Влияние температуры. Величина e вещества с чисто электронной поляризацией, численно равна квадрату

Величина e вещества с чисто электронной поляризацией, численно равна квадрату показателя преломления n света в диэлектрике:

e_эл = n ². (4.34)

Смещение и деформация электронных орбит атомов или ионов не зависит от температуры, однако, за счет расширения диэлектрика и, следовательно, уменьшения поляризованных числа частиц в единице объема, поляризованность Р и относительная диэлектрическая проницаемость e незначительно уменьшается (рис. 4.4, а, кривая 1).

При достижении температуры плавления t _пл (рис. 4.4, а, кривая 1) плотность вещества, а, значит, и значение диэлектрической проницаемости e изменяется скачком при изменении фазового состояния вещества.

а) б)

Рис. 4.4. Зависимости e от температуры t (а) и частоты f (б)

Поскольку электронная поляризация характеризуется малым временем установления поляризации (электронные оболочки безинерционны), то индуцированный дипольный момент практически не зависит от частоты электрического поля для частот вплоть до 10¹⁴ -10¹⁶ Гц, т.е. при любой частоте электронные оболочки смещаются синфазно электрическому полю. При этом диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты (рис. 4.4, б, кривая 1).

Ионная поляризация характерна для твердых материалов с плотной ионной кристаллической решеткой типа Na ⁺ Cl ^-. В отсутствие поля материал электронейтрален и, в целом, центры масс положительных и отрицательных ионов совпадают. В присутствии электрического поля решетка деформируется, происходит упругое смещение ионов на расстояния, не превышающие параметров кристаллической решетки. Таким образом, за счет процесса поляризации центры масс положительных и отрицательных ионов не совмещены. На гранях диэлектрика появляется связанный заряд, создающий в объеме электрический момент, т.е. поляризованность Р (см. тему 3) становится не равной нулю.

При ионной поляризации с повышением температуры диэлектрика поляризованность увеличивается, поскольку упругие силы, действующие между ионами, уменьшаются по мере увеличении расстояния между узлами при тепловом расширении. Следовательно, с ростом температуры возрастает возможность смещения ионов; относительная диэлектрическая проницаемость с ростом температуры несколько возрастает (рис. 4.4, а, кривая 2).

Время установления ионной поляризации больше, чем электронной, но остается относительно малым (t» 10^-12 -10^-13 c); вследствие этого частота электрического поля практически не влияет на данный процесс поляризации (рис. 4.4, б, кривая 1) до частот 10¹⁰ - 10¹² Гц. При этом для диэлектриков с электронным и ионным механизмом наблюдается особый вид поляризации - резонансная поляризация, и соответствующие ей резонансные потери, связанные с резонансом между частотой действующего на диэлектрик внешнего электрического поля и частотой собственных колебаний электронов и ионов.

Дипольная поляризация связана с ориентацией дипольных молекул в полярных диэлектриках под действием электрического поля. При низких температурах вязкость диэлектрика настолько велика, что дипольные структуры “заморожены”, т.е. не имеют возможность двигаться и поляризоваться; при этих температурах поляризация носит электронный характер и значение диэлектрической проницаемости равно e_эл (рис. 4.4, а, кривая 3). При увеличении температуры диэлектрика молекулярные силы ослабляются, что приводит к уменьшению вязкости вещества, и диэлектрическая проницаемость в некотором интервале температур (t ₁… t ₂) растет. При дальнейшем возрастании температуры увеличивается вероятность хаотического теплового движения элементов структуры, в связи с чем регулярные движения полярных молекул в переменном поле нарушаются, поляризованность Р уменьшается, и относительная диэлектрическая проницаемость e нелинейно падает.

Другими словами, зависимость e полярных диэлектриков от температуры представляется нелинейной зависимостью (рис. 4.4, кривая 3). При малых температурах (t < t ₁) величина e незначительно изменяется (что характерно для электронной поляризации). В диапазоне t ₁ < t < t ₂ относительная диэлектрическая проницаемость возрастает по мере увеличения температуры за счет увеличения поляризованности Р материала при уменьшении вязкости, а затем несколько уменьшается при относительно высоких температурах t > t ₂.

Дата добавления: 2015-07-17