Материал: Учебное пособие ЭТМ

χ — электрическая восприимчивость (коэффициент пропорциональности).

Кроме поляризованности и напряженности электрического поля вводят еще одну векторную величину электрическое смещение (электрическую индукцию) D. Это геометрическая сумма напряженности электрического поля в данной точке диэлектрика, умноженного на электрическую постоянную, и вектора поляризованности в той же точке:

В технике, рассматривая способность диэлектриков к поляризации, используют другой безразмерный параметр относительную диэлектрическую проницаемость ε:

Для всякого вещества ε больше 1, лишь для вакуума равно 1. У газов ε близко к единице (εвозд = 1,006), ε жидкостей зависит от их полярности и меняется в пределах от 2 до 10, а у сильно полярных жидкостей может доходить до 20 – 30, ε твердых веществ колеблется от 2 до 105 и более (сегнетокерамика).

Относительная диэлектрическая проницаемость не является постоянной величиной и зависит от многих факторов, основными среди которых является частота электрического поля и температура.

Виды поляризации

В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектрика существуют упругие виды поляризаций, не связанных с тепловым движением, и неупругие виды поляризаций, связанных с тепловым движением атомных частиц. Различают пять основных видов поляризации: электронная, ионная, дипольная, спонтанная и миграционная.

43

Электронная поляризация — упругое смещение электронов в атомах и ионах под действием электрического поля.

Этот вид поляризации присущ абсолютно всем диэлектрикам (таккаку них всех в составе есть электроны) и является единственным видом поляризации для неполярных диэлектриков, у которыхε= 2 – 2,5.

Исключительно электронную поляризацию имеют кислород, водород, азот, многие нефтяные масла и ряд синтетических жидких углеводородов. Из твердых веществ сюда можно отнести: полиэтилен, полипропилен, фторопласт-4 и другие. Время установления этого вида поляризации составляет 10- 16 – 10 - 17 с, поэтому его называют мгновенным. Процесс электронной поляризации не сопровождается потерями энергии на преодоление сил внутреннего трения в веществе.

Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты электрического поля, вплоть до резонансной (1016 – 10 17 Гц) (рис. 4.1, а). При росте температуры величина ε уменьшается из-за уменьшения плотности вещества, для неполярных полимеров наблюдается резкий скачок при температуре плавления (рис. 4.1, б).

Рис. 4.1. Зависимости относительной диэлектрической проницаемости от частоты электрического поля и

температуры для неполярных диэлектриков

Ионная поляризация — процесс смещения ионов в узлах кристаллической решетки диэлектрика с плотной ионной упаковкой

(рис. 4.2).

44

Ионная поляризация также как и электронная не сопровождается потерями энергии в диэлектрике.

Дипольная поляризация (неупругая) обусловлена смещением (ориентацией) полярных молекул и радикалов молекул, имеющих электрические моменты, под действием внешнего электрического поля. Этот вид поляризации относится к замедленным видам или релаксационным и устанавливается за время равное 10- 6 – 10 - 8 с.

Дипольная поляризация сопровождается потерями энергии на преодоление сил внутреннего трения в веществе, в результате этого диэлектрик нагревается.

Примерами веществ с таким типом поляризации являются полярные диэлектрики, например, такие, как касторовое масло, целлюлозные диэлектрики, полиэтилентерефталат (лавсан), поливинилхлорид (ПВХ) и другие с ε = 3,5 – 7. В редких случаях относительная диэлектрическая проницаемость может достигать значений (10 – 20), например, для поливинилиденфторида (фторопласт-2).

Для полярных диэлектриков до частоты равной 106 – 10 8 Гц величина ε практически не меняется, но когда период изменения внешнего электрического поля становится соизмеримым со временем установления дипольной поляризации, диэлектрическая проницаемость уменьшается до значения ε, соответствующего электронной поляризации (рис. 4.3, а). С ростом температуры вязкость вещества падает, следовательно, подвижность диполей, сегментов и радикалов увеличивается и ε возрастает, но при достижении определенной температуры Т*, тепловое движение будет настолько велико, что оно станет мешать ориентации диполей по направлению поля и ε постепенно станет уменьшаться (рис. 4.4, б).

Спонтанная поляризация присуща сегнетоэлектрикам, величина ε, может достигать 10000 и более. С ростом температуры относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков растет вплоть до температуры Кюри (Тк), после достижения, которой ε резко падает.

46