Лекция №19
- Природа электропроводности газообразных, жидких и твердых диэлектриков
Диэлектрическая проницаемость
Относительная диэлектрическая проницаемость, или диэлектрическая проницаемость ε - один из важнейших макроскопических электрических параметров диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость ε количественно характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле, а также оценивает степень его полярности; ε является константой диэлектрического материала при данной температуре и частоте электрического напряжения и показывает, во сколько раз заряд конденсатора с диэлектриком больше заряда конденсатора тех же размеров с вакуумом.
Диэлектрическая проницаемость определяет величину электрической емкости изделия (конденсатора, изоляции кабеля и т.п.). Для плоского конденсатора электрическая емкость С, Ф, выражается формулой (1)
где S- площадь измерительного электрода, м 2 ; h - толщина диэлектрика, м. Из формулы (1) видно, что чем больше величина ε используемого диэлектрика, тем больше электрическая емкость конденсатора при тех же габаритах. В свою очередь, электрическая емкость С является коэффициентом пропорциональности между поверхностным зарядом QК, накопленным конденсатором, и приложенным к нему электрическим на-
пряжением U (2):
Из формулы (2) следует, что электрический заряд QК, накопленный конденсатором, пропорционален величине ε диэлектрика. Зная QК игеометрические размеры конденсатора, можно определить ε диэлектрического материала для данного напряжения.
Рассмотрим механизм образования заряда QК на электродах конденсатора с диэлектриком и из каких составляющих складывается этот заряд. Для этого возьмем два плоских конденсатора одинаковых геометрических размеров: один - с вакуумом, другой - с межэлектродным пространством, заполненным диэлектриком, и подадим на них одинаковое электрическое напряжение U (рис. 1). На электродах первого конденсатора образуется заряд Q0 , на электродах второго - QК . В свою очередь, заряд QК является суммой зарядов Q0 и Q (3):
Заряд Q 0 образован внешним полем Е0 путем накопления на электродах конденсатора сторонних зарядов с поверхностной плотностью σ 0 . Q - это дополнительный заряд на электродах конденсатора, создаваемый источником электрического напряжения для компенсации связанных зарядов, образовавшихся на поверхности диэлектрика.
В равномерно поляризованном диэлектрике заряд Q соответствует величине поверхностной плотности связанных зарядов σ. Заряд σ образует поле Е сз, направленное противоположно полю Е О.
Диэлектрическую проницаемость рассматриваемого диэлектрика можно представить как отношение заряда QК конденсатора, заполненного диэлектриком, к заряду Q0 такого же конденсатора с вакуумом (3):
Из формулы (3) следует, что диэлектрическая проницаемость ε - величина безразмерная, и у любого диэлектрика она больше единицы; в случае вакуума ε = 1. Из рассмотренного примера также
видно, что плотность заряда на электродах конденсатора с диэлектриком в ε раз больше плотности заряда на электродах конденсатора с вакуумом, а напряженности при одинаковых напряжениях для обо
их конденсаторов одинаковы и зависят только от величины напряжения U и расстояния между электродами (Е = U /h).
Кроме относительной диэлектрической проницаемости ε различают абсолютную диэлектрическую проницаемость ε а , Ф/м, (4)
которая не имеет физического смысла и используется в электротехнике.
Относительное изменение диэлектрической проницаемости εr при повышении температуры на 1 К называется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости.
ТКε = 1/ εr d εr/dT К-1 Для воздуха при 20°С ТК εr = -2.10-6К-
Электрическое старение в сегнетоэлектриках выражается в уменьшении εr со временем. Причиной является перегруппировка доменов.
Особенно резкое изменение диэлектрической проницаемости со временем наблюдается при температурах, близких к точке Кюри. Нагревание сегнетоэлектриков до температуры более точки Кюри и последующее охлаждение возвращает εr к прежнему значению. Такое же восстановление диэлектрической проницаемости можно осуществить, воздействуя на сегнетоэлектрик электрическим полем повышенной напряженности.
Для сложных диэлектриков – механической смеси двух компонентов с разным εr в первом приближении: εrх = θ1 · εr1х ·θ· εr2х,где θ – обьемная концентрация компонентов смеси, εr - относительная диэлектрическая проницаемость компонента смеси.
Поляризация диэлектрика может быть вызвана: механическими нагрузками (пьезополяризация в пьезоэлектриках); нагревом (пирополяризация в пироэлектриках); светом (фотополяризация).
Поляризованное состояние диэлектрика в электрическом поле Е характеризуется электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р, Кл/м2, которая связана с его относительной диэлектрической проницаемостью eг: Р = e0 (eг - 1)Е, где e0 = 8,85∙10-12 Ф/м. Произведение e0∙eг =e, Ф/м, называют абсолютной диэлектрической проницаемостью. В газообразных диэлектриках eг мало отличается от 1,0, в неполярных жидких и твердых достигает 1,5 - 3,0, в полярных имеет большие значения; в ионных кристаллах eг - 5-МО, а в имеющих перовскитовую кристаллическую решетку достигает 200; в сегнетоэлектриках eг - 103 и больше.
В неполярных диэлектриках с ростом температуры eг незначительно уменьшается, в полярных изменения связаны с преобладанием того или иного вида поляризации, в ионных кристаллах увеличивается, в некоторых сегнетоэлектриках при температуре Кюри достигает 104 и больше. Температурные изменения eг характеризуют температурным коэффициентом. Для полярных диэлектриков характерным является уменьшение eг в области частот, где время т на поляризацию соизмеримо с Т/2.
Похожая информация.
Знаете ли Вы,
что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.
Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.
Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").
Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.
Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.
Как известно, окружающий нас воздух представляет собой комбинацию нескольких газов, поэтому является хорошим диэлектриком. В частности, благодаря этому во многих случаях удается избежать необходимости организации дополнительных изолирующих слоев какого-либо материала вокруг проводника. Сегодня мы поговорим о том, проницаемость воздуха. Но сначала, пожалуй, начнем с определения того, что именно понимают под термином «диэлектрик».
Все вещества в зависимости от способности проводить электрический ток условно подразделяются на три больших группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Первые оказывают минимальное сопротивление направленному прохождению по ним заряженных частиц. Самая большая их группа - это металлы (алюминий, медь, железо). Вторые проводят ток при определенных условиях (кремний, германий). Ну а третьих настолько велико, что ток по ним не проходит. Яркий пример - воздух.
Что же происходит, когда вещество попадает в зону действия электрического поля? Для проводников ответ очевиден - возникает электрический ток (разумеется, при наличии замкнутого контура, обеспечивающего «путь» для частиц). Так происходит благодаря тому, что изменяется способ взаимодействия зарядов. Совершенно другие процессы происходят при воздействии поля на диэлектрический материал. При изучении взаимодействия частиц, обладающих было замечено, что сила взаимодействия зависит не только от численного значения заряда, но и от среды, разделяющей их. Это важная характеристика получила название «диэлектрическая проницаемость вещества». Фактически, она представляет собой поправочный коэффициент, так как не имеет размерности. Определяется как отношение значения силы взаимодействия в вакууме к значению в какой-либо среде. Физический смысл термина «диэлектрическая проницаемость» следующий: данная величина показывает степень ослабления электрического поля диэлектрическим материалом по сравнению с вакуумом. Причина данного явления кроется в том, что молекулы материала затрачивают энергию поля не на проводимость частиц, а на поляризацию.
Известно, что воздуха равна единице. Много это или мало? Давайте разберемся. Сейчас нет необходимости самостоятельно рассчитывать числовое значение проницаемости для большинства распространенных веществ, так как все эти данные приводятся в соответствующих таблицах. Кстати, именно из подобной таблицы взято равное единице. Диэлектрическая проницаемость воздуха почти в 8 раз меньше, чем у, например, гетинакса. Зная это число, а также значение зарядов и расстояние между ними, можно вычислить силу их взаимодействия, при условии разделения воздушной средой или пластиной гетинакса.
Формула для силы следующая:
F = (Q1*Q2) / (4* 3.1416* E0*Es*(r*r)),
где Q1 и Q2 - значения зарядов; E0 - проницаемость в вакууме (константа, равная 8.86 в степени -12); Es - диэлектрическая проницаемость воздуха («1» или значение для любого другого вещества, по таблице); r - расстояние между зарядами. Все размерности берутся в соответствии с системой СИ.
Не следует путать два разных понятия - «магнитная проницаемость воздуха» и его же диэлектрическая проницаемость. Магнитная является еще одной характеристикой любого вещества, также представляющей собой коэффициент, однако его смысл другой - взаимосвязь и значения в определенном веществе. В формулах используется эталонный показатель - магнитная проницаемость для чистого вакуума. Как первое, так и второе понятия используются для выполнения расчетов различных электротехнических устройств.
Относи́тельная диэлектри́ческая проница́емость среды ε - безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды). Величина ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим диполем. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.
Практическое применение
Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов . Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.
Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат . Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивление проводников на плате.
Зависимость от частоты
Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость в значительной степени зависит от частоты электромагнитного поля. Это следует всегда учитывать, поскольку таблицы справочников обычно содержат данные для статического поля или малых частот вплоть до нескольких единиц кГц без указания данного факта. В то же время существуют и оптические методы получения относительной диэлектрической проницаемости по коэффициенту преломления при помощи эллипсометров и рефрактометров. Полученное оптическим методом (частота 10 14 Гц) значение будет значительно отличаться от данных в таблицах.
Рассмотрим, например, случай воды. В случае статического поля (частота равна нулю), относительная диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях приблизительно равна 80. Это имеет место вплоть до инфракрасных частот. Начиная примерно с 2 ГГц ε r начинает падать. В оптическом диапазоне ε r составляет приблизительно 1,8. Это вполне соответствует факту, что в оптическом диапазоне показатель преломления воды равен 1,33. В узком диапазоне частот, называемом оптическим, диэлектрическое поглощение падает до нуля, что собственно и обеспечивает человеку механизм зрения в земной атмосфере, насыщенной водяным паром. С дальнейшим ростом частоты свойства среды вновь меняются.
Значения диэлектрической проницаемости для некоторых веществ
| Вещество | Химическая формула | Условия измерения | Характерное значение ε r |
|---|---|---|---|
| Алюминий | Al | 1 кГц | -1300 + 1,3Шаблон:Ei |
| Серебро | Ag | 1 кГц | -85 + 8Шаблон:Ei |
| Вакуум | - | - | 1 |
| Воздух | - | Нормальные условия , 0,9 МГц | 1,00058986 ± 0,00000050 |
| Углекислый газ | CO 2 | Нормальные условия | 1,0009 |
| Тефлон | - | - | 2,1 |
| Нейлон | - | - | 3,2 |
| Полиэтилен | [-СН 2 -СН 2 -] n | - | 2,25 |
| Полистирол | [-СН 2 -С(С 6 Н 5)Н-] n | - | 2,4-2,7 |
| Каучук | - | - | 2,4 |
| Битум | - | - | 2,5-3,0 |
| Сероуглерод | CS 2 | - | 2,6 |
| Парафин | С 18 Н 38 − С 35 Н 72 | - | 2,0-3,0 |
| Бумага | - | - | 2,0-3,5 |
| Электроактивные полимеры | − | − | 2-12 |
| Эбонит | (C 6 H 9 S) 2 | − | 2,5-3,0 |
| Плексиглас (оргстекло) | - | - | 3,5 |
| Кварц | SiO 2 | - | 3,5-4,5 |
| Диоксид кремния | SiO 2 | − | 3,9 |
| Бакелит | - | - | 4,5 |
| Бетон | − | − | 4,5 |
| Фарфор | − | − | 4,5-4,7 |
| Стекло | − | − | 4,7 (3,7-10) |
| Стеклотекстолит FR-4 | - | - | 4,5-5,2 |
| Гетинакс | - | - | 5-6 |
| Слюда | - | - | 7,5 |
| Резина | − | − | 7 |
| Поликор | 98 % Al 2 O 3 | - | 9,7 |
| Алмаз | − | − | 5,5-10 |
| Поваренная соль | NaCl | − | 3-15 |
| Графит | C | − | 10-15 |
| Керамика | − | − | 10-20 |
| Кремний | Si | − | 11.68 |
| Бор | B | − | 2.01 |
| Аммиак | NH 3 | 20 °C | 17 |
| 0 °C | 20 | ||
| −40 °C | 22 | ||
| −80 °C | 26 | ||
| Спирт этиловый | C 2 H 5 OH или CH 3 -CH 2 -OH | − | 27 |
| Метанол | CH 3 OH | − | 30 |
| Этиленгликоль | HO-CH 2 -CH 2 -OH | − | 37 |
| Фурфурол | C 5 H 4 O 2 | − | 42 |
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, величина ε, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрического поля напряжённостью Е. Диэлектрическая проницаемость входит в Кулона закон как величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Ослабление взаимодействия происходит вследствие экранирования свободных зарядов связанными, образующимися в результате поляризации среды. Связанные заряды возникают вследствие микроскопического пространственного перераспределения зарядов (электронов, ионов) в электрически нейтральной в целом среде.
Связь между векторами поляризации Р, напряжённости электрического поля Е и электрической индукции D в изотропной среде в системе единиц СИ имеет вид:
где ε 0 - электрическая постоянная. Величина диэлектрической проницаемости ε зависит от структуры и химического состава вещества, а также от давления, температуры и других внешних условий (табл.).
Для газов её величина близка к 1, для жидкостей и твёрдых тел изменяется от нескольких единиц до нескольких десятков, у сегнетоэлектриков может достигать 10 4 . Такой разброс значений ε обусловлен различными механизмами поляризации, имеющими место в разных диэлектриках.
Классическая микроскопическая теория приводит к приближённому выражению для диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков:
где n i - концентрация i-го сорта атомов, ионов или молекул, α i - их поляризуемость, β i - так называемый фактор внутреннего поля, обусловленный особенностями структуры кристалла или вещества. Для большинства диэлектриков с диэлектрической проницаемостью, лежащей в пределах 2-8, β = 1/3. Обычно диэлектрическая проницаемость практически не зависит от величины приложенного электрического поля вплоть до электрического пробоя диэлектрика. Высокие значения ε некоторых оксидов металлов и других соединений обусловлены особенностями их структуры, допускающей под действием поля Е коллективное смещение подрешёток положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях и образование значительных связанных зарядов на границе кристалла.
Процесс поляризации диэлектрика при наложении электрического поля развивается не мгновенно, а в течение некоторого времени τ (времени релаксации). Если поле Е изменяется во времени t по гармоническому закону с частотой ω, то поляризация диэлектрика не успевает следовать за ним и между колебаниями Р и Е появляется разность фаз δ. При описании колебаний Р и Е методом комплексных амплитуд диэлектрическую проницаемость представляют комплексной величиной:
ε = ε’ + iε",
причём ε’ и ε" зависят от ω и τ, а отношение ε"/ε’ = tg δ определяет диэлектрические потери в среде. Сдвиг фаз δ зависит от соотношения τ и периода поля Т = 2π/ω. При τ << Т (ω<< 1/τ, низкие частоты) направление Р изменяется практически одновременно с Е, т. е. δ → 0 (механизм поляризации «включён»). Соответствующее значение ε’ обозначают ε (0) . При τ >> Т (высокие частоты) поляризация не успевает за изменением Ε, δ → π и ε’ в этом случае обозначают ε (∞) (механизм поляризации «отключён»). Очевидно, что ε (0) > ε (∞) , и в переменных полях диэлектрическая проницаемость оказывается функцией ω. Вблизи ω = l/τ происходит изменение ε’ от ε (0) до ε (∞) (область дисперсии), а зависимость tgδ(ω) проходит через максимум.
Характер зависимостей ε’(ω) и tgδ(ω) в области дисперсии определяется механизмом поляризации. В случае ионной и электронной поляризаций при упругом смещении связанных зарядов изменение Р(t) при ступенчатом включении поля Е имеет характер затухающих колебаний и зависимости ε’(ω) и tgδ(ω) называются резонансными. В случае ориентационной поляризации установление Р(t) носит экспоненциальный характер, а зависимости ε’(ω) и tgδ(ω) называются релаксационными.
Методы измерения диэлектрической поляризации основаны на явлениях взаимодействия электромагнитного поля с электрическими дипольными моментами частиц вещества и различны для разных частот. В основе большинства методов при ω ≤ 10 8 Гц лежит процесс зарядки и разрядки измерительного конденсатора, заполненного исследуемым диэлектриком. При более высоких частотах используются волноводные, резонансные, мультичастотные и другие методы.
В некоторых диэлектриках, например сегнетоэлектриках, пропорциональная зависимость между Р и Ε [Ρ = ε 0 (ε ‒ 1)Е] и, следовательно, между D и Е нарушается уже в обычных, достигаемых на практике электрических полях. Формально это описывается как зависимость ε(Ε) ≠ const. В этом случае важной электрической характеристикой диэлектрика является дифференциальная диэлектрическая проницаемость:
В нелинейных диэлектриках величину ε диф измеряют обычно в слабых переменных полях при одновременном наложении сильного постоянного поля, а переменную составляющую ε диф, называют реверсивной диэлектрической проницаемостью.
Лит. смотри при ст. Диэлектрики.
