3. Классификация диэлектриков по видам поляризации

Все диэлектрики по видам поляризации подразделяются на несколько групп.

Первая группа – диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол, полиэтилен и др.), а также неполярные и слабополярные жидкости (бензол и др.) и газы (азот, водород и др).

Вторая группа – диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризацией – это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества: маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и др.

Третья группа – твердые диэлектрики ионной структуры с плотной упаковкой ионов, для которых характерны электронная и ионная поляризации: кварц, слюда, корунд, рутил, каменная соль и др.

Четвертая группа – твердые диэлектрики ионной структуры с неплотной упаковкой ионов с электронной и ионно-релаксаци-онной поляризацией: неорганические стекла, фарфор, микалекс и др.

Пятая группа – сегнетоэлектрики, для которых характерны

спонтанная, электронная, ионная, электронно-релаксационная и ионно-релаксационная поляризация: сегнетова соль, титанат бария и др.

Шестая группа – неоднородные диэлектрики, способные, в зависимости от состава, к разным видам поляризации.

4. Диэлектрическая проницаемость диэлектриков

Так как газы имеют молекулярную структуру, то в них возможна электронная или дипольная поляризации, если молекулы полярны. Но и для полярных газов преимущественное значение имеет электронная поляризация. Газообразные диэлектрики характеризуются весьма малой плотностью вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому поляризация всех газов незначительна, и относительная диэлектрическая проницаемость их близка к единице. Относительная диэлектрическая проницаемость газов тем выше, чем больше радиус молекулы.

Зависимость диэлектрической проницаемости от темпера-туры t и давления P определяется изменением числа молекул в единице объема газа. С увеличением давления возрастает число молекул в единице объема, следовательно, диэлектрическая проницаемость газа увеличится. При повышении температуры, напротив, из-за расширения газа число молекул в единице объема уменьшится, что приведет к снижению диэлектрической проницаемости.

При повышении влажности воздуха при нормальных температуре и давлении относительная диэлектрическая проницаемость незначительно увеличивается. При повышенной температуре это увеличение становится более заметным. Зависимость от температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости:

, К^-1 (8)

Формула дает возможность вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при повышении температуры на один градус.

Диэлектрическая проницаемость жидкостей зависит от их структуры.

Жидкие диэлектрики состоят из неполярных или полярных молекул. Значение относительной диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелико и обычно не превышает значения 2,5. Например, для трансформаторного масла ε_r = 2,1–2,4. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры для неполярной жидкости связана с уменьшением числа молекул в единице объема. От частоты приложенного напряжения для неполярной жидкости ε_r не зависит (рис. 10).

Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, которые используются в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5, что заметно выше, чем у неполярных жидкостей. Это объясняется тем, что в них происходит одновременно электронная и дипольно-релаксационная поляризации.

Сильнополярные жидкости, характеризуются высоким значением ε_r, например, для дистиллированной воды ε_r=80.

Рис. 10. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости неполярных жидких диэлектриков от температуры (а) и частоты электрического поля (б)

Зависимости диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков от температуры и частоты внешнего электрического поля приведены на рис.11.

а) б)

Рис. 11. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости полярных жидких диэлектриков от температуры (а) и частоты электрического поля (б)

С увеличением температуры уменьшается вязкость жидкого диэлектрика, поэтому полярным молекулам проще ориентироваться в направлении внешнего электрического поля, что приводит к увеличению ε_r . Уменьшение ε_r происходит вследствие усиления теплового движения молекул, препятствующего их ориентации в направлении электрического поля.

Значительное влияние на ε_r дипольной жидкости имеет частота. Пока частота мала и диполи успевают следовать за полем, ε_r близка к значению, измеренному при постоянном напряжении. Когда же частота становится настолько большой, что диполи уже не успевают следовать за изменением поля, диэлектрическая проницаемость уменьшается, стремясь к значению, обусловленному электронной поляризацией, т.е. к значению, близкому к единице.

В твердых диэлектриках в зависимости от структуры диэлектрика возможны все виды поляризации. Поэтому ε_r твердых тел может принимать самые различные численные значения. Для твердых неполярных диэлектриков характерны те же зависимости, что и для неполярных жидкостей и газов. На рис. 12 показана температурная зависимость ε_r для парафина. При переходе парафина из твердого состояние в жидкое (температура плавления составляет 54°С) происходит резкое уменьшение ε_r вследствие сильного понижения плотности вещества.

Рис. 12. Зависимость диэлектрической проницаемости

от температуры для неполярного диэлектрика – парафина

Твердые диэлектрики ионной структуры с неплотной упаковкой ионов, в которых наблюдается помимо электронной и ионной, также и ионно-релаксационная поляризация, характеризуются в большинстве случаев большим положительным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости. Примером может служить электротехнический фарфор, ε_r которого в зависимости от температуры приведена на рис. 13.

Рис. 13. Температурная зависимость диэлектрической

проницаемости электротехнического фарфора

Полярные твердые диэлектрики характеризуются дипольно-релаксационной поляризацией. Диэлектрическая проницаемость этих материалов в большой степени зависит от температуры и частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются для полярных жидкостей.