2.2.2. Относительная диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика показыва­ет, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если вместо вакуу­ма между электродами поместить данный диэлектрик.

Относительная диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков с электронной поляризацией (нейтральные диэлектрики) ε=1,9...3 и обуслов­лена малым смещением электрических зарядов. Так как электронная поля­ризация мгновенна, то диэлектрическая проницаемость не зависит от часто­ты приложенного поля даже до СВЧ.

С увеличением температуры уменьшается плотность материала, сле­довательно, уменьшается количество зарядов в единице объема, прини­мающих участие в поляризации, что приводит к уменьшению ε.

У диэлектриков с ионной поляризацией диэлектрическая проницаемость

ε = 3-20. Большее значение ε объясняется наличием как ионной, так и элек­тронной поляризацией, а также большим смещением электрических заря­дов (ионов). У этих диэлектриков ε также не зависит от частоты поля до СВЧ, так как поляризация мгновенна.

У диэлектриков ионной структуры с увеличением температуры умень­шается плотность вещества, что приводит к уменьшению ε, но в то же время с увеличением температуры увеличивается подвижность ионов, что приво­дит к увеличению ε. Характер зависимости ε = f(t) определяется тем, какой фактор действует сильнее. У большинства диэлектриков с ионной поляри­зацией с ростом температуры ε возрастает.

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков с дипольной поляризацией (полярные диэлектрики) ε = 4-6 до 80. Так как этот вид поляризации носит замедленный характер, то е в значительной степени зависит от частоты при­ложенного поля и температуры. В быстропеременных полях диполи не успе­вают ориентироваться по отношению к электрическому полю, уменьшается амплитуда их ориентационного движения и снижается диэлектрическая про­ницаемость. При низкой температуре, когда подвижность молекул и их от­дельных частей мала, а силы молекулярного взаимодействия велики, дипо­ли слабо ориентируются под действием электрического поля и диэлектри­ческая проницаемость диэлектрика уменьшается. С ростом температуры увеличивается подвижность частиц, уменьшается энергия взаимодействия между ними и облегчается их ориентация, ε растет до некоторой температу­ры. При дальнейшем нагреве кинетическая энергия теплового движения ча­стиц настолько возрастает, что разрушает ориентацию, следовательно, ε начинает уменьшаться.

Для всех видов поляризаций с потерями общий вид изменения ε от темпера­туры и частоты имеет такой же характер, как и для дипольной поляризации.

Существенное влияние на величину ε оказывает увлажнение диэлектри­ков. Так как вода имеет ε = 80, то увлажнение подавляющего большинства диэлектриков ведет к повышению ε.

2.2.3. Диэлектрические потери

Механизм поглощения энергии и величина мощности диэлектрических потерь зависят от характера электрического поля и свойств материала. В основном электрическая энергия рассеивается вследствие электропровод­ности диэлектриков и релаксационных потерь, возникающих в процессе поляризации диэлектриков.

В постоянном электрическом поле потери обусловлены током проводи­мости:

P = U∙I_np , (2.1)

где U - постоянное напряжение, приложенное к диэлектрику; I_пр - ток про­водимости, протекающий по диэлектрику.

Так как ток проводимости в применяемых диэлектриках мал, то и вели­чина рассеиваемой мощности на постоянном токе мала.

Для расчета мощности потерь в переменных полях можно заменить ре­альный конденсатор с потерями последовательной или параллельной экви­валентной схемой, состоящей из идеальных емкости и сопротивления.

На рис.2.1 представлена последовательная схема замещения диэлектри­ка с потерями и ее векторная диаграмма. Для последовательного соедине­ния параметров r и С_r активная мощность

(2.2)

а) б)

Рис. 2.1. Последовательная схема замещения диэлектрика с потерями (а) и ее векторная диаграмма (б)

Для применяемых диэлектриков угол δ мал, поэтому tgδ « 1. Тогда

P_a=U²ωC_rtgδ, (2.3)

где

t или tgδ = rωC_r . (2.4)

Из формулы (2.3) видно, что мощность потерь при данном напряжении и частоте зависит от угла диэлектрических потерь δ.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол φ сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. На практике чаще используется не δ, а его функция tgδ или добротность

Потери в твердых диэлектриках из-за разнообразия состава и строения вещества имеют сложный характер, т.е. в них возможны все виды диэлект­рических потерь.

Твердые диэлектрики можно подразделить на 4 группы: молекулярной, ионной, неоднородной структур и сегнетоэлектрики.

Ряд чистых диэлектриков молекулярной структуры с неполярными мо­лекулами (сера, парафин, полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и другие) имеет малые значения tgδ и в широком диапазоне частот tgδ ≤ 0,001. Эти диэлектрики могут быть использованы на высоких частотах.

Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами на ос­нове целлюлозы (бумага, картон и пр.), полярные полимеры (полиметилме-такрилат), полиамиды (капрон и др.), каучуковые материалы (эбонит), фе-нолформальдегидные смола (бакелит и др.) и ряд других материалов обла­дают большими потерями, особенно на радиочастотах, из-за дипольно-ре-лаксационной поляризации. Значения tgδ этих материалов сложным обра-

зом зависят от температуры. При некоторой температуре обнаруживается максимум и минимум потерь, объясняемые увеличением потерь от элект­ропроводности.

В чистых диэлектриках (без примесей) ионной структуры с плотной упа­ковкой ионов (кристаллические неорганические соединения - корунд, камен­ная соль и др.) диэлектрические потери весьма малы. С ростом температуры tgδ растет из-за увеличения потерь на электропроводность. С увеличением примесей tgδ значительно возрастает.

Диэлектрики кристаллической структуры с неплотной упаковкой ионов (муллит, входящий в состав изоляторного фарфора, и др.) из-за релаксаци­онной поляризации имеют повышенные диэлектрические потери.

Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры (не­органические стекла) связаны с поляризацией и электропроводностью, вве­дение в состав стекла щелочных окислов (Na₂0, К₂0) при отсутствии окис­лов тяжелых металлов (РЬ₂О_э, ВаО) вызывает значительное повышение диэ­лектрических потерь.

Диэлектрические потери сегнетоэлектриков выше, чем обычных диэлек­триков, они характеризуются самопроизвольной поляризацией, которая имеет резко выраженную зависимость от температуры.

При температурах выше точки Кюри сегнетоэлектрические свойства те­ряются, а самопроизвольная поляризация исчезает. Потери резко падают после точки Кюри.

Диэлектрические потери в твердых материалах неоднородной структуры (керамика) зависят от характера и количественного соотношения кристал­лической и стекловидной фаз. Потери в керамике могут оказаться повышен­ными, если в изделии образуются полупроводящие включения с электрон­ной электропроводностью (из-за адсорбированной влаги при наличии от­крытой пористости).