Релаксационной поляризации

К диэлектрикам с дипольной релаксационной поляризацией относятся такие полярные жидкости, как вода, нитробензол, спирт, ацетон, соляная кислота, глицерин и др. Твердые вещества с этим же видом поляризации — целлюлоза и другие материалы на основе древесины, бакелит, синтетические смолы, шелк, органическое стекло, эбонит, канифоль и канифольные компаунды.

В любом диэлектрике с релаксационной поляризацией всегда дополнительно существует хотя бы один вид упругой поляризации. Общая поляризация диэлектрика, представляющая собой средний электрический момент единицы объема, выражается суммой

Экспериментальное исследование частотных зависимостей свойств диэлектриков показало, что у большинства диэлектриков с релаксационной поляризацией максимум фактора потерь значительно меньше Дерел/2, что противоречит годографу на 9-G. Это явление объясняется тем, что ди-

диэлектрика с релаксационной поляризацией па 9-7, прочитанные справа налево, дают температурные характеристики этого типа поляризации, приведенные на 9-9. Единственное отличие от сформулированного выше принципа обращения характеристик состоит в том, что е' с ростом температуры не приходит к насыщению (штрихпунктирная линия на рис, 9-9), а стремится к ем, проходя через максимум при температуре Тъ макс- Такой вид зависимости е' от температуры объясняется тем, что при Т> Т& макс значение Аерел уменьшается с ростом температуры. Зависимость АЕрел от температуры, указанная в п. 3, не была учтена при выводе формулы (9-52).

Таким образом, идеальный диэлектрик с проводящими включениями ведет себя как диэлектрик с релаксационной поляризацией, имеющий одну частоту релаксации со0 == 1/т. Частотные характеристики е^ , е" и tg Scp описываются формулами (9-43) — (9-47) и показаны на 9-7. Видно, что они резко отличаются от частотных характеристик компонентов смеси.

Ионно-релаксационная поляризация. Используемые в технике твердые диэлектрики могут иметь неплотную упаковку объема частицами. В таких материалах образуются ионы, которые в ходе тепловых колебаний перебрасываются из положений временного закрепления на расстояния, соизмеримые с расстояниями между частицами (10~10 м), и закрепляются в новых положениях. В электрическом поле перебросы становятся направленными. В результате в диэлектрике возникает различие в расположении центров положительного и отрицательного зарядов, т. е. появляется электрический момент. Такой процесс называют ионно-релаксационной поляризацией. С ростом температуры число ионов, перебрасываемых в новые положения, увеличивается, поэтому растут поляризованность и диэлектрическая проницаемость. На 5.16 приведена зависимость ег от температуры для натриево-силикатного стекла, в структуре которого имеют место слабосвязанные ионы.

Неорганические диэлектрики аморфной структуры, не содержащие полярных групп. К ним относятся, прежде всего, неорганические стекла, которые. характеризуются ионно-релаксационной поляризацией. Диэлектрическая проницаемость стекол значительно зависит от их химического состава и температуры в пределах е = 3,8 -н 20.

В неполярных жидкостях, так же как и в газах, диэлектрические потери малы и определяются только электропроводностью, если в жидкости нет полярных примесей. В полярных жидких диэлектриках наряду с потерями от электропроводности основное место занимают диэлектрические потери, связанные с ди-польно-релаксационной поляризацией, которые в десятки и сотни раз превосходят потери в . .

составляющих комплексной диэлек-трической проницаемости в'-,, е" и tg о диэлектрика с релаксационной поляризацией (без учета потерь сквозной проводимости)

поляризация, совершаемая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. его нагреванием. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией.

Диэлектрическая проницаемость титаносодержащей керамики с электронно-релаксационной поляризацией в соответствии с теоретическими положениями, уменьшается с возрастанием частоты электри-1;еского поля.

Существует четыре вида упругой поляризации: электронная, атомная, ионная и дипольная. В релаксационной поляризации различают дипольную, ионную и электронную разновидности и выделяют отдельно группу процессов, тесно связанных с электропроводностью и получивших название объемной поляризации.

Наиболее часто встречающимся видом релаксационной поляризации является дипольная поляризация, возникающая в полярных диэлектриках при слабых связях между молекулами. Молекулы полярных диэлектриков обладают собственным электрическим моментом, который не зависит от напряженности внешнего электрического поля. После включения поля наиболее вероятным направлением молекулярных дипольных моментов становится направление вектора напряженности электрического поля. Под действием флуктуации теплового движения большинство дипольных моментов ориентируется в этом направлении. В равновесном состоянии молекулы-диполи не

Процесс установления релаКСаЦИОННОЙ ПОЛЯрИЗаЦИИ В ОТЛИЧие ОТ поляризации упругого типа носит апериодический характер [7], При ступенча-

Помимо рассмотренных видов релаксационной поляризации в твердых диэлектриках часто наблюдается еще одна ее разновидность — объемная поляризация. Под этим термином понимают ряд явлений, сходных между собой в том, что они вызывают поляризацию диэлектрика за счет образования в нем объемных зарядов [11]. Заряды в диэлектрике оказываются смещенными, но не на микрорасстояния, как при прочих видах поляризации, а на макроскопические расстояния. Продвижению свободных зарядов могут мешать дефекты кристаллической решетки, которые способны в некоторых случаях захватывать электроны и ионы.

где аы, арел — поляризуемости диэлектрика при мгновенной и релаксационной поляризации.

Если ввести обозначение ем = 1 + «м. то арел можно рассматривать как прирост диэлектрической проницаемости диэлектрика за счет релаксационной поляризации: Аерел = арел. В этих обозначениях операторная диэлектрическая проницаемость приобретает следующий вид:

Частотные характеристики релаксационной поляризации. На основе аналогии между операторным и символическим методами расчета комплексная диэлектрическая проницаемость находится из операторного выражения (9-41) путем замены величины s на мнимую частоту /со. В таком случае получаем формулу Релея

Одной частотой релаксации обладает малое число материалов. Характерным примером такого материала является лед из дистиллированной . воды при низких температурах. При температуре — 10 °С время релаксации льда т= 0,6-10~4 с; диэлектрическая проницаемость мгновенной поляризации ем = 3,5; прирост проницаемости за счет релаксационной поляризации Дерел = 78. Используя эти исходные данные, можно рассчитать по формулам (9-43) — (9-47) частотные характеристики диэлектрических свойств льда ( 9-7). Частоте релаксации /„ — со„/(2л) = 1/(2лт) = 2,7 кГц соответствует максимальное значение фактора потерь еп = 39. При этой частоте вещественная часть диэлектрической проницаемости е^ = 3,5 + 39 = 42,5. Из формул (9-46) и (9-47) находим, что tg бп. макс = 2,32 при частоте /макс = = 13 кГц. Максимум tg бп всегда сдвинут в область более высоких частот по сравнению с максимумом фактора потерь. Аналогичные частотные характеристики имеют некоторые другие полярные материалы, например метиловый спирт, глицерин при отрицательных температурах и др.

Вид частотных характеристик релаксационной поляризации, показанных на 9-7, физически объясняется уменьшением полупериода напряженности электрического поля по мере увеличения частоты. При низкой частоте полупериод Т/2 велик, релаксационная поляризация успевает полностью развиться, вектор поляризации совпадает по фазе с напряженностью поля и вещественная часть диэлектрической проницаемости наибольшая: еп ~ вм -(- Дерел и tg бп = 0. С ростом частоты поляризация не успевает завершиться за половину периода. Уже при частоте релаксации со„ = 1/т полупериод Т/2 = лт и поляризация заметно отстает по фазе.

При «тренинг всегда имеет место отставание движущейся частицы от той силы, которая вызывает движение. Поэтому в переменном электрическом поле между поляризацией и напряженностью поля возникает разность фаз. Эта разность (раз достигает максимального значения при частоте [макс. В примере расчета характеристик льда на 9-7 частота /макс в 4,85 раза выше частоты релаксации. Полупериод при этой частоте лт : 4,85 = 0,65 т, что явно мало для развития релаксационной поляризации. Отношение

9-8. Частотные характеристики (а) и годограф (б) комплексной диэлектрической проницаемости при наличии релаксационной поляризации и сквозной проводимости