4.3 Классификация диэлектриков по виду поляризации
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 Диэлектрическая проницаемость
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.
fКР = 1 ∕ (2π ∙ τ0) = kT ∕ (8π ∙ η ∙ r3), (4.6)
где η – динамическая вязкость диэлектрика;
r – радиус молекулы (шар условно).