей (сегментов), совершающих хаотическое тепловое движение.

Этот вид поляризации наблюдается при температурах выше температуры стеклования Тс в полярных и неполярных полимерах.

Температура стеклованиятемпература перехода аморфного полимера при нагревании из стеклообразного состояния (СС) в высокоэластическое состояние (ВЭС). В стеклообразном состоянии полимеры твердые и хрупкие, подобно неорганическим стеклам, имеют полностью обратимую (упругую) деформацию, которая очень мала и происходит при больших усилиях. В ВЭС полимеры, в результате уменьшения межмолекулярного взаимодействия, обладают значительной упругой деформацией, развивающейся при приложении небольших усилий.

Дипольно-групповая поляризация заключается в ориентации полярных групп макромолекул (–Cl, –F, –ОН, –NН2, –NО2, –СОН и т.п.) и боковых ответвлений ( –CН3 и т.п.) под действием электрического поля. Этот вид поляризации наблюдается при Т > Тс в полярных полимерах.

Миграционная поляризация заключается в накоплении свободных зарядов на границах раздела фаз в многокомпонентных диэлектриках (слоистые диэлектрики и диэлектрики-статистические смеси) ввиду различной электропроводности фаз. Миграционная поляризация слоистых диэлектриков (гетинакс, текстолит и др.) называется межслойной.

Резонансная поляризация – возникает при совпадении собственных частот колебаний молекул, атомов, валентных электронов диэлектрика с частотой приложенного электрического поля в области СВЧ и оптических частот.

Токи в диэлектрике

Полный ток J, протекающий через конденсатор, между обкладками которого находится диэлектрик, определяется как:

 

J =Jc+ Jабс+ Jск, (1.9)

 

где Jc емкостной ток, обусловлен смещением сильно связанных зарядов в процессе электронной и ионной поляризаций;

- Jабсток абсорбции, обусловлен смещением слабо связанных зарядов в процессах релаксационных видов поляризации;

- Jск – ток сквозной проводимости, обусловлен движением свободных зарядов в диэлектрике под действием электрического поля.

 

Диэлектрические потери

 

Диэлектрические потери – часть энергии приложенного электрического поля, которая поглощается в диэлектрике. Эта энергия превращается в тепло и нагревает диэлектрик.

Релаксационные виды поляризации сопровождаются нагревом диэлектрика, то есть сопровождаются потерями энергии электрического поля. Упругие виды поляризации не вызывают потерь энергии электрического поля в диэлектрике.

В диэлектриках возникают следующие виды диэлектрических потерь.

Потери на электропроводность – обусловлены током сквозной проводимости, имеют место во всех реальных диэлектриках, в постоянном и переменном электрических полях.

Релаксационные потери – обусловлены релаксационными видами поляризации. Возникают в полярных диэлектриках молекулярного строения, в полярных и неполярных полимерах, в аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой ионов ионных диэлектриках. Имеют место в переменных электрических полях.

Ионизационные потери – обусловлены потерями энергии электрического поля на ионизацию газообразных диэлектриков и газовых включений в жидких и твердых диэлектриках.

Потери на неоднородность структуры – обусловлены миграционной поляризацией.

Резонансные потери обусловлены резонансной поляризацией.