На что влияет диэлектрическая проницаемость

4.1.3 Влияние различных факторов на относительную диэлектрическую проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость зависит от целого ряда внешних факторов – частоты приложенного к диэлектрику напряжения, параметров окружающей среды: температуры, давления и влажности. Все перечисленные факторы по-разному влияют на значение ε, в зависимости, во-первых, от механизма поляризации, существующего в диэлектрике, и, во-вторых, от того, в каком агрегатном состоянии находится диэлектрик – газообразном, жидком или твердом. Это связано с тем, что при фазовых переходах существенно меняются плотность вещества, его вязкость и изотропность. Кроме того, диэлектрическая проницаемость зависит от однородности диэлектрика.

► Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты

Рисунок 4.8 – Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для неполярных диэлектриков

Рисунок 4.9 – Зависимость диэлектрической проницаемости ε от частоты f для полярного полимера политрифторхлорэтилена при различных температурах

Изменение ε с изменением частоты называется диэлектрической дисперсией. Она может быть двух видов: релаксационная и резонансная. Релаксационной называется дисперсия, выражающаяся в монотонном снижении ε с ростом частоты; она характерна для дипольной и миграционной поляризации. Если в диэлектрике происходит электронная или ионная поляризация, дисперсия является резонансной: ε вначале растет, затем уменьшается, проходя через максимум и минимум, и достигает высокочастотного значения (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 – Диэлектрическая дисперсия: а – релаксационная; б – резонансная

► Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры

У неполярных диэлектриков температура на процесс поляризации непосредственно не влияет, т.к. электронная поляризуемость α молекул от температуры не зависит. Однако вследствие теплового расширения вещества количество поляризующихся молекул в единице объема уменьшается и ε при повышении температуры также должна уменьшаться (рисунок 4.11, а, б), т.е. температурный коэффициент диэлектрической проницаемости для неполярных диэлектриков отрицателен:

.

(4.24)

Резкое изменение ε на графике (зависимость (а) на рисунке 4.11) для кристаллического диэлектрика – парафина – объясняется ярко выраженным фазовым переходом из твердого состояния в жидкое. Этот переход связан со скачкообразным изменением объема и плотности. При фазовом переходе из конденсированного состояния в газообразное значение ε также скачкообразно уменьшается до характерного для газов значения, близкого к единице.

У большинства твердых ионных диэлектриков (кристаллы, стекла, керамические материалы, ситаллы и др.) значение ε с ростом температуры также увеличивается (зависимость (г) на рисунке 4.11), что объясняется ростом ионной поляризуемости. Исключением являются вещества с изначально высоким значением ε, такие как рутил TiO₂, перовскит CaTiO₃ и некоторые другие, у которых ТК_ε 3 ) выражается приближенной формулой ε ≈ 2,276 + 0,002(D – 920).

► Зависимость диэлектрической проницаемости от влажности

У гигроскопичных диэлектриков ε обычно заметно увеличивается при увлажнении, что объясняется высоким значением ε у воды.

► Диэлектрическая проницаемость газов

Газообразные вещества имеют очень маленькую плотность из-за больших расстояний между молекулами, поэтому поляризация их также очень мала и значение ε близко к 1. Поляризация газа может быть чисто электронной или дипольной, если молекулы газа полярны, однако и в этом случае основное значение имеет электронная поляризация.

Диэлектрическая проницаемость газов тем больше, чем больше радиус молекулы газа, и численно близка квадрату коэффициента преломления света для этого газа.

Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема газа, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре (рисунок 4.12).

Рисунок 4.12 – Зависимость диэлектрической проницаемости газов от температуры и давления

Количественными оценками степени влияния температуры и давления являются температурный коэффициент ТК_ε и барический коэффициент ДК_ε, которые для неполярных газов определяются как:

(4.26)

► Диэлектрическая проницаемость жидкостей

Жидкие диэлектрики также могут состоять из неполярных и полярных молекул.

Значение диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей (например, трансформаторного масла) определяется электронной поляризацией, поэтому оно невелико и обычно не превышает 2,5. Зависимость ε от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема, т.е. с уменьшением плотности; температурный коэффициент по абсолютному значению близок к температурному коэффициенту объемного расширения, но отличается от него знаком. От частоты значение ε у неполярных жидкостей не зависит, поэтому они могут применяться на всех частотах.

В полярных жидкостях значение ε лежит в диапазоне 3,5–5. В них, кроме электронной, присутствует дипольная поляризация, поэтому значение ε зависит как от температуры, так и от частоты. Эти диэлектрики применяются на низких частотах. Примером такого диэлектрика может служить совол.

► Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков

У твердых диэлектриков ε может принимать различные значения в зависимости от структурных особенностей; кроме того, в твердых диэлектриках возможны все виды поляризации. Наименьшее значение ε (1,9–6) имеют твердые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающие только электронной поляризацией, например, полистирол, парафин, алмаз.

Ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц обладают еще ионной поляризацией, поэтому у них значение ε меняется в широких пределах (6–150). К ним относятся, например, кварц, слюда, корунд. ТК_ε ионных кристаллов, как правило, положителен, вследствие того, что при повышении температуры происходит не только уменьшение плотности вещества, но и возрастание смещения ионов. Влияние этого фактора сказывается на изменении ε сильнее, чем изменение плотности. Исключением, как уже отмечалось, являются кристаллы, содержащие ионы титана. Отрицательный ТК_ε этих материалов обусловлен специфическим взаимодействием электронных оболочек ионов титана и кислорода. Ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц (например, электротехнический фарфор), кроме электронной и ионной, участвуют в ионно-релаксационной поляризации. Значение ε для этой группы диэлектриков составляет 4–10.

Различные неорганические стекла, близкие по строению к аморфным диэлектрикам, имеют значение ε примерно от 4 до 20; ТК_ε таких стекол обычно положителен.

Диэлектрическая проницаемость полярных органических диэлектриков (например, целлюлоза, полимеры) подчиняется тем же закономерностям, что и у дипольных жидкостей, а значение ε находится в диапазоне от 4 до 10.

► Диэлектрическая проницаемость неоднородных диэлектриков

Неоднородные, или сложные диэлектрики представляют собой смесь химически невзаимодействующих друг с другом компонентов с различными значениями диэлектрической проницаемости. Если ε компонентов различаются не очень сильно, диэлектрическую проницаемость такого диэлектрика можно определить по уравнению Лихтенеккера, которое определяется для расчета самых разных физических свойств сложных диэлектриков – теплопроводности, показателя преломления и т.д. В общем виде оно имеет вид

(4.27)

где А, А₁, А₂ – рассчитываемое свойство смеси и отдельных компонентов;

Если плоский конденсатор с неоднородным диэлектриком можно рассматривать как m параллельно соединенных конденсаторов с однородными диэлектриками, то х = +1 и относительная диэлектрическая проницаемость ε_н неоднородного диэлектрика определяется по формуле

(4.28)

где C_i – объемная концентрация i-го компонента;

m – количество параллельно расположенных компонентов неоднородного диэлектрика;

ε_i – диэлектрическая проницаемость i-го компонента.

.

(4.29)

В случае хаотического распределения обоих компонентов (например, в керамике) уравнение Лихтенеккера имеет вид (х = 0)

(4.30)

ТК_ε сложных диэлектриков находится дифференцированием выражения (4.30) по температуре:

(4.31)

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник

Что такое диэлектрическая проницаемость

Любое вещество или тело, окружающее нас, обладает определенными электрическими свойствами. Это объясняется молекулярной и атомной структурой: наличием заряженных частиц, находящихся во взаимно связанном или свободном состоянии.

Когда на вещество не действует никакое внешнее электрическое поле, то эти частицы распределяются так, что уравновешивают друг друга и во всем суммарном объеме не создают дополнительного электрического поля. В случае приложения извне электрической энергии внутри молекул и атомов возникает перераспределение зарядов, которое ведет к созданию собственного внутреннего электрического поля, направленного встречно внешнему.

Если вектор приложенного внешнего поля обозначить «Е0», а внутреннего — «Е’», то полное поле «Е» будет складываться из энергии этих двух величин.

В электричестве принято делить вещества на:

Такая классификация существует издавна, хотя она довольно условна потому, что многие тела обладают другими или комбинированными свойствами.

В роли проводников выступают среды, имеющие в наличии свободные заряды. Чаще всего проводниками выступают металлы, ведь в их структуре всегда присутствуют свободные электроны, которые способны перемещаться внутри всего объема вещества и, одновременно, являются участниками тепловых процессов.

Когда проводник изолирован от действия внешних электрических полей, то в нем создается баланс положительных и отрицательных зарядов из ионных решеток и свободных электронов. Это равновесие сразу разрушается при внесении проводника в электрическое поле — благодаря энергии которого начинается перераспределение заряженных частиц и возникают несбалансированные заряды положительных и отрицательных величин на внешней поверхности.

Образованные в проводнике индукционные заряды формируют собственное поле Е’, компенсирующее действие внешнего Е0 внутри проводника. Поэтому значение полного, суммарного электростатического поля скомпенсировано и равно 0. При этом потенциалы всех точек как внутри, так и снаружи одинаковы.

Полученный вывод свидетельствует, что внутри проводника, даже при подключенном внешнем поле, отсутствует разность потенциалов и нет электростатических полей. Этот факт используется при экранировании — применении способа электростатической защиты людей и чувствительного к наведенным полям электрооборудования, особенно высокоточных измерительных приборов и микропроцессорной техники.

Экранированная одежда и обувь из тканей с токопроводящими нитями, включая головной убор, используется в энергетике для защиты персонала, работающего в условиях повышенной напряженности, создаваемой высоковольтным оборудованием.

Так называют вещества, обладающие изоляционными свойствами. Они имеют в своем составе только связанные между собой, а не свободные заряды. У них все положительные и отрицательные частицы скреплены внутри нейтрального атома, лишены свободы передвижения. Они распределены внутри диэлектрика и не перемещаются под действием приложенного внешнего поля Е0.

Однако, его энергия все же вызывает определенные изменения в структуре вещества — внутри атомов и молекул изменяется соотношение положительных и отрицательных частиц, а на поверхности вещества возникают излишние, несбалансированные связанные заряды, образующие внутреннее электрическое поле Е’. Оно направлено встречно приложенной извне напряженности.

Она внутри диэлектриков бывает двух видов:

Первый тип имеет дополнительное название дипольной поляризации. Он присущ диэлектрикам со смещенными центрами у отрицательных и положительных зарядов, которые образуют молекулы из микроскопических диполей — нейтральной совокупности из двух зарядов. Это характерно для воды, диоксида азота, сероводорода.

Без действия внешнего электрического поля у таких веществ молекулярные диполи ориентируются хаотичным образом под влиянием действующих температурных процессов. При этом в любой точке внутреннего объема и на внешней поверхности диэлектрика нет электрического заряда.

Эта картина изменяется под влиянием приложенной извне энергии, когда диполи немного изменяют свою ориентацию и на поверхности возникают области не скомпенсированных макроскопических связанных зарядов, образующих поле Е’ со встречным направлением к приложенному Е0.

При такой поляризации большое влияние на процессы оказывает температура, вызывающая тепловое движение и создающая дезориентирующие факторы.

Электронная поляризация, упругий механизм

Она проявляется у неполярных диэлектриков — материалов другого вида с молекулами, лишенными дипольного момента, которые под влияние внешнего поля деформируются так, что положительные заряды ориентируются по направлению вектора Е0, а отрицательные — в противоположную сторону.

В итоге каждая из молекул работает как электрический диполь, сориентированный по оси приложенного поля. Они, таким способом, создают на внешней поверхности свое поле Е’ со встречным направлением.

Численное значение внутреннего поля обоих видов диэлектриков по величине вначале изменяется прямо пропорционально возрастанию внешнего поля, а затем, при достижении насыщения, проявляются эффекты нелинейного характера. Они наступают тогда, когда все молекулярные диполи выстроились вдоль силовых линий у полярных диэлектриков или произошли изменения структуры неполярного вещества, обусловленные сильной деформацией атомов и молекул от большой приложенной извне энергии.

На практике такие случаи возникают редко — обычно раньше наступает пробой или нарушение изоляции.

1. абсолютным значением;

2. относительной величиной.

Термином абсолютной диэлектрической проницаемости вещества εa пользуются при обращении к математической записи закона Кулона. Она, в форме коэффициента εа, связывает вектора индукции D и напряженности E.

Вспомним, что французский физик Шарль де Кулон с помощью собственных крутильных весов исследовал закономерности электрических и магнитных сил между небольшими заряженными телами.

Определение относительной диэлектрической проницаемости среды используется для характеристики изоляционных свойств вещества. Она оценивает соотношение силы взаимодействия между двумя точечными зарядами при двух различных условиях: в вакууме и рабочей среде. При этом показатели вакуума принимаются за 1 (εv=1), а у реальных веществ они всегда выше, εr>1.

Численное выражение εr отображается безразмерной величиной, объясняется эффектом поляризации у диэлектриков, используется для оценки их характеристик.

Значения диэлектрической проницаемости отдельных сред (при комнатной температуре)

Вещество	ε	Вещество	ε
Сегнетова соль	6000	Алмаз	5,7
Рутил (вдоль оптической оси)	170	Вода	81
Полиэтилен	2,3	Спирт этиловый	26,8
Кремний	12,0	Слюда	6
Стекло	5-16	Углекислый газ	1,00099
NaCl	5,26	Водяной пар	1,0126
Бензол	2,322	Воздух (760 мм рт. ст.)	1,00057

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электрические свойства полимерных материалов

Таблицы электрических параметров (удельное объемное сопротивление, относительная диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь при 1 МГц, электрическая прочность) для диэлектрических полимерных материалов.

Электрические свойства полимерных материалов

Полимерные материалы	Диэлектрическая проницаемость ε’ при частоте электрического поля ν, Гц
	50	10 3	10 6
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ)	3,3	3,2	3,1
Полибутилентерефталат (ПБТФ)	3,91	3,86	3,74
Поликарбонат (ПК)	3,05	2,9	2,8
Полиметилметакрилат (ПММА)	3,5	2,3	2,6
Полиэтилен низкой плотности (высокого давления) (ПЭВД)	2,28	2,28	2,2
Полиэтилен высокой плотности (низкого давления) (ПЭНД)	2,3	2,3	2,3
Полиамид 6, капрон (ПА-6)	4,0	3,8	3,6
Полистирол (ПС)	2,65	2,6	2,6

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.

Источник

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Полезное

Смотреть что такое «ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ» в других словарях:

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. В изотропной среде e связана с диэлектрической восприимчивостью c соотношением: e = 1 + 4pc. Диэлектрическая проницаемость… … Большой Энциклопедический словарь

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, Величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Величина e колеблется в широких пределах: водород 1,00026, трансформаторное масло 2,24,… … Современная энциклопедия

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ — (обозначение e), в физике одно из свойств различных материалов (см. ДИЭЛЕКТРИК). Выражается отношением плотности ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТОКА в среде к напряженности ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, которое его вызывает. Диэлектрическая проницаемость вакуума… … Научно-технический энциклопедический словарь

диэлектрическая проницаемость — Величина, характеризующая диэлектрические свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно электрическому смещению. [ГОСТ Р 52002 2003]… … Справочник технического переводчика

Диэлектрическая проницаемость — ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Величина e колеблется в широких пределах: водород 1,00026, трансформаторное масло 2,24,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Диэлектрическая проницаемость — величина, характеризующая диэлектрические свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно электрическому смещению. Источник:… … Официальная терминология

диэлектрическая проницаемость — величина ε, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. В изотропной среде ε связана с диэлектрической восприимчивостью χ соотношением: ε = 1 + 4π χ. Диэлектрическая проницаемость… … Энциклопедический словарь

диэлектрическая проницаемость — абсолютная диэлектрическая проницаемость; отрасл. диэлектрическая проницаемость Скалярная величина, характеризующая электрические свойства диэлектрика равная отношению величины электрического смещения к величине напряженности электрического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

Диэлектрическая проницаемость — Абсолютная диэлектрическая проницаемость Относительная диэлектрическая проницаемость Диэлектрическая проницаемость вакуума … Википедия

диэлектрическая проницаемость — dielektrinė skvarba statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinio srauto tankio tiriamojoje medžiagoje ir elektrinio lauko stiprio santykis. atitikmenys: angl. dielectric constant; dielectric permittivity; permittivity rus. диэлектрическая… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Источник