Влияние агрегатного состояния на диэлектрическую проницаемость

Линейных диэлектриков

Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, в первую очередь, определяется механизмами поляризации. Однако величина ε в большой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняются плотность вещества, его вязкость и изотропность.

Диэлектрическая проницаемость газов. Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших. рас­стояний между молекулами. Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и диэлектрическая проницаемость их близка 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 различных газов тем больше, чем больше радиус молекулы газа, и численно близка к квадрату коэффициента преломления света дляэтого газа.

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

У воздуха в нормальных условиях относительная диэлектричекая проницаемость равна 1,0006, а ее температурный коэффициент а. _ε имеет значение около – 2*10 ^-6 К^-1..

Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков. Жидкие диэлектрики могут состоять из неполярных или полярных молекул.

Значение относительной диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей определяется электронной поляризацией, поэтому оно невелико, близко к значению квадрата показателя преломления света ε ≈n² и обычно не превышает 2,5.

Зависимость диэлектрической проницаемости неполярной жидкос­ти от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема, т. е. с уменьшением плотности (см. рис. 17.3); а. _ε по абсолютному значению близок к температурному коэффициенту объемного расширения жидкости а. _v. Следует помнить, что а. _ε и а_v отличаются знаком.

Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, опре­деляется одновременно электронной и дипольной релаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей и чем больше число молекул в единице объема.

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков. Диэлект­рическая проницаемость твердых тел может принимать самые различ­ные числовые значения в соответствии с разнообразием структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых телах возможны все виды поляризации.

Наименьшее значение диэлектрической проницаемости имеют твер­дые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающиетолько электронной поляризацией (парафин – 2, алмаз – 5,8 при T=20^оС).

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляриза­циями и имеют значение диэлектрической проницаемости, лежащее в широких пределах. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных кристаллов в большинстве случаев положителен вследствие того, что при повышении температуры наблюдается не только уменьшение плотности вещества, но и возрастание смещения ионов; причем влияние этого фактора сказывается на величине ε сильнее, чем изменение плотности.

Таблица 9.1

Значения ε и а. _εионных кристаллов

 

В табл. 9.1 приведены значения диэлектрической проницаемости и ее температурного коэффициента для некоторых ионных кристаллов (при Т = 20°С).

Диэлектрическая проницаемость различных неорганических стекол, приближающихся по строению к: аморфным диэлектрикам, лежит в сравнительно узких пределах - примерно от 4 до 20; причем а. _εстекол, как правило, положителен.

Полярные органические диэлектрики обладают, как отмечалось, в твердом состоянии дипольно-релаксационной поляризацией. Диэлект­рическая проницаемость этих материалов в большой степени зависит от температуры ичастоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, что и ε дипольных жидкостей.

Диэлектрическая проницаемость сложных диэлектриков. Диэлект­рическую проницаемость сложных диэлектриков, представляющих собой смесь химически невзаимодействующих друг с другом компонен­тов с различными диэлектрическими проницаемостями, можно в первом приближении (при не слишком большом различии ε компонентов) опре­делить на основании уравнения Лихтенеккера, с помощью которого в общем случае рассчитывают самые различные свойства (например, теплопроводность, показатель преломления и др.):

Здесь ε, ε₁ ε₂ — соответственно относительные диэлектрические про­ницаемости смеси и отдельных компонентов; θ₁ и θ₂ — объемные кон­центрации компонентов, θ₁ + θ₂ =1; х — величина, характеризую­щая распределение компонентов и принимающая значения от +1 до -1.

Если оба компонента распределены хаотически (что имеет место в ряде технических диэлектриков, например, в керамике), то после преобразования уравнения Лихтенеккера и подстановки х=0, получим

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости сложного диэлектрика определяют дифференцированием последнего уравнения по температуре