Особливості спонтанної поляризації та її залежність від температури та частоти.
В нелінійних діелектриках (сегнетоелектрики, п’єзоелектрики, піроелектрики) до певної температури крім наведених видів поляризації спостерігається спонтанна (самодовільна) поляризація, яка виникає внаслідок міжчастинкової (міжіонної, міждипольної) взаємодії при відсутності електричного поля. Наявність її - наслідок особливої нецентросиметричної мікроструктури цих діелектриків, названих сегнетоелектриками.
Частотний діапазон проявлення спонтанної поляризації приблизно відповідає частотному діапазону іонно-релаксаційної поляризації.
Іонно-релаксаційна поляризація зумовлюється непружним зміщенням слабо зв’язаних іонів в іонних діелектриках з нещільною кристалічною решіткою або в аморфних іонних діелектриках. Час встановлення цього механізму поляризації залежить від температури та особливостей структури діелектрика та складає при кімнатних температурах 10-4…10-10 с, проявляється вона до 1010 Гц.
Із зростанням температури сили зв’язку молекул послабляються, що сприяє поляризації речовини: відносна діелектрична проникність речовини збільшується. Однак при подальшому підвищенні температури енергія теплового (хаотичного) руху молекул послаблює орієнтуючу дію електричного поля, в результаті чого відносна діелектрична проникність, що визначається ступенем орієнтації полярних молекул в речовині, зменшується, і в цілому відносна діелектрична проникність проходить через максимум.
Аналогічна картина характерна і для спонтанної поляризації, зумовленої орієнтацією самочинно поляризованих мікрообластей діелектрика - доменів. Різниця полягає у тому, що спонтанна поляризація спостерігається в обмеженому діапазоні температур. При переході через верхню межу цього діапазону спостерігається швидке гіперболічне зниження r, викликане руйнуванням спонтанної поляризації та переходом її до іонно- чи дипольно-релаксаційної, залежно від типу сегнетоелектрика.
Залежність діелектричної проникності діелектриків з різною структурою від температури та частоти.
Відносна діелектрична проникність за визначенням є відношенням абсолютної діелектричної проникності діелектрика до електричної сталої (абсолютної діелектричної проникності вакууму) 0 = 8.8510-12 Ф/м. Вона ха-рактеризує реакцію діелектрика на дію електричного поля і його здатність поляризуватися.
Реакцію діелектрика на зміну температури прийнято характеризувати температурним коефіцієнтом діелектричної проникності ТК - котрий в загальному вигляді визначається рівнянням
ТК = [ (T2) - ε (T1 )] /[ε (Tс)(T2 – T1)] , Tс = (T2 + T1)/2
За звичайних для експлуатації діелектричних матеріалів значень температури теплова енергія, яку передає діелектрику зовнішнє середовище, недостатня для переходу електрона на вищий дискретний енергетичний рівень в атомі, іоні чи молекулі. Тому для електронної поляризації поляризованість зв’язаного заряду зумовлена пружною деформацією електронних оболонок і наведений електричний момент не залежить від температури. Але завдяки тепловому розширенню при підвищенні температури кількість частинок, які поляризуються в одиниці об’єму, буде зменшуватись і r при електронній поляризації з ростом температури буде знижуватись приблизно за лінійним законом.
У випадку іонної поляризації поляризовність іонних молекул чи зміщення пружно зв'язаних протилежно заряджених іонів в кристалічній гратці зростають в результаті розширення нагрітого тіла та посилення коливань вузлів кристалічної гратки. Цей ефект виявляється значнішим, ніж зменшення концентрації частинок у результаті теплового розширення і відносна діелектрична проникність з ростом температури збільшується. Температурний коефіцієнт відносної діелектричної проникності у цьому випадку позитивний та постійний у широкому діапазоні температур.
Час встановлення електронної поляризації дуже малий - близько 10-15 с. Тому вона проявляється на всіх частотах, аж до 1014…1015 Гц.
Іонний механізм поляризації характерний для діелектриків з іонною будовою. Час встановлення іонної поляризації - порядку 10-13 с, частотний діапазон – до 1013 Гц.
При релаксаційній поляризації діелектрична проникність плавно зменшується до чергового стабільного рівня (нормальна дисперсія діелектричної проникності). Області нормальної дисперсії відповідають частоти електромагнітних коливань з півперіодом порядку постійної часу релаксаційної поляризації = 0 exp(W/kT). Область дисперсії зміщується в область вищих частот при підвищенні температури.
Електронно-релаксаційна поляризація, яка зустрічається рідко, пов'язана з непружним зміщенням слабо зв'язаних електронів або дірок, а в деяких іонних діелектриках - певного виду структурних дефектів. Час встановлення такої поляризації 10-2…10-7 с, частотний діапазон існування до 107 Гц.
Іонно-релаксаційна поляризація зумовлюється непружним зміщенням слабо зв’язаних іонів в іонних діелектриках з нещільною кристалічною решіткою або в аморфних іонних діелектриках. Час встановлення цього механізму поляризації залежить від температури та особливостей структури діелектрика та складає при кімнатних температурах 10-4…10-10 с, проявляється вона до 1010 Гц.
Дипольно-релаксаційна поляризація характерна для діелектриків з іонно-ковалентним зв'язком, що мають молекули з електричним моментом, відмінним від нуля, та зв'язана з їх непружною орієнтацією. Час встановлення дипольно-релаксаційної поляризації для полярних діелектриків знаходиться у межах 10-4 … 10-8 с, частотний діапазон – 104 - 108 Гц.
Діелектрична проникність сумішей двох або більшого числа діелектриків, які не утворюють один з одним хімічні сполуки.
1.9. Диэлектрическая проницаемость смесей
На практике часто используются неоднородные композиционные диэлектрики, представляющие собой смеси двух или более различных веществ-компонентов смеси. К таким материалам относятся многие пластические массы, состоящие из связующего и наполнителей, керамические, волокнистые, пропитанные и непропитанные пористые материалы и т.п.
Для расчета эффективной ε* смеси положим, что отдельные компоненты не вступают друг с другом в химические реакции, т. е. смесь чисто физическая. Будем считать, что плоский конденсатор состоит из параллельно или последовательно соединенных однородных диэлектриков, как показано на рис. 1.8.
|
рис. 1.8 |
Обозначая через y1 и y2 доли объемного содержания (объемные концентрации) первого и второго компонента для рассмотренного случая будем иметь для параллельного соединения
ε* = ε1 • y1 + ε2 • y2 (1.16)
для последовательного соединения
ε* = ε1 • ε2 / (ε1 • y2 + ε2 • y1) (1.17)