Поляризація діелектричних матеріалів та їх діелектрична проникність (стр. 2 из 3)

Вказує, як зміниться відносна діелектрична проникність при зміні температури на 1[К].

Залежність діелектричної проникності від тиску характеризується виразом:

при малих приростах р можлива формула:

Висновок: діелектрична проникність дозволяє виконати кількісну оцінку властивостей різних типів діелектричних матеріалів

Основні види поляризації діелектриків

Існує два основних види поляризації:

1. Поляризація під дією електричного поля – практично миттєва, пружна, без розсіювання енергії та без виділення тепла. До цього виду поляризації відносяться електронна та іонна поляризації.

2. Поляризація, яка здійснюється не миттєво, а з повільним нарощуванням та спадом, що супроводжується розсіюванням енергії в діелектрику, а відповідно з його нагрівом. Такий вид поляризації називається релаксаційною поляризацією.

Особливим механізмом володіє резонансна поляризація, яка виникає в діелектриках на високих частотах.

Різні види поляризації зручно розглядати на еквівалентній схемі.

Рис.1

Ємність конденсатору з діелектриком та накопичений в ньому електричний заряд обумовлюється сумарною дією різних видів поляризації.

1. Q₀ , C₀ – відповідає власному полю електродів, якщо між ними вакуум.

2. Q_е, C_е – відповідає електронній поляризації.

Електронна поляризація – це пружне зміщення та деформація електронних оболонок атомів та іонів. Час встановлення дуже малий і складає ≈ 10 ^–15 [с]. Електронна поляризація спостерігається у всіх діелектриках і не пов’язана з втратами енергії.

3. Q_i , C_i– відповідає іонній поляризації. Характерна для твердих матеріалів з іонною будовою та обумовлена зміщенням пружно зв’язаних іонів. Час встановлення ≈ 10 ^–13 [с].

4.

– відповідає дипольно-релаксаційній поляризації. Скорочено називають дипольною. Дипольні матеріали, які заходяться в хаотичному тепловому русі, орієнтуються під дією поля, що і стає причиною поляризації.

Поворот диполів в напрямку поля у в’язкому середовищі потребує подолання деякого опору, а тому виникають втрати енергії. На еквівалентній схемі це відображено активним опором

.

Проміжок часу, за який відновлюється орієнтація диполів за рахунок теплового руху в 2,7 рази відносно початкового стану, називають “часом релаксації”.

Дипольна поляризація притаманна полярним газам і рідинам, а також деяким твердим матеріалам. Прикладом є целюлоза.

5.

– відповідає іонно-релаксаційній поляризації. Слабо зв’язані іони речовини під впливом зовнішнього електричного поля зміщуються в напрямку поля. Після зняття дії електричного поля дія іонно-релаксаційної поляризації поступово зменшується за експоненціальним законом. Відбувається в неорганічному склі та в деяких іонних кристалічних неорганічних речовинах.

6.

– відповідає електронно-релаксаційній поляризації. Виникає внаслідок збудження тепловою енергією надлишкових (дефектних) електронів або дірок. Характерна для діелектриків з великим внутрішнім полем та електронною електропровідністю. Прикладом є діоксид титана забруднений домішками Са (кальцію) та Ва (барію).

7.

– відповідає міграційній поляризації. Це додатковий механізм поляризації. Виникає в твердих матеріалах з неоднорідною структурою при макроскопічних неоднорідностях та наявності домішок.

8. Rіз – відповідає опору ізоляції скрізному струму через діелектрик.

Висновок

В одному й тому ж матеріалі діелектрика при різних умовах (температура, частота) може виникати різна поляризація, що необхідно враховувати при виборі діелектрика для конкретних умов застосування.

Класифікація діелектриків за видом поляризації

За видом поляризації всі діелектрики поділяються на чотири групи:

1. Діелектрикив яких спостерігається, електронна поляризація – це неполярні, або слабо полярні гази, рідини, або тверді матеріали (парафін, сірка, полістирол, бензол, водень).

2. Діелектрики в яких спостерігається, як електронна так і дипольно-релаксаційна поляризація. До них відносяться полярні (дипольні) органічні напіврідинні та тверді матеріали (епоксидні смоли, целюлоза, масляно-каніфольні компаунди).

3. Тверді неорганічні діелектрики з електронною, іонною та іонно-електронно-релаксаційною поляризацією. До цієї групи відносять кристалічні матеріали – кварц, слюда, кам’яна сіль, а також матеріали з скловидною фазою – неорганічне скло, фарфор.

4. Сегнетоелектрики, які мають спонтанну електронну, іонну або іонно-електронно-релаксаційну поляризацію (сегнетова сіль, титан барію).

Діелектрична проникність різних типів матеріалів

Діелектрична проникність газу

Газоподібні речовини мають малу щільність тому, що відстань між молекулами велика, а тому діелектрична проникність всіх газів мала і близька до одиниці.

Поляризація газу може бути електронною або дипольною, якщо молекули газу полярні. Але, навіть для полярних газів основною є електронна поляризація.

Показник заломлення та діелектрична проникність деяких газів

ГАЗ	РадіусМолекули (нм)	Показник заломлення n	Діелектрична проникність	n2
Гелій (Не)	0,112	1,000035	1,000072	1,000070
Водень (Н)	0,135	1,00014	1,00027	1,00028
Кисень (О)	0,182	1,00027	1,00055	1,00054
Аргон (Ar)	0,183	1,000275	1,00056	1,00055
Азот (N)	0,191	1,00030	1,00060	1,00060
Вуглекислий газ	0,230	1,00050	1,00096	1,00100

З таблиці видно, що діелектрична проникність газу тим вище, чим більше радіус молекули.

Показник заломлення це є відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення.

– показник заломлення світла при переході з першого середовища в друге

Зміна кількості молекул в одиниці об’єму газу n₀ при зміні температури та тиску приводить до зміни діелектричної проникності газу. Число молекул в одиниці об’єму прямо пропорційно тиску та зворотно-пропорційно абсолютній температурі.

Висновок: чим більше Т, тим менше

; чим більше р, тим більше , оскільки число молекул в одиниці об’єму газу n_o n_o=p/(kT).

Діелектрична проникність рідинних діелектриків

Рідинні діелектрики можуть бути побудовані з неполярних молекул або з полярних (дипольних). Значення діелектричної проникності неполярної рідини невелика та близька до значення квадрату показника заломлення світла.

²

Залежність діелектричної проникності неполярної рідини від температури пов’язана з зменшенням кількості молекул в одиниці об’єму (теплове розширення діелектрика).

Значення діелектричної проникності неполярної рідини не перевищує 2,5.

Поляризації рідини з дипольними молекулами

Визначається одночасно електронною та дипольною поляризаціями.

Температурна залежність діелектричної проникності полярної рідини більш складна, ніж неполярної та має вигляд: