2.1. Диэлектрики

Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

Любой диэлектрик, помещенный в электрическое поле, можно рассматривать как конденсатор определённой ёмкости.

Заряд конденсатора равен

Q = CU,

где C – ёмкость конденсатора; U – напряжение, приложенное к диэлектрику.

Одной из важнейших характеристик диэлектрика, является относительная диэлектрическая проницаемость e:

e = Q / Q_о = (Q_о + Q_д) / Q_о = 1 + Q_д / Q_о,

где Q_о – заряд конденсатора, если бы его пластины разделял вакуум;

Q_д – дополнительный заряд, обусловленный поляризацией.

Из этого выражения следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума.

Основные виды поляризации. Все виды поляризации можно разбить на две группы:

– упругие (быстрые, мгновенные), совершающиеся в диэлектрике без рассеяния энергии, то есть без выделения тепла;

– неупругие (медленные), сопровождаемые рассеянием энергии в диэлектрике, то есть нагреванием. Их ещё называют релаксационными поляризациями.

Поляризаций без потерь всего два вида:

– электронная;

– ионная.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов.

Ионная поляризация возникает в кристаллических диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов, имеющих плотную упаковку. Сущность её заключается в смещении ионов электрическим полем: положительных – в сторону отрицательного электрода, отрицательных – в сторону положительного электрода.

Релаксационных поляризаций в диэлектриках несколько типов:

– дипольная;

– ионно-релаксационная;

– миграционная;

– спонтанная (самопроизвольная) и др.

У некоторых молекул из-за несимметричной структуры не совпадают центры положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы называются диполями. Если диполи поместить во внешнее поле, то они начинают ориентироваться по полю, что приводить к дипольной поляризации диэлектрика.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в некоторых твёрдых неорганических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (например, в неорганических стеклах). Она заключается в переброске электрическим полем слабосвязанных ионов (ионов примесей) в ходе тепловых колебаний из положений временного закрепления в новое положение.

Миграционная поляризация наблюдается в неоднородной, в частности слоистой изоляции, состоящей из диэлектриков с различными значениями электрических параметров (диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости γ). Например, в случае с двухслойной изоляцией на границе между диэлектриками из-за разной плотности тока слоев будет накапливаться заряд. Этот процесс закончится, когда плотности тока слоев станут равны. Обычно он продолжается 1-3 минуты и приводит к новому распределению напряжения между слоями и увеличению диэлектрической проницаемости ε. В переменном поле в изоляции будет всё время наблюдаться ток добавочной миграционной поляризации и добавочные потери в диэлектрике.

Самопроизвольная поляризация характерна для сегнетоэлектриков, имеющих целые области (домены), обладающие поляризацией в отсутствие внешнего поля. В электрическом поле домены начинают ориентироваться по полю, это даёт эффект очень сильной поляризации.

Все диэлектрики по виду поляризации можно подразделить на следующие основные группы:

1. Неполярные или слабополярные.

2. Полярные.

3. Твёрдые неорганические диэлектрики:

а) с плотной упаковкой ионов; б) с неплотной упаковкой ионов.

4. Сегнетоэлектрики.

5. Слоистые диэлектрики.

ЛЕКЦИЯ №3

Диэлектрическая проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость газов. Газообразные вещества имеют малые плотности вследствие больших расстояний между молекулами, поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице (ε ≈ 1,00007 – 1,0014). У газов могут быть только два вида поляризации: электронная и дипольная. Однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация. А для неполярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость примерно равна ε ≈ n², где n – показатель преломления света в диэлектрике.

Диэлектрическая проницаемость газа зависит от температуры, для характеристики этой зависимости введен температурный коэффициент диэлектрической проницаемости:

.

Температурный коэффициент для газов отрицателен.

Диэлектрическая проницаемость газов не зависит от частоты, так как электронная поляризация успевает за любой частотой.

Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков. Жидкие диэлектрики бывают:

– неполярные;

– полярные.

В жидких неполярных диэлектриках только один вид поляризации – это электронная поляризация. Значения диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелики и близки к значению квадрата показателя преломления света ε ≈ n², обычно она не превышает ε ≤ 2,5.

При нагревании из-за расширения диэлектрика диэлектрическая проницаемость уменьшается, это связано с уменьшением числа молекул в единице объема, поэтому ≈ –β, где β – температурный коэффициент объемного расширения жидкости. Затем, при дальнейшем увеличении температуры до кипения, ε падает примерно до ε ≈ 1.

Диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты, так как электронная поляризация успевает за любой частотой.

В жидких полярных диэлектриках два вида поляризации (электронная и дипольная), поэтому для них ε > n² и превышает ε > 3,5. У сильно полярных жидкостей значение диэлектрической проницаемости очень высоко: у воды ε ≈ 81, у спирта ε = 33.

Температура на дипольную поляризацию действует двояко:

– за счет уменьшения вязкости жидкости и ослабления связей между молекулами ориентация диполей облегчается;

– за счет усиления хаотического движения молекул ориентация затрудняется.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости полярной жидкости обычно имеет максимум (рис. 1,а). Сначала решающее значение имеет первый фактор, а после температуры t₁ – второй.

Частота влияет на диэлектрическую проницаемость полярного жидкого диэлектрика (рис. 1,б). При низких частотах диполи успевают за частотой, а при большой частоте диэлектрическая проницаемость уменьшается до значения, обусловленного электронной поляризацией ε ≈ n².

a) б)

Рис. 1. Зависимости диэлектрической проницаемости полярного

жидкого диэлектрика: а) от температуры; б) от частоты

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков. В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации.

В неполярных твердых диэлектриках может быть только электронная поляризация. Диэлектрическая проницаемость ε ≈ n². При нагревании из-за расширения твердого диэлектрика диэлектрическая проницаемость уменьшается. Диэлектрическая проницаемость твердых неполярных диэлектриков как и у жидких диэлектриков не зависит от частоты.

Для полярных твердых диэлектриков характерны те же закономерности, что и для полярных жидких. У них диэлектрическая проницаемость

ε > n², однако среди них нет таких сильно полярных диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью, как вода и спирт. Диэлектрическая проницаемость их обычно лежит в диапазоне ε =3 – 7. Влияние температуры и частоты на полярный диэлектрик такое же, как и на полярную жидкость (рис. 1).

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой ионов, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диапазон изменения диэлектрической проницаемости значительно шире, чем электронная. Поэтому диэлектрическая проницаемость ε > n². Например, для каменной соли n² = 2,37, а ε = 6; у рутила n² = 7,3, а ε = 110. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов не зависит от частоты, так как время установления ионной поляризации порядка 10^-13 секунд, и она успевает за частотой до 10¹² – 10¹³ Гц. Для большинства ионных кристаллов диэлектрическая проницаемость ε с увеличением температуры увеличивается. Это вызвано тепловым расширением кристаллов и ослаблением связей между ионами и потому к увеличению их смещения. Исключением являются кристаллы, содержащие ионы титана. У них с увеличением температуры ε уменьшается.

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой ионов, в которой наблюдается, помимо электронной и ионной, так же и ионно-релаксационная поляризация, характеризуются в большинстве случаев сравнительно невысоким значением диэлектрической проницаемости. К ним относятся фарфор: ε ≈ 6 – 7, неорганические стекла

ε ≈ 4 – 20. Есть и исключения, например минерал перовскит, у которого

ε = 160, используемый для получения керамических конденсаторов с большой удельной емкостью. Большинство таких диэлектриков имеет большой положительный температурный коэффициент. У некоторых материалов влияние температуры аналогично их влиянию на дипольную поляризацию, однако на практике это значительно менее выражено.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика в основном определяется доменной (самопроизвольной) поляризацией и сильно зависит от напряженности поля и температуры. Доменная поляризация наблюдается при разных частотах вплоть до сверхвысоких радиочастот, лишь за тем начинает не успевать за частотой. С увеличением температуры ослабевают силы, препятствующие ориентации доменов по полю, поэтому диэлектрическая проницаемость увеличивается. При некоторых температурах происходят структурные изменения, так называемые фазовые переходы. При благоприятной температуре наблюдается максимум доменной поляризации и соответственно относительной диэлектрической проницаемости (рис.2). Эта температура называется (точкой) температурой Кюри. При превышении температуры Кюри диэлектрическая проницаемость ε резко падает за счет исчезновения доменной поляризации.

Рис.2. Зависимость ε = f(t) для сегнетоэлектрика

Зависимости диэлектрической проницаемости слоистого диэлектрика от температуры и частоты сильно зависят от состава. Обычно они очень сложны, общих закономерностей у них нет, поэтому их лучше определять экспериментально.