4. Диэлектрическая проницаемость и поляризуемость полимеров

4.1. Диэлектрическая проницаемость[20]

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков определяет их способ­ность повышать емкость конденсатора, т. е. увеличивать заряд на пластинах конденсатора при заданной разности потенциалов. Диэлектрическая проницаемость (ε') равна отно­шению емкости С конденсатора, между пластинами которого помещен диэлектрик, к емкости С_о того же конденсатора с вакуумированным пространством между пластинами ε'=С/С_о Увеличение емкости конденсатора при заполнении его диэлектриком связано с диэлектрической поляризацией, т. е. образованием в единице объема диэлектрика под действием внешнего электрического поля электрического (дипольного) момента, направлен­ного вдоль поля. Электрический момент единицы объема равен геометрической сумме моментов диполей, которые содержатся в этом объеме. Различают деформационную и тепловую поляризации.

Деформационная поляризация воз­никает вследствие квазиупругого смещения под дейст­вием электрического поля положительных и отрицательных зарядов атома или молекулы (поляризация электрон­ного или ионного смещения). Деформационная поля­ризация характерна как для полярных, так и для неполярных диэлектриков, не зависит от интенсивности теплового движения и характеризуется наименьшим временем установления (10^-14–10^-12). Это основной вид поляризации в неполярных диэлектриках.

Тепловая поляризация (ионная или дипольная) происходит вследствие движения слабо связанных ионов внутри диэлектрика в направлении внешнего поля или ориентации постоянных диполей в электрическом поле. Этот вид поляризации имеет релак­сационный характер, т. к. устанавливается в процессе теплового движения частиц диэлектрика за счет энергии теплового движения. Тепловая дипольная поляризация характерна для полярных полимеров, молекулы которых содержат группы атомов с постоянным (перманентным) дипольным моментом. Скорость установления дипольной поляризации в полимерах определяется временем релаксации τ, которое в среднем требуется диполю для поворота под действием внешнего поля. Значение τ за­висит от строения полимера и температуры. Диэлектрическая проницаемость связана с суммой электрических моментов, возникающих в полимере вслед­ствие деформационной и тепловой поляризаций. При воздействии периодическим полем в за­висимости от соотношения циклической частоты внешнего поля ω и времени релаксации τ диэлектрическая проницаемость меняется от ε_∞ (при ωτ >>1) до ε₀ (при ωτ <<1). ε_∞ —  диэлектрическая проницаемость в поле предель­но высоких радиочастот, ε₀ — диэлектрическая проницаемость, характерная для низкочастотных или постоянных полей (так называемая ста­тическая диэлектрическая проницаемость). При ωτ ≈ 1 диэлектрическая проницаемость заметно зависит от частоты и температуры и наблюдается значительное погло­щение энергии поля, превращающейся в тепло.

В этом случае для описания диэлектрической проницаемости вводится обобщенная диэлектрическая проницаемость ε = ε' - iε'', где I — мнимая единица, ε' характеризует величину диэлектрической проницаемости, а ε'' характеризует поглощение энергии в диэлектрике.

Влияние строения полимера на диэлектрическую проницаемость в основном определяется значением дипольного момента отдельного звена макромолекулы и числом полярных групп в единице объема. Также значение диэлектрической проницаемости зависит от присутствия в полимере воды. Измерения диэлектрической проницаемости основаны на сравнении электрической емкости воздушного конденсатора и конденсатора, заполненного испытуемым диэлектриком, в электрическом поле данной частоты, причем в эксперименте наблюдается зависимость величины обобщенной диэлектрической проницаемости от температуры.