6.2 Физические основы емкостных измерительных устройств, основанных на модуляции диэлектрических свойств веществ

В основе механизма чувствительности ИП, принцип работы которых основан на модуляции диэлектрической проницаемости среды, лежит управление характером межатомных и межмолекулярных взаимодействий в веществе. В связи с этим важным является вопрос анализа строения материалов, видов связи и механизмов их поляризации вещества во внешнем электрическом поле.

6.2.1 Строение материалов

Поляризация вещества характеризует объемную плотность дипольных моментов в материале:

, ; (6.7)

где: - дипольный момент двух зарядов;

q – величина электрического заряда;

l – расстояние между зарядами;

V – объём диэлектрика.

В полярных диэлектриках центры распределения положительных и отрицательных зарядов при отсутствии внешнего электрического поля не совпадают, так как молекулы имеют дипольные моменты.

В неполярных диэлектриках центры зарядов совпадают, но в электрическом поле происходит их разделение. В результате этого появляются дипольные моменты.

В полярных диэлектриках диполи располагаются хаотически, поэтому может быть . Под действием электрического поля напряжённостью Е происходит поляризация вещества (Р), которая характеризуетсядиэлектрической восприимчивостью ():

. (6.8)

В результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляется электрический заряд. Плотность заряда на поверхности диэлектрика () определяет степень его поляризации:

, , (6.9)

, . (6.10)

Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость () характеризует степень ослабления электрического поля в веществе в результате его поляризации за счет создания внутренней, встречно направленной напряженности электрического поля.

В реальных веществах существуют оба механизма поляризации, выраженные в большей или меньшей степени и обусловленные как смещением свободных носителей заряда в объеме диэлектрика, так и упругой деформацией, поворотом диполей в электрическом поле.

6.2.2 Виды связей и механизмы поляризации диэлектриков

К основным видам связей между атомами и молекулами в диэлектриках относятся:

• ковалентная;

• ионная;

• донорно-акцепторная;

• металлическая;

• молекулярная.

Они определяют соответствующие механизмы поляризации диэлектриков.

Электронный механизм поляризации возникает за счёт смещения и деформации электронных оболочек атомов. Время установления . Электронная поляризация характерна для всех диэлектриков.

Ионный механизм поляризации. Ионная поляризация характерна для твёрдых тел с ионным строением и обусловлена упругим смещением ионов на малые расстояния. С повышением температуры величина поляризации возрастает.

Дипольно-релаксационный механизм поляризации отличается тем, что молекулы находятся в хаотическом движении и частично ориентируются по полю. С увеличением температуры молекул связи ослабевают, электрическая проницаемость увеличивается. При этом увеличивается хаотизация движения молекул, следовательно, уменьшается ориентирующее действие поля. В переменном электрическом поле возникают дополнительные потери энергии на релаксацию. С увеличением частоты поля электрическая проницаемость существенно снижается. Поэтому зависимость диэлектрической проницаемости от частоты внешнего электрического поля определяет комплексный характер диэлектрической проницаемости вещества. После снятия электрического поля происходит их постепенная разориентация, характеризуемая постоянной времени релаксации.

Ионно-релаксационный механизм поляризации. В ионных диэлектриках слабо связаны ионы вещества. При хаотических колебаниях ионы смещаются в направлении поля. А после снятия поля постепенно возвращаются к центрам равновесия.

Электронно-релаксационный механизм поляризации возникает за счёт постепенного смещения избыточных, дефектных электронов в результате возбуждения их тепловым полем.

Резонансная поляризация обусловлена определенной ориентацией колеблющихся диполей и сопровождается аномальным поглощением на определенных частотах энергии внешнего поля.

Рис. 6.7 Зависимость диэлектрической проницаемости вещества от частоты электромагнитного излучения.

График зависимости диэлектрической проницаемости вещества от частоты изменения электрического поля показывает, что при приближении к резонансной частоте диэлектрическая проницаемость вещества () резко возрастает, а затем уменьшается до минимального значения.

Миграционная поляризация проявляется в твёрдых телах неоднородной структуры и характерна для низких частот.

Самопроизвольная поляризация. Данный механизм поляризации характерен для сегнетоэлектриков. Чем больше диэлектрическая проницаемость вещества (), тем выше будет нелинейность функции измерительного преобразования. При достижениитемпературы Кюри происходит скачкообразное изменение диэлектрических свойств материалы, сопровождающееся располяризацией сегнетоэлектрика.

Механизмы поляризации и виды связей обуславливают наличие аномалий (нелинейной) частотной зависимости диэлектрической проницаемости вещества, обусловленные избирательным (резонансным) поглощением энергии при определенных частотах изменения внешних воздействий.

Рис. 6.8 Гипотетическая (нелинейная) зависимость диэлектрической проницаемости материала от частоты поля.

В связи с этим, материалы по отношению к частоте изменения внешнего электрического поля подразделяются на линейные диэлектрики, для которых диэлектрическая проницаемость слабо зависит от частоты изменения электрического поля и нелинейные диэлектрики, для которых график зависимости имеет более сложный вид.

Для реальных материалов может в большей или меньшей степени быть выражена нелинейность свойств не только по отношению к частоте изменения внешнего воздействия, но и к величине этого воздействия. Например, у линейных диэлектриков с безинерционным механизмом поляризации не зависит от напряженности электрического поля. Для линейных диэлектриков с инерционным механизмом поляризации площадь эллипса зависимостипропорциональна количеству энергии, рассеиваемой за один период изменения напряженности электрического поля (потери энергии обусловлены наличием релаксационных процессов в материале диэлектрика). Для нелинейных диэлектриков эллипс вырождается в петлю гистерезиса, а зависимостьот напряженности поля имеет сложный двугорбый вид.

Рис. 6.9 Разновидности петли гистерезиса для линейных и нелинейных диэлектриков.