Что такое диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость воздуха как физическая величина

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

ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ПО

ФИЗИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по разделу физики «Твердого тела» для студентов технических специальностей всех форм обучения

Красноярск 2012

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент О.Н. Бандурина

(Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М.Ф. Решетнева)

Печатается по решению методической комиссии ИКТ

Определение диэлектрической проницаемости полупроводников. Виртуальная лабораторная работа №3 по физике твердого тела: Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по разделу физики «Твердого тела» для студентов техн. спец. всех форм обучения / сост.: А.М. Харьков; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2012. – 21 с.

Сибирский государственный аэрокосмический

университет имени академика М.Ф. Решетнева, 2012

Введение……………………………………………………………………………...4

Допуск к лабораторной работе……………………………………………………...4

Оформление лабораторной работы к защите……………………………………...4

Определение диэлектрической проницаемости полупроводников…………........5

Теория метода……………………………………………………………………......5

Методика измерения диэлектрической проницаемости…………………..……..11

Обработка результатов измерений………………………..………………………16

Контрольные вопросы…………..………………………………………………….17

Тест………………………………………………………………………………….17

Список литературы…………………………………………………………………20

Приложение…………………………………………………………………………21

ВВЕДЕНИЕ

Данные методические указания содержат описания к лабораторным работам, в которых используются виртуальные модели из курса «Физика твердого тела».

Допуск к лабораторной работе:

Проводится преподавателем по группам с персональным опросом каждого студента. Для допуска:

1) Каждый студент предварительно оформляет свой персональный конспект данной лабораторной работы;

2) Преподаватель индивидуально проверяет оформление конспекта и задает вопросы по теории, методике измерений, установке и обработке результатов;

3) Студент отвечает на заданные вопросы;

4) Преподаватель допускает студента к работе и ставит свою подпись в конспекте студента.

Оформление лабораторной работы к защите:

Полностью оформленная и подготовленная к защите работа должна соответствовать следующим требованиям:

Выполнение всех пунктов: все расчеты требуемых величин, заполнены чернилами все таблицы, построены все графики и т.д.

Графики должны удовлетворять всем требованиям преподавателя.

Для всех величин в таблицах должна быть записана соответствующая единица измерения.

Записаны выводы по каждому графику.

Выписан ответ по установленной форме.

Записаны выводы по ответу.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Теория метода

Поляризация – это способность диэлектрика под действием электрического поля поляризоваться, т.е. изменять в пространстве расположение связанных заряженных частиц диэлектрика.

Важнейшим свойством диэлектриков является их способность к электрической поляризации, т.е. под влиянием электрического поля происходит направленное смещение заряженных частиц или молекул на ограниченное расстояние. Под действие электрического поля смещаются заряды, как в полярных, так и неполярных молекулах.

Существует более десятка различных видов поляризации. Рассмотрим некоторые из них:

1. Электронная поляризация – это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Оно происходит во всех атомах любого вещества, т.е. во всех диэлектриках. Электронная поляризация устанавливается за время 10 -15 –10 -14 с.

2. Ионная поляризация – смещение относительно друг друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. Время ее установления 10 -13 –10 -12 с. Электронная и ионная поляризация относятся к числу мгновенных или деформационных видов поляризации.

3. Дипольная или ориентационная поляризация обусловлена ориентацией диполей в направлении электрического поля. Дипольной поляризацией обладают полярные диэлектрики. Время ее установления 10 -10 –10 -6 с. Дипольная поляризация относится к числу медленных или релаксационных видов поляризации.

4. Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках, в которых электрические заряды накапливаются на границе радела неоднородностей. Процессы установления миграционной поляризации очень медленны и могут протекать на протяжении минут и даже часов.

5. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена избыточным перебросом слабо связанных ионов под действием электрического поля на расстояния, превышающие постоянную решетки. Ионно-релаксационная поляризация проявляется в некоторых кристаллических веществах при наличии в них примесей в виде ионов или неплотной упаковке кристаллической решетки. Время ее установления 10 -8 –10 -4 с.

6. Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или «дырок». Этот вид поляризации, как правило, обуславливает высокое значение диэлектрической проницаемости.

7. Спонтанная поляризация – самопроизвольная поляризация, возникающая в некоторых веществах (например, сегнетовой соли) в определенной области температур.

8. Упруго-дипольная поляризация связана с упругим поворотом диполей на небольшие углы.

9. Остаточная поляризация – поляризация, которая остается в некоторых веществах (электретах) в течение продолжительного времени после снятия электрического поля.

10. Резонансная поляризация . Если частота электрического поля близка к собственной частоте колебаний диполей, то колебания молекул могут возрасти, что приведет к появлению резонансной поляризации в дипольном диэлектрике. Резонансная поляризация наблюдается при частотах лежащих в области инфракрасного света. Реальный диэлектрик может одновременно обладать несколькими видами поляризации. Возникновение того или иного вида поляризации определяется физико-химическими свойствами вещества и диапазоном используемых частот .

Основные параметры:

ε – диэлектрическая проницаемость – мера способности материала к поляризации; это величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в данном материале меньше, чем в вакууме. Внутри диэлектрика возникает поле, направленное противоположно внешнему.

Напряженность внешнего поля ослабевает по сравнению с полем тех же зарядов в вакууме в ε раз, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость.

Если вакуум между обкладками конденсатора заменяется на диэлектрик, то в результате поляризации емкость возрастает. На этом основано простое определение диэлектрической проницаемости:

где C 0 – емкость конденсатора, между обкладками которого – вакуум.

C d – емкость того же конденсатора с диэлектриком.

Диэлектрическая проницаемость ε изотропной среды определяется отношением:

(2)

где χ – диэлектрическая восприимчивость.

D = tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь

Диэлектрические потери – потери электрической энергии, обусловленные протеканием токов в диэлектриках. Различают ток сквозной проводимости I ск.пр, вызванный наличием в диэлектриках небольшого количества легкоподвижных ионов, и поляризационные токи. При электронной и ионной поляризации поляризационный ток называется током смещения I см, он очень кратковременный и не регистрируется приборами. Токи, связанные с замедленными (релаксационными) видами поляризации, называются токами абсорбции I абс. В общем случае суммарный ток в диэлектрике определяется как: I=I абс +I ск.пр. После установления поляризации суммарный ток будет равен: I=I ск.пр. Если в постоянном поле поляризационные токи возникают в момент включения и выключения напряжения, и суммарный ток определяется в соответствии с уравнением: I=I ск.пр, то в переменном поле поляризационные токи возникают в момент смены полярности напряжения. Вследствие этого потери в диэлектрике в переменном поле могут быть значительными, особенно если полупериод приложенного напряжения приближается к времени установления поляризации.

На рис. 1(a) приведена схема, эквивалентная конденсатору с диэлектриком, находящемуся в цепи переменного напряжения. В этой схеме конденсатор с реальным диэлектриком, который обладает потерями, заменен идеальным конденсатором C с параллельно включенным активным сопротивлением R. На рис. 1(б) приведена векторная диаграмма токов и напряжений для рассматриваемой схемы, где U – напряжения в цепи; I ак – активный ток; I р – реактивный ток, который опережает по фазе на 90° активную составляющую; I ∑ - суммарный ток. При этом: I а =I R =U/R и I р =I C =ωCU, где ω – круговая частота переменного поля.

Рис. 1. (а) – схема; (б) – векторная диаграмма токов и напряжений

Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током I ∑ и напряжением U в емкостной цепи. Потери в диэлектриках в переменном поле характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь: tg δ=I а /I р.

Предельные значения тангенса угла диэлектрических потерь для высокочастотных диэлектриков не должны превышать (0,0001 – 0,0004), а для низкочастотный – (0,01 – 0,02).

Зависимости ε и tg δ от температуры T и частоты ω

Диэлектрические параметры материалов в различной степени зависят от температуры и частоты. Большое количество диэлектрических материалов не позволяет охватить особенности всех зависимостей от указанных факторов.

Поэтому на рис. 2 (a, б) изображены общие тенденции, характерные для некоторых основных групп т.е. приведены типичные зависимости диэлектрической проницаемости ε от температуры T (а) и от частоты ω (б).

Рис. 2. Частотная зависимость действительной (εʹ) и мнимой (εʺ) частей диэлектрической проницаемости при наличии ориентационного механизма релаксации

Комплексная диэлектрическая проницаемость. При наличии процессов релаксации диэлектрическую проницаемость удобно записывать в комплексном виде. Если для поляризуемости справедлива формула Дебая:

(3)

где, τ – время релаксации, α 0 – статистическая ориентационная поляризуемость. То, полагая локальное поле равным внешнему, получим (в СГС):

Графики зависимости εʹ и εʺ от произведения ωτ приведены на рис. 2. Заметим, что уменьшение εʹ (действительной части ε) имеет место вблизи максимума εʺ (мнимой части ε).

Такой ход изменения εʹ и εʺ с частотой служит частым примером более общего результата, согласно которому εʹ(ω) от частоты влечет за собой также и зависимость εʺ(ω) от частоты. В системе СИ следует заменить 4π на 1/ε 0 .

Под действием приложенного поля молекулы в неполярном диэлектрике поляризуются, становясь диполями с индуцированным дипольным моментом μ и , пропорциональным напряженности поля:

(5)

В полярном диэлектрике дипольный момент полярной молекулы μ в общем случае равен векторной сумме собственного μ 0 и индуцированного μ и моментов:

(6)

Напряженности поля, создаваемого этими диполями, пропорциональны дипольному моменту и обратно пропорциональны кубу расстояния.

Для неполярных материалов обычно ε = 2 – 2,5 и не зависит от частоты до ω ≈10 12 Hz. Зависимость ε от температуры обусловлена у них тем, что при ее изменении изменяются линейные размеры твердых и объемы жидких и газообразных диэлектриков, что изменяет число молекул n в единице объема

и расстояния между ними. Используя известные из теории диэлектриков соотношения F=n\ μ и и F= ε 0 (ε- 1)Е, где F – поляризованность материала, для неполярных диэлектриков имеем:

(7)

При E=const также μ и = const и температурное изменение ε обусловлено только изменением n, которое является линейной функцией температуры Θ, зависимость ε = ε(Θ) также является линейной. Для полярных диэлектриков аналитических зависимостей нет, и обычно пользуются эмпирическими.

1)С возрастанием температуры объем диэлектрика увеличивается и диэлектрическая проницаемость немного уменьшается. Особенно заметно уменьшение ε в период размягчения и плавления неполярных диэлектриков, когда их объем существенно возрастает. Ввиду высокой частоты обращения электронов на орбитах (порядка 10 15 –10 16 Hz) время установления равновесного состояния электронной поляризации очень мало и проницаемость ε неполярных диэлектриков не зависит от частоты поля в обычно используемом диапазоне частот (до 10 12 Hz).

2) При повышении температуры ослабевают связи между отдельными ионами, что облегчает их взаимодействие под действием внешнего поля и это приводит к увеличению ионной поляризации и диэлектрической проницаемости ε. Ввиду малости времени установления состояния ионной поляризации (порядка 10 13 Hz, что соответствует собственной частоте колебания ионов в кристаллической решетке) изменение частоты внешнего поля в обычных рабочих диапазонах практически не отражается на величине ε в ионных материалов.

3) Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков сильно зависит от температуры и частоты внешнего поля. С возрастанием температуры увеличивается подвижность частиц и уменьшается энергия взаимодействия между ними, т.е. облегчается их ориентация под действием внешнего поля – возрастает дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость. Однако этот процесс продолжается лишь до определенной температуры. При дальнейшем возрастании температуры проницаемость ε уменьшается. Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения и посредством теплового движения, то установление поляризации требует значительного времени. Это время настолько велико, что в переменных полях высокой частоты диполи не успевают ориентироваться по полю, и проницаемость ε падает .

Методика измерения диэлектрической проницаемости

Емкость конденсатора. Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с линейными размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют конденсатор (рис. 3).

Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины:

(8)

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между пластинами.

Физическая величина, определяемая отношением заряда q одной из пластин конденсатора к разности потенциалов Δφ между обкладками конденсатора, называется электроемкостью конденсатора :

(9)

Единица электроемкости СИ – Фарад (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает такой конденсатор, разность потенциалов между обкладками которого равна 1 В при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 Кл: 1 Ф = 1 Кл/1 В.

Емкость плоского конденсатора. Формулу для вычисления электроемкости плоского конденсатора можно получить, используя выражение (8). В самом деле, напряженность поля: Е = φ/εε 0 = q/εε 0 S , где S – площадь пластины. Поскольку поле однородное, то разность потенциалов между обкладками конденсатора равна: φ 1 – φ 2 = Еd = qd /εε 0 S , где d – расстояние между обкладками. Подставив в формулу (9), получим выражение для электроемкости плоского конденсатора:

(10)

где ε 0 – диэлектрическая проницаемость воздуха; S – площадь пластины конденсатора, S=hl , где h – ширина пластины, l – ее длина; d – расстояние между пластинами конденсатора.

Выражение (10) показывает, что электроемкость конденсатора можно увеличить путем увеличения площади S его обкладок, уменьшения расстояния d между ними и применения диэлектриков с большими значениями диэлектрической проницаемости ε .

Рис. 3. Конденсатор с помещенным в него диэлектриком

Если между пластинами конденсатора поместить пластину из диэлектрика, емкость конденсатора изменится. Следует рассмотреть вариант расположения диэлектрической пластины между пластинами конденсатора.

Обозначим: d в – толщину воздушного промежутка, d м – толщину диэлектрической пластины, l В – длину воздушной части конденсатора, l м – длину части конденсатора, заполненной диэлектриком, ε м – диэлектрическую проницаемость материала. Если учесть, что l = l в + l м, а d = d в + d м, то эти варианты можно рассмотреть для случаев:

В случае l в = 0, d в = 0 мы имеем конденсатор с твердым диэлектриком:

(11)

Из уравнений классической макроскопической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла следует, что при помещении диэлектрика в слабое переменное поле, изменяющееся по гармоническому закону с частотой ω, тензор комплексной диэлектрической проницаемости приобретает вид:

(12)

где σ – оптическая проводимость вещества, εʹ – диэлектрическая проницаемость вещества, связанная с поляризацией диэлектрика. Выражение (12) можно привести к следующему виду:

где мнимое слагаемое отвечает за диэлектрические потери .

На практике измеряют С – емкость образца, имеющего форму плоского конденсатора. Этот конденсатор характеризуется тангенсом угла диэлектрических потерь:

tgδ=ωCR c (14)

или добротностью:

Q c =1/ tgδ (15)

где R c – сопротивление, зависящее, главным образом, от диэлектрических потерь. Для измерения этих характеристик существует ряд методов: различные мостовые методы, измерения с преобразованием измеряемого параметра во временной интервал и т.д. .

При измерениях емкости С и тангенса угла диэлектрических потерь D = tgδ в данной работе была использована методика, разработанная кампанией GOOD WILL INSTRUMENT Со Ltd. Измерения проведены на прецизионном измерителе иммитанса – LCR-819-RLC. Прибор позволяет измерять емкость в пределах 20 pF–2,083 mF, тангенс угла потерь в пределах 0,0001-9999 и подавать поле смещения. Внутреннее смещение до 2 В, внешнее смещение до 30 В. Точность измерений составляет 0,05 %. Частота тест-сигнала 12 Hz -100 kHz.

В этой работе измерения проведены на частоте 1 kHz в интервале температур 77 К < T < 270 К в нулевом магнитном поле и в поле 5 kOe. Образцы для измерений имели форму параллелепипеда с размерами 2*3*4 мм (х=0.1), где d = 2 мм – толщина образца, площадь грани S = 3*4 мм 2 .

С целью получений температурных зависимостей ячейка с образцом помещается в поток хладагента (азота) пропускаемый через теплообменник, температура которого задается нагревателем. Температура нагревателя контролируется терморегулятором. Обратная связь с измерителя температуры на терморегулятор позволяет задавать скорость измерения температуры, либо осуществлять ее стабилизацию. Для контроля температуры используется термопара. В данной работе температура изменялась со скоростью 1 град/мин. Указанный метод позволяет измерять температуру с погрешностью 0,1 град.

Измерительная ячейка с закрепленным на ней образцом помещается в проточный криостат. Связь ячейки с LCR-метром осуществляется экранированными проводами через разъем в капке криостата. Криостат размещен между полюсами электромагнита ФЛ-1. Блок питания магнита позволяет получать магнитные поля до 15 kOe. Для измерения величины напряженности магнитного поля Н используется термостабилизированный датчик Холла с блоком электроники. Для стабилизации магнитного поля между блоком питания и измерителем магнитного поля существует обратная связь.

Измеренные значения емкости С и тангенса угла потерь D = tg δ связаны со значениями искомых физических величин εʹ и εʺ следующими соотношениями:

(16)

(17)

№	C (pF)	Re (ε’)	T (°К)	tg δ	Q c	Im (ε”)	ω (Hz)	σ (ω)
	3,805	71,66		0,075	13,33	5,375	10 3
	3,838			0,093
	3,86			0,088
	3,849			0,094
	3,893			0,106
	3,917			0,092
	3,951			0,103
	3,824			0,088
	3,873			0,105
	3,907			0,108
	3,977			0,102
	4,031			0,105
	4,062			0,132
	4,144			0,109
	4,24			0,136
	4,435			0,175
	4,553			0,197
	4,698			0,233
	4,868			0,292
	4,973			0,361
	5,056			0,417
	5,164			0,491
	5,246			0,552
	5,362			0,624
	5,453			0,703
	5,556			0,783
	5,637			0,867
	5,738			0,955
	5,826			1,04
	5,902			1,136

Таблица №1. Gd x Mn 1-x S, (x=0.1).

Диэлектри ́ ческая проница ́ емость среды - физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая зависимостьэлектрической индукции от напряжённости электрического поля.

Определяется эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды).

Различают относительную и абсолютную диэлектрические проницаемости.

Относительная диэлектрическая проницаемость ε является безразмерной и показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Эта величина для 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 постояннаяводы в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость в зарубежной литературе обозначается буквой ε, в отечественной преимущественно используется сочетание , где - электрическая постоянная. Абсолютная диэлектрическая проницаемость используется только в Международной системе единиц (СИ), в которой индукция и напряжённость электрического поля измеряются в различных единицах. В системе СГС необходимость в введении абсолютной диэлектрической проницаемости отсутствует. Абсолютная диэлектрическая постоянная (как и электрическая постоянная) имеет размерность L −3 M −1 T 4 I². В единицах Международной системы единиц (СИ): =Ф/м.

Рассмотрим, например, случай воды. В случае статического поля (частота равна нулю), относительная диэлектрическая проницаемость при нормальных условияхприблизительно 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 [ источник не указан 1252 дня ] в земной атмосфере, насыщенной водяным паром. С дальнейшим ростом частоты свойства среды вновь меняются. О поведении относительной диэлектрической проницаемости воды в диапазоне частот от 0 до 10 12 (инфракрасная область) можно прочитать на (англ.)

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов. Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.

Ёмкость конденсаторов определяется:

где ε r - диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε о - электрическая постоянная, S - площадь обкладок конденсатора, d - расстояние между обкладками.

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 сопротивлениепроводников на плате.

УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ электрическое, физическая величина, равная электрическому сопротивлению (см. СОПРОТИВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ) R цилиндрического проводника единичной длины (l = 1м) и единичной площади поперечного сечения (S =1 м 2).. r = R S/l. В Си единицей удельного сопротивления является Ом. м. Удельное сопротивление могут выражать также в Ом. см. Удельное сопротивление является характеристикой материала, по которому протекает ток, и зависит от материала, из которого он изготовлен. Удельное сопротивление, равное r = 1 Ом. м означает, что цилиндрический проводник, изготовленный из данного материала, длиной l = 1м и с площадью поперечного сечения S = 1 м 2 имеет сопротивление R = 1 Ом. м. Величина удельного сопротивления металлов (см. МЕТАЛЛЫ ), являющихся хорошими проводниками (см. ПРОВОДНИКИ ), может иметь значения порядка 10 - 8 – 10 - 6 Ом. м (например, медь, серебро, железо и т. д.). Удельное сопротивление некоторых твердых диэлектриков (см. ДИЭЛЕКТРИКИ ) может достигать значения 10 16 -10 18 Ом.м (например, кварцевое стекло, полиэтилен, электрофарфор и др.). Величина удельного сопротивления многих материалов (особенного полупроводниковых материалов (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ )) существенно зависит от степени их очистки, наличия легирующих добавок, термических и механических обработок и т. д. Величина s, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью: s = 1/r Удельная проводимость измеряется в сименсах (см. СИМЕНС (единица проводимости) ) на метр См/м. Удельное электрическое сопротивление (проводимость) является скалярной величиной для изотропного вещества; и тензорной - для анизотропного вещества. В анизотропным монокристаллах анизотропия электропроводности является следствием анизотропии обратной эффективной массы (см. ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА ) электронов и дырок.

1-6. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ

При включении изоляции кабеля или провода на постоянное напряжение U через нее проходит ток i, изменяющийся во времени (рис. 1-3). Этот ток имеет постоянные составляющие - ток проводимости (i ∞) и ток абсорбции, гдеγ - проводимость, соответствующая току абсорбции; Т - время, в течение которого ток i абс спадает до 1/e своего первоначального значения. При бесконечно большом времени i абс →0 и i = i ∞ . Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них некоторого количества свободных заряженных частиц: ионов и электронов.

Наиболее характерна для большей части электроизоляционных материалов ионная электропроводность, которая возможна за счет неизбежно присутствующих в изоляции загрязнений (примеси влаги, солей, щелочей и т. п.). У диэлектрика с ионным характером электропроводности строго соблюдается закон Фарадея - пропорциональность между количеством прошедшего через изоляцию электричества и количеством выделившегося при электролизе вещества.

При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов уменьшается и характеризуется формулой

где_ρ о, А и В - постоянные для данного материала; Т- температура, °К.

Большая зависимость сопротивления изоляции от влаги имеет место у гигроскопичных изоляционных материалов, главным образом волокнистых (бумага, хлопчатобумажная пряжа и др.). Поэтому волокнистые материалы подвергаются сушке и пропитке, а также защите влагостойкими оболочками.

Сопротивление изоляции может уменьшаться с повышением напряжения за счет образования в изоляционных материалах объемных зарядов. Создающаяся при этом добавочная электронная проводимость приводит к увеличению электропроводности. Существует зависимость проводимости от напряжения в очень сильных полях (закон Я. И. Френкеля):

где γ о - проводимость в слабых полях; а - постоянная. Все электроизоляционные материалы характеризуются определенными значениями проводимости изоляции G. В идеале проводимость изоляционных материалов равна нулю. У реальных изоляционных материалов проводимость на единицу длины кабеля определяют по формуле

В кабелях, имеющих сопротивление изоляции более, 3-10 11 ом-м и кабелях связи, где потери на диэлектрическую поляризацию значительно больше тепловых потерь, проводимость определяют по формуле

Проводимость изоляции в технике связи является электрическим параметром линии, характеризующим потери энергии в изоляции жил кабелей. Зависимость величины проводимости от частоты приведена на рис. 1-1. Величина, обратная проводимости - сопротивление изоляции, представляет собой отношение приложенного кизоляции напряжения постоянного тока (в вольтах) ктоку утечки (в амперах), т. е.

гдеR V - объемное сопротивление изоляции, численно определяющее препятствие, создаваемое прохождению токав толще изоляции; R S - поверхностное сопротивление, определяющее препятствие прохождению тока по поверхностиизоляции.

Практической оценкой качества применяемых изоляционных материалов является удельное объемное сопротивление ρ V выражаемое в омо-сантиметрах (ом*см). Численно ρ V равно сопротивлению (в омах) куба с ребром 1 см из данного материала, если ток проходит через две противоположные грани куба. Удельное поверхностное сопротивление ρ S численно равно сопротивлению поверхности квадрата (в омах), если ток подводится к электродам, ограничивающим две противоположные стороны этого квадрата.

Сопротивление изоляции одножильного кабеля или провода определяют по формуле

Влажностные свойства диэлектриков

Влагостойкость – это надежность эксплуатации изоляции при нахождении ее в атмосфере водяного пара близкого к насыщению. Влагостойкость оценивают по изменению электрических, механических и других физических свойств после нахождения материала в атмосфере с повышенной и высокой влажностью; по влаго- и водопроницаемости; по влаго- и водопоглощаемости.

Влагопроницаемость – способность материала пропускать пары влаги при наличии разности относительных влажностей воздуха с двух сторон материала.

Влагопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном нахождении во влажной атмосфере близкой к состоянию насыщения.

Водопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном погружении его в воду.

Тропикостойкость и тропикализация оборудования – защита электрооборудования от влаги, плесени, грызунов.

Тепловые свойства диэлектриков

Для характеристики тепловых свойств диэлектриков используются следующие величины.

Нагревостойкость – способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них выдерживать воздействие высокой температуры и резких смен температуры. Определяют по температуре, при которой наблюдается существенное изменение механических и электрических свойств, например, в органических диэлектриках начинается деформация растяжения или изгиба под нагрузкой.

Теплопроводность – процесс передачи тепла в материале. Характеризуется экспериментально определяемым коэффициентом теплопроводности λ т. λ т – количество теплоты, переданной за одну секунду через слой материала толщиной в 1 м и площадью поверхности – 1 м 2 при разности температур поверхностей слоя в 1 °К. Коэффициент теплопроводности диэлектриков изменяется в широких пределах. Самые низкие значения λ т имеют газы, пористые диэлектрики и жидкости (для воздуха λ т = 0,025 Вт/(м·К), для водыλ т = 0,58 Вт/(м·К)), высокие значения имеют кристаллические диэлектрики (для кристаллического кварца λ т = 12,5 Вт/(м·К)). Коэффициент теплопроводности диэлектриков зависит от их строения (для плавленого кварца λ т = 1,25 Вт/(м·К)) и температуры.

Тепловое расширение диэлектриков оценивают температурным коэффициентом линейного расширения: . Материалы с малым тепловым расширением, имеют, как правило, более высокую нагревостойкость и наоборот. Тепловое расширение органических диэлектриков значительно (в десятки и сотни раз) превышает расширение неорганических диэлектриков. Поэтому стабильность размеров деталей из неорганических диэлектриков при колебаниях температуры значительно выше по сравнению с органическими.

1. Абсорбционные токи

Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной поляризации. Абсорбционные токи при постоянном напряжении протекают в диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают в течение всего времени нахождения диэлектрика в электрическом поле.

В общем случае электрический ток j в диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока j ск и тока абсорбции j аб

j = j ск + j аб.

Ток абсорбции можно определить через ток смещения j см - скорость изменения вектора электрической индукции D

Сквозной ток определяется переносом (движением) в электрическом поле различных носителей заряда.

2. Электронная электропроводность характеризуется перемещением электронов под действием поля. Кроме металлов она присутствует у углерода, оксидов металлов, сульфидов и др. веществ, а также у многих полупроводников.

3. Ионная – обусловлена движением ионов. Наблюдается в растворах и расплавах электролитов – солей, кислот, щелочей, а также во многих диэлектриках. Она подразделяется на собственную и примесную проводимости. Собственная проводимость обусловлена движением ионов, получаемых при диссоциации молекул. Движение ионов в электрическом поле сопровождается электролизом – переносом вещества между электродами и выделением его на электродах. Полярные жидкости диссоциированы в большей степени и имеют большую электропроводность, чем неполярные.

В неполярных и слабополярных жидких диэлектриках (минеральные масла, кремнийорганические жидкости) электропроводность определяется примесями.

4. Молионная электропроводность – обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами . Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях , суспензиях . Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом . При электрофорезе, в отличие от электролиза, новых веществ не образуется, меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных слоях жидкости. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, например, в маслах, содержащихэмульгированную воду.

Уровень поляризуемости вещества характеризуется особенной величиной, которую называют диэлектрическая проницаемость. Рассмотрим, что это за величина.

Допустим, что напряженность однородного поля между двух заряженных пластин в пустоте равна Е₀. Теперь заполним промежуток между ними любым диэлектриком. которые появятся на границе между диэлектриком и проводником благодаря его поляризации, частично нейтрализуют воздействие зарядов на пластинах. Напряженность Е данного поля станет меньше напряженности Е₀.

Опыт обнаруживает, что при последовательном заполнении промежутка между пластинами равными диэлектриками, величины напряженности поля окажутся разными. Поэтому зная величину отношения напряженности электрополя между пластинами в отсутствие диэлектрика Е₀ и при наличии диэлектрика Е, можно определять его поляризуемость, т.е. его диэлектрическую проницаемость. Эту величину принято обозначать греческой буквой ԑ (эпсилон). Следовательно, можно написать:

Диэлектрическая проницаемость демонстрирует, во сколько раз данных зарядов в диэлектрике (однородном) будет меньше, чем в вакууме.

Уменьшение силы взаимодействия между зарядами вызвано процессами поляризации среды. В электрическом поле электроны в атомах и молекулах уменьшаются по отношению к ионам, и возникает Т.е. те молекулы, у которых есть свой дипольный момент (в частности молекулы воды), ориентируются в электрическом поле. Эти моменты создают собственное электрическое поле, противодействующее тому полю, которое вызвало их появление. В результате суммарное электрическое поле уменьшается. В небольших полях это явление описывают с помощью понятия диэлектрической проницаемости.

Ниже приведена диэлектрическая проницаемость в вакууме различных веществ:

Воздух……………………………....1,0006

Парафин…………………………....2

Плексиглас (оргстекло)……3-4

Эбонит……………………………..…4

Фарфор……………………………....7

Стекло…………………………..…….4-7

Слюда……………………………..….4-5

Шелк натуральный............4-5

Шифер..............................6-7

Янтарь…………………………...……12,8

Вода………………………………...….81

Данные значения диэлектрической проницаемости веществ относятся к окружающим температурам в пределах 18—20 °С. Так, диэлектрическая проницаемость твердых тел незначительно изменяется с температурой, исключением являются сегнетоэлектрики.

Напротив, у газов она уменьшается из-за повышения температуры и возрастает в связи с увеличением давления. В практике принимается за единицу.

Примеси в небольших количествах мало влияют на уровень диэлектрической проницаемости жидкостей.

Если два произвольных точечных заряда поместить в диэлектрик, то напряженность поля, создаваемого каждым из этих зарядов в точке нахождения другого заряда, уменьшается в ԑ раз. Из этого следует, что сила, с которой эти заряды взаимодействуют один с другим, также в ԑ раз меньше. Поэтому для зарядов, помещенных в диэлектрик, выражается формулой:

F = (q₁q₂)/(4πԑₐr²),

где F — является силой взаимодействия, q₁ и q₂, — величины зарядов, ԑ — является абсолютной диэлектрической проницаемостью среды, г — дистанция между точечными зарядами.

Значение ԑ численно можно показать в относительных единицах (по отношению к значению абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума ԑ₀). Величина ԑ = ԑₐ/ԑ₀ называют относительной диэлектрической проницаемостью. Она раскрывает, во сколько раз взаимодействие между зарядами в бесконечной однородной среде слабее, чем в вакууме; ԑ = ԑₐ/ԑ₀ часто называют комплексная диэлектрическая проницаемость. Численное значение величины ԑ₀, а также ее размерность зависимы от того, какая система единиц выбрана; а значение ԑ - не зависит. Так, в системе СГСЭ ԑ₀ = 1 (эта четвертая основная единица); в системе СИ диэлектрическая проницаемость вакуума выражается:

ԑ₀ = 1/(4π˖9˖10⁹) фарада/метр = 8,85˖10⁻¹² ф/м (в этой системе ԑ₀ является производной величиной).

Диэлектрическая проницаемость – это один из основных параметров, характеризующих электрические свойства диэлектриков . Другими словами он определяет насколько хорошим изолятором является тот или иной материал.

Значение диэлектрической проницаемости показывает зависимость электрической индукции в диэлектрике от напряженности электрического поля , воздействующего на него. При этом на ее величину оказывают влияние не только физические свойства самого материала или среды, но еще и частота поля. Как правило в справочниках указывается величина, измеренная для статического или низкочастотного поля.

Различают два вида диэлектрической проницаемости: абсолютную и относительную.

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает отношение изолирующих (диэлектрических) свойств исследуемого материала к аналогичным свойствам вакуума. Она характеризует изолирующие свойства вещества в газообразном, жидком или твердом состояниях. То есть применима практически ко всем диэлектрикам. Величина относительной диэлектрической проницаемости для веществ в газообразном состоянии, как правило, находится в переделах 1. Для жидкостей и твердых тел она может находиться в очень широких пределах – от 2 и практически до бесконечности.

К примеру, относительная диэлектрическая проницаемость пресной воды равна 80, а сегнетоэлектриков – десятки, а то и сотни единиц в зависимости от свойств материала.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость – это постоянная величина. Она характеризует изолирующие свойства конкретного вещества или материала, не зависимо от его местоположения и воздействующих на него внешних факторов.

Использование

Диэлектрическую проницаемость, а точнее ее значения используют при разработке и проектировании новых электронных компонентов , в частности конденсаторов . От ее значения зависят будущие размеры и электрические характеристики компонента. Эту величину также учитывают и при разработке целых электрических схем (особенно в высокочастотной электронике) и даже