4.2. Явление диэлектрической поляризации

Помещение диэлектрика во внешнее электрическое поле E₀ вы­зывает его поляризацию, т.е. появление анизотропии в распределе­нии электрических зарядов в объеме. Два основных эффекта ответственны за появление диэлектрической поляризации. Во-первых, упругая поляризация: смещение электронов и ионов в направлении электрического поля или против него (электронная и ионная поляризации). Время установления этих видов поляризации 10^-14 – 10^-15 с и 10^-12 – 10^-13 с, соответственно.

Во-вторых, ориентирование дипольных осей преимущественно вдоль электрического поля в той мере, в какой это допускается тепловым движением (дипольная поляризация).

Поляризация, зависящая от теплового движения, состоит из тепловой ионной поляризации и тепловой ориентационной поляризации. Тепловая ионная поляризация связана с тепловым движением отдельных ионов внутри диэлектрика. Тепловая ориентационная поляризация обусловлена ориентацией полярных молекул или групп атомов, обладающих постоянным дипольным моментом, по направлению ориентирующего поля в той мере, в какой эта ориентация допускается тепловым движением.

Время установления ориентационной поляризации зависит от химического строения молекул, морфологии материала и температуры.

Поляризация диэлектрика, определяемая его строением и таки­ми молекулярными характеристиками, как поляризуемость α и дипольный момент μ молекул, связана с макроскопической измеряемой величиной диэлектрической проницаемости ε' универсальным соотношением [21]:

Если электрическое поле переменно, то между его напряженностью E и индукцией D имеется сдвиг фаз, характеризуемый углом δ.

D^* = ε^*E^* ,

где ε^* = D_o/E_oe ^–jδ — комплексная диэлектрическая проницаемость, записываемая в виде: ε^*= ε’ – jε".

Мнимая часть ε” входит в выражение для энергии рассеивания в диэлектрике и обычно называется фактором диэлектрических потерь. Вещественная часть ε’ называется диэлектрической проницаемостью вещества. Тогда тангенс угла диэлектрических потерь определяется соотношением: tg δ = ε”/ε’.

Если тепловая ориентационная поляризация первоначально равна нулю и если постоянное поле приложено в момент времени t=0, то ионная поляризация достигнет своей конечной величины экспоненциально с постоянной времени τ. Величина τ называется макроскопическим временем релаксации.

В переменном электрическом поле частоты f (круговая частота ω=2πf), E=E_oexp(jωt), ионная поляризация P оказывается синусоидальной функцией времени:

P^*₌ E_o e ^jωτ

ε₀ — статическая диэлектрическая проницаемость, соответствующая частоте ω→ 0.

В статическом поле дипольные потери отсутствуют, т.е. если ω→0 и ε’→ε_o, то ε”→0.

ε_∞ — значение диэлектрической проницаемости, соответствующей частоте ω→ ¥ ( инфракрасная область спектра), т.е. ε_∞ ≈ n² (n — показатель преломления).

Исходя из общей теории линейного отклика диэлектрика на внешнее поле, Дебаем получена частотная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости e^* для системы с одним временем релаксации:

ε^*(ω) =

Комплексную величину ε^* можно представить в виде ε^* = ε’ - jε”, где

ε’(ω) = ε_∞+ ,

ε^’’(ω)=( ) ;

Зависимости фактора диэлектрических потерь ε” и тангенса потерь tg δ = ε”/ε’ проходят через свои максимумы при частотах ω=1/τ и ω= , соответственно, и характеризуют диэлектрическую дисперсию. Диэлектрическая дисперсия — явление, которое возникает в веществе, содержащем полярные молекулы, и его природа была впервые описана Дебаем [22].

Диэлектрическая дисперсия протекает в определенной частотной области, где диэлектрическая проницаемость ε’ падает с повышением частоты. Это явление происходит из-за того, что дипольная поляризация не успевает достичь равновесия в переменном поляризующем поле. Изменение ε’ и ε” с частотой показано на рис. 4.1.

Рис.4.1. Схематическое изображение зависимостей ε’ и ε” от частоты электрического поля.

Диэлектрические потери достигают своего максимума ε”= при частоте ω=1/τ, и падают до половины своей максимальной величины при ωτ= = 0,27 или 3,73. Таким образом, диэлектрические потери перекрывают изменение частоты более чем в 10 раз.

В большинстве случаев для полимеров значение близко к единице. Поэтому, практически не внося погреш­ности, макроскопическое τ можно оценить по формуле ω=1/τ, определив положение максимума диэлектрических потерь на зависимостях tgδ(T) или ε"(f), f — частота внешнего электрического поля.

Диэлектрическая релаксация в твердых полимерах.

В твердом полимере обычно имеется несколько отчетливых релаксационных процессов, которые диэлектрически активны, если связаны со значительной ориентацией молекулярных диполей. Множественность релаксационных процессов отчетливо проявляется при температурной зависимости диэлектрических потерь, измеренных при фиксированной частоте. При повышении температуры постепенно активизируются различные типы молекулярных движений и связанных с ними диполей.

Рис. Схематическая кривая температурной зависимости диэлектрических потерь.