6.2.3 Влияние агрегатного состояния вещества на его диэлектрические свойства

В результате взаимодействия атомов между собой образуются молекулы, макромолекулы, домены и другие типы статических и динамических структур, что обусловливает нелинейную зависимость физических свойств веществ от внешних воздействий. При переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое изменяются его плотность, вязкость, изотропность и другие физико-химические характеристики. Изменение структуры веществ сопровождается изменением также и их диэлектрических свойств. Возникающие при этом нелинейные эффекты могут быть использованы как механизм чувствительности соответствующих типов измерительных преобразователей.

Например, при изменении вязкости и плотности вещества будет изменяться диэлектрическая проницаемость вещества, соответственно, будет изменяться емкость конденсатора, а, соответственно и электрический ток в цепи конденсатора. Достоинством таких измерительных устройств является простота конструкции датчика, высокая чувствительность и быстродействие.

Так как плотность газа невелика (), то незначительными будут и изменения выходного сигнала емкостного датчика, принцип работы которого основан на управлении свойствами диэлектрика.

Для газовых сред механизм поляризации чаще всего электронный или дипольный, поэтому газа возрастает с увеличением диаметра атомов и размеров молекул. Зависимостьот температуры и давления определяется изменением концентрации атомов в среде, т.е. зависит от плотности газа:

; ,. (6.11)

С увеличением давления и уменьшением температуры газообразного диэлектрика емкость конденсатора возрастает. Устройства данного типа применяются для анализа концентрации и состава газовых сред.

Для неполярных жидкостей характерен электронный механизм поляризации, поэтому у них диэлектрическая проницаемость почти такая же, как и для газов (), При этом, зависимостьот температуры аналогична, как и для газов (зависит от). У полярных жидкостей реализуется дипольно-релаксационный механизм поляризации. Поэтому зависимостьот температуры и частоты электрического поля имеет более сложный вид. С увеличением температуры максимум частотной зависимости смещается в сторону высоких температур.

На рисунке представлены температурные зависимости диэлектриков, имеющих ионный (а) и дипольно-релаксационный (б) механизмы поляризации.

Рис. 6.10 Температурные зависимости диэлектриков с ионный (а) и дипольно-релаксационный (б) механизмами поляризации.

Диэлектрическая проницаемость твердых тел принимает различные значения в зависимости от структурных особенностей их строения и имеет наибольший перечень механизмов поляризации.

Диэлектрическая проницаемость у неполярных диэлектриков минимальная (составляет значения 2 - 5) и мало зависит от температуры.

У диэлектриков с ионным механизмом поляризации составляет 5 - 10 и при повышении температуры увеличивается.

У полярных диэлектриков = 30 - 50, сильно зависит от температуры и частоты. При повышении температуры и уменьшении частотыувеличивается.

Диэлектрики со сложным механизмом поляризации имеют , зависящую от состава и структуры среды.

Для расчета диэлектрической проницаемости многокомпонентной среды, например, с параллельным, последовательным и смешанным распределением слоев используют уравнение Лихтенеккера:

, (6.12)

где - объемное содержание отдельных компонентов в смеси.

Рис. 6.11 Варианты расположения слоев в диэлектрике.

При параллельном, последовательном и хаотическом расположении слоев в диэлектрике суммарная диэлектрическая проницаемость материала может быть определена с использованием соответствующих соотношений:

(6.13)