1.1. Краткие сведения из теории

Диэлектрические материалы при воздействии на них электрического поля способны поляризоваться, т. е. создавать внутреннее поле. В зависимости от структуры материала эта способность проявляется по-разному. Мерой поляризуемости материала является диэлектрическая проницаемость.

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости С.

Заряд конденсатора

(1.1)

где U – приложенное к конденсатору напряжение.

Заряд диэлектрика с электродами складывается из двух составляющих:

(1.2)

где Q₀ – заряд, который присутствует на электродах, если их разделяет вакуум;

Q_д – заряд, обусловленный поляризацией диэлектрика.

Относительная диэлектрическая проницаемость  определяется отношением заряда Q_д, полученного при некотором напряжении на конденсаторе с данным диэлектриком, к заряду Q₀, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

(1.3)

Выражение (1.3) показывает, что для любого вещества  > 1,  = 1 только в случае вакуума. Для материалов разной структуры  принимает такие значения: для газообразных и неполярных твердых диэлектриков   2,5; для полярных –  > 7; для диэлектриков доменной структуры  равна сотням тысяч.

Образец материала с нанесенными электродами может быть представлен в виде эквивалентной схемы, содержащей идеальный конденсатор и сопротивление. Применяются параллельная и последовательная схемы замещения конденсатора.

Если напряжение и ток синусоидальны, то их соотношения в цепи изображаются векторными диаграммами. Эквивалентные схемы конденсаторов и их векторные диаграммы приведены на рис. 1.1, где – для схемы рис. 1.1, а; – для схемы рис. 1.1, б. Для последовательной эквивалентной схемы а для параллельной – Соотношения между параметрами схем выражаются следующим образом:

(1.4)

(1.5)

Для малых углов значения  и tg  определяются по формулам:

(1.6)

(1.7)

В диэлектриках различают два вида поляризации. К первому виду относится поляризация, совершающаяся в диэлектрике под воздействием электрического поля практически мгновенно без рассеяния энергии, т. е. без выделения тепла. Это ионная, или электронная поляризация. Второй вид поляризации не совершается мгновенно, а нарастает и убывает медленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. его нагреванием. К этому виду относятся электронно-, ионно-, дипольно-релаксационная и спонтанная поляризации.

а
б

Рис. 1.1. Схемы замещения конденсатора: а – параллельная; б – последовательная

Диэлектрическими потерями называют часть энергии электрического поля, рассеиваемой в диэлектрике в единицу времени в виде тепловой энергии. Чаще всего количественно потери оцениваются мощностью или тангенсом угла диэлектрических потерь. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90 угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Чем больше потери энергии, тем больше активная составляющая тока I_а и угол диэлектрических потерь. Чем меньше tg , тем выше качество диэлектрика. В идеальном диэлектрике вектор тока опережает вектор напряжения на 90, а  = 0. Чем меньше tg  и зависимость диэлектрика от частоты, тем при более высоких частотах используется диэлектрик. Наименьшими потерями обладают неполярные твердые и жидкие диэлектрики, а также ионные диэлектрики c плотной упаковкой ионов.

Частотные зависимости  и tg  диэлектриков определяются в основном особенностями их поляризации. Кроме того, на зависимость tg  от частоты оказывает влияние ток сквозной проводимости.

У диэлектриков с электронной поляризацией  практически не зависит от частоты, а tg  зависит лишь от тока сквозной проводимости и с увеличением частоты уменьшается вследствие роста реактивного тока.

У диэлектриков с дипольной поляризацией на частотах, при которых поляризация осуществляется полностью, значение  не меняется. При превышении некоторого граничного значения частоты, соответствующего времени установления поляризации, диполи не успевают следовать за изменениями внешнего поля, и значение  резко падает. Этим объясняется наличие ярко выраженного максимума в частотной зависимости tg .

Неоднородные и многослойные диэлектрики имеют столько максимумов, сколько слоев в их структуре.