Учебно-методический комплекс по дисциплине «электротехнические материалы»

Контрольные вопросы
1. Что такое поляризация?
2. Какие виды есть поляризации.
Литература
1. Богородицкий Н.П., Посынков В.В., Фареев Б.М. Электротехническиематериалы. Л. Энергоатомиздат, 1985.
2. Kаmolоv Sh.M., Аxmеdоv А.Sh. Elеktrоtеxnikа mаtеriаllаri. O’qituvchi, Tоshkеnt. 1994.
3. Kаmolоv Sh.M., Аxmеdоv А.Sh. Dielеktriklаr. O’qituvchi, Tоshkеnt. 1990.
4. Казанцев А.П. Электротехнические материалы. – Минск. Дизайн ПРО,
1998


Тема №3.Электропроводимость диэлектриков
План занятия
1. Диэлектрическая проницаемость газов
2. Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков
3. Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков
Опорные слова и термины
Диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент, электронная поляризация, сегнетоэлектрики, слоистые диэлектрики
Диэлектрическая проницаемость газов. Газообразные вещества имеют малые плотности вследствие больших расстояний между молекулами, поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице (ε ≈ 1,00007 – 1,0014). У газов могут быть только два вида поляризации: электронная и дипольная. Однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация. А для неполярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость примерно равна ε ≈ n², где n – показатель преломления света в диэлектрике.
Диэлектрическая проницаемость газа зависит от температуры, для характеристики этой зависимости введен температурный коэффициент диэлектрической проницаемости:
.
Температурный коэффициент для газов отрицателен.
Диэлектрическая проницаемость газов не зависит от частоты, так как электронная поляризация успевает за любой частотой.
Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков. Жидкие диэлектрики бывают:
– неполярные;
– полярные.
В жидких неполярных диэлектриках только один вид поляризации – это электронная поляризация. Значения диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелики и близки к значению квадрата показателя преломления света ε ≈ n², обычно она не превышает ε ≤ 2,5.
При нагревании из-за расширения диэлектрика диэлектрическая проницаемость уменьшается, это связано с уменьшением числа молекул в единице объема, поэтому ≈ –β, где β – температурный коэффициент объемного расширения жидкости. Затем, при дальнейшем увеличении температуры до кипения, ε падает примерно до ε ≈ 1.
Диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты, так как электронная поляризация успевает за любой частотой.
В жидких полярных диэлектриках два вида поляризации (электронная и дипольная), поэтому для них ε > n² и превышает ε > 3,5. У сильно полярных жидкостей значение диэлектрической проницаемости очень высоко: у воды ε ≈ 81, у спирта ε = 33.
Температура на дипольную поляризацию действует двояко:
– за счет уменьшения вязкости жидкости и ослабления связей между молекулами ориентация диполей облегчается;
– за счет усиления хаотического движения молекул ориентация затрудняется.
Температурная зависимость диэлектрической проницаемости полярной жидкости обычно имеет максимум (рис. 1,а). Сначала решающее значение имеет первый фактор, а после температуры t₁ – второй.
Частота влияет на диэлектрическую проницаемость полярного жидкого диэлектрика (рис. 1,б). При низких частотах диполи успевают за частотой, а при большой частоте диэлектрическая проницаемость уменьшается до значения, обусловленного электронной поляризацией ε ≈ n².

a) б)
Рис. 1. Зависимости диэлектрической проницаемости полярного жидкого диэлектрика: а) от температуры; б) от частоты
Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков. В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации.
В неполярных твердых диэлектриках может быть только электронная поляризация. Диэлектрическая проницаемость ε ≈ n². При нагревании из-за расширения твердого диэлектрика диэлектрическая проницаемость уменьшается. Диэлектрическая проницаемость твердых неполярных диэлектриков как и у жидких диэлектриков не зависит от частоты.
Для полярных твердых диэлектриков характерны те же закономерности, что и для полярных жидких. У них диэлектрическая проницаемость ε > n², однако среди них нет таких сильно полярных диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью, как вода и спирт. Диэлектрическая проницаемость их обычно лежит в диапазоне ε =3 – 7. Влияние температуры и частоты на полярный диэлектрик такое же, как и на полярную жидкость (рис. 1).
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой ионов, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диапазон изменения диэлектрической проницаемости значительно шире, чем электронная. Поэтому диэлектрическая проницаемость ε > n². Например, для каменной соли n² = 2,37, а ε = 6; у рутила n² = 7,3, а ε = 110. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов не зависит от частоты, так как время установления ионной поляризации порядка 10^-13 секунд, и она успевает за частотой до 10¹² – 10¹³ Гц.
Для большинства ионных кристаллов диэлектрическая проницаемость ε с увеличением температуры увеличивается. Это вызвано тепловым расширением кристаллов и ослаблением связей между ионами и потому к увеличению их смещения. Исключением являются кристаллы, содержащие ионы титана. У них с увеличением температуры ε уменьшается.
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой ионов, в которой наблюдается, помимо электронной и ионной, так же и ионно-релаксационная поляризация, характеризуются в большинстве случаев сравнительно невысоким значением диэлектрической проницаемости. К ним относятся фарфор: ε ≈ 6 – 7, неорганические стекла ε ≈ 4 – 20. Есть и исключения, например минерал перовскит, у которого ε = 160, используемый для получения керамических конденсаторов с большой удельной емкостью. Большинство таких диэлектриков имеет большой положительный температурный коэффициент. У некоторых материалов влияние температуры аналогично их влиянию на дипольную поляризацию, однако на практике это значительно менее выражено.
Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика в основном определяется доменной (самопроизвольной) поляризацией и сильно зависит от напряженности поля и температуры. Доменная поляризация наблюдается при разных частотах вплоть до сверхвысоких радиочастот, лишь за тем начинает не успевать за частотой. С увеличением температуры ослабевают силы, препятствующие ориентации доменов по полю, поэтому диэлектрическая проницаемость увеличивается. При некоторых температурах происходят структурные изменения, так называемые фазовые переходы. При благоприятной температуре наблюдается максимум доменной поляризации и соответственно относительной диэлектрической проницаемости (рис.2). Эта температура называется (точкой) температурой Кюри. При превышении температуры Кюри диэлектрическая проницаемость ε резко падает за счет исчезновения доменной поляризации.

Рис.2. Зависимость ε = f(t) для сегнетоэлектрика
Зависимости диэлектрической проницаемости слоистого диэлектрика от температуры и частоты сильно зависят от состава. Обычно они очень сложны, общих закономерностей у них нет, поэтому их лучше определять экспериментально.