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 ε₀ = 8,854 · 10^–12 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; α – поляризуемость данной частицы (микрообъема), E^'–напряженность локального электрического поля, действующего на частицу (микрообъем).

Поляризуемость α является микроскопической характеристикой поляризации диэлектрика.

Для линейных диэлектриков в области слабых электрических полей:

P = ε₀ (ε – 1)E = ε₀χE, (1.3)

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

Относительная диэлектрическая проницаемость ε 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 C_х – суммарная емкость конденсатора, Ф; C₀– емкость конденсатора с вакуумом между обкладками, Ф; C_d – емкость конденсатора, обусловленная поляризацией диэлектрика, Ф.

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

Связь между ε и α 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 ε при нагревании диэлектрика на один градус, называется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости:

, К⁻¹. (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^–8–10^–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 Т_с в полярных и неполярных полимерах.

Температура стеклования – температура 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 > Т_с 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 =J_c+ J_абс+ J_ск, (1.9)

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

- J_абс – ток абсорбции, обусловлен смещением слабо связанных зарядов в процессах релаксационных видов поляризации;

- J_ск – 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.