Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и частоты

Влияние температуры на величину диэлектрической проницаемости оценивают температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости:

Этот коэффициент равен относительному изменению диэлектрической проница­емости при увеличении температуры на 1 °С.

У неполярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость слабо уменьшает­ся с ростом температуры (рис. 1.29, кривая 1), так как уменьшается плотность диэлектрика, а следовательно, количество поляризуемых частиц. Величина a_ε от­рицательна, примерно равна коэффициенту линейного расширения диэлектрика и составляет около —100*10^-6 1/К.

У полярных диэлектриков зависимость ε от температуры имеет характерный мак­симум (рис. 1.29, кривая 2). В области низких температур повышение температу­ры ведет к ослаблению межмолекулярных сил, что облегчает поворот диполей под действием сил поля. В области высоких температур ε уменьшается из-за воз­растания беспорядочных тепловых колебаний. В ионных кристаллах с плотной упаковкой наряду с уменьшением плотности вещества наблюдается возрастание поляризуемости ионов вследствие ослабления упругих связей между ними при тепловом расширении, поэтому диэлектрическая проницаемость с ростом тем­пературы возрастает (a_ε = + 100-10^-61/К). У некоторых кристаллов, содержащих ион титана (рутил ТiO₂, перовскит СаТiO₃), преобладает электронная поляриза­ция, поэтому с ростом температуры диэлектрическая проницаемость уменьша­ется (a_ε = —1500*10^-6 1/К для перовскита, a_ε = -750*10^-6 1/К для рутила). Эти диэлектрики применяют в термокомпенсирующих конденсаторах.

В ионных кристаллах с неплотной упаковкой с увеличением температуры воз­растает число слабо связанных ионов, поэтому диэлектрическая проницаемость возрастет. Температурный коэффициент таких диэлектриков достигает величи­ны + 100*10^-6 1/К.

Наиболее сильная зависимость от температуры наблюдается у сегнетоэлектриков (рис. 1.30), у которых увеличение температуры приводит к ослаблению сил, пре­пятствующих ориентации доменов. Поэтому поляризованность доменов с ростом температуры возрастает, что ведет к увеличению диэлектрической проницаемос­ти. Рост диэлектрической проницаемости происходит до температуры Т_к, назы­ваемой температурой Кюри. За пределами этой температуры происходит распад доменных структур и резкое уменьшение диэлектрической проницаемости.

Частотная зависимость проницаемости обусловлена инерционностью процессов по­ляризации. У неполярных диэлектриков, характеризующихся электронной поляри­зацией, процесс образования упругих диполей протекает практически мгновенно, поэтому диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты (рис. 1.31, кривая 1).

У полярных диэлектриков в области низких частот вплоть до частоты/! твердые диполи успевают поворачиваться за половину периода колебаний, поэтому ди­электрическая проницаемость не зависит от частоты (рис. 1.31, кривая 2). На час­тотах выше f, диполи не успевают следовать за изменениями электрического поля, вследствие чего снижается интенсивность дипольной поляризации и резко уменьшается диэлектрическая проницаемость. На частотах выше/₂ процесс ди­польной поляризации полностью отсутствует и сохраняется только электронная поляризация.