Относительная диэлектрическая проницаемость - важнейший параметр, определяющий поведение диэлектриков в электрическом поле. Данная статья подробно рассмотрит ее физический смысл, типичные значения для различных материалов и области применения на практике.
Понятие диэлектрической проницаемости
Диэлектрическая проницаемость характеризует поляризуемость диэлектрика в электрическом поле. Она определяет, насколько сильно электрическое поле проникает и взаимодействует с веществом. Различают абсолютную и относительную диэлектрические проницаемости.
Абсолютная диэлектрическая проницаемость ε является фундаментальной физической константой, не зависящей от свойств конкретного материала. Относительная диэлектрическая проницаемость εr показывает, во сколько раз поляризуемость данного диэлектрика больше, чем в вакууме:
ε = εr ε0, где ε0 = 8,85·10-12 Ф/м - диэлектрическая постоянная.
Относительная диэлектрическая проницаемость среды εотн – безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды.
Под действием электрического поля E в диэлектрике возникает явление поляризации P - наведение ориентированных дипольных моментов. Поляризация пропорциональна напряженности поля:
P = ε0χeE,
где χe - электрическая восприимчивость среды. Из этого соотношения следует связь относительной диэлектрической проницаемости и восприимчивости:
εr = 1 + χe.
Механизмы поляризации диэлектриков
Поляризация диэлектриков может быть обусловлена различными механизмами в зависимости от строения вещества и параметров электрического поля.
- Деформационная поляризация в неполярных молекулах и атомах за счет их искажения.
- Ориентационная поляризация в полярных молекулах за счет поворота диполей.
- Ионная поляризация в ионных кристаллах за счет относительного смещения ионов.
- Электронная поляризация, обусловленная смещением электронных оболочек атомов.
При переменных полях с частотой ω возникает частотная дисперсия диэлектрической проницаемости. Проявляются релаксационные процессы с характерными временами поляризации τ. На высоких частотах (ωτ >> 1) относительная диэлектрическая проницаемость стремится к оптическому пределу.
Факторы, влияющие на диэлектрическую проницаемость
К основным факторам, от которых зависит диэлектрическая проницаемость материалов, относятся:
- Температура. С повышением температуры подвижность носителей заряда обычно возрастает.
- Давление. Приводит к изменению межмолекулярных взаимодействий.
- Влажность. Вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость.
- Частота электрического поля. Из-за релаксационных процессов.
- Наличие примесей и дефектов.
- Механические напряжения.
- Особенности кристаллической решетки.
Так, например, относительная диэлектрическая проницаемость воды при температуре 20°C и частоте 0 ГГц равна 80. Если температура 0°C, а частота та же, относительная диэлектрическая проницаемость воды равна 88.
| Материал | Относительная диэлектрическая проницаемость |
| Воздух | 1,00059 |
| Вода (20 °C) | 80 |
| Стекло | 3-10 |
| Керамика TiO2 | 170 |
| Полистирол | 2,4-2,7 |
Медь, с другой стороны, имеет относительную диэлектрическую проницаемость 5,6. Это означает, что вода как среда уменьшит напряжение на конденсаторе в 80 раз, в то время как медь уменьшит его только в 5,6 раз.
Измерение диэлектрической проницаемости
Существует несколько основных методов измерения диэлектрической проницаемости:
- Емкостные методы с использованием конденсаторов.
- Резонансные методы, основанные на анализе частотных характеристик резонаторов.
- Оптические методы, в том числе эллипсометрия.
Выбор метода зависит от частотного диапазона, требуемой точности, параметров материала. Подготовка образцов также играет важную роль для корректных измерений.
Применение высокодиэлектрических материалов
Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью ε широко используются в электротехнике и радиоэлектронике для создания компактных конденсаторов большой емкости по формуле:
C = εε0S/d,
где S - площадь обкладок, d - расстояние между ними. При прочих равных условиях увеличение ε приводит к росту удельной емкости.
Применение низкодиэлектрических материалов
Материалы с низкой диэлектрической проницаемостью важны как электроизоляторы в высоковольтных устройствах, кабелях и других компонентах. Пониженная ε снижает вероятность пробоя изоляции.
Кроме того, такие диэлектрики используются в СВЧ-технике для согласования волнового сопротивления различных устройств антенн, резонаторов и т.д.
Диэлектрические потери в материалах
Наряду с диэлектрической проницаемостью важную роль играют потери в диэлектрике. Они приводят к нагреву конденсаторов на переменном токе, снижению добротности резонаторов.
Величина потерь определяется тангенсом угла диэлектрических потерь:
tgδ = ε''/ε',
где ε'', ε' - мнимая и действительная части комплексной диэлектрической проницаемости.
Частотная дисперсия свойств
Диэлектрическая проницаемость и потери сильно зависят от частоты переменного поля. Это связано с релаксационными процессами в материале.
Дисперсионный анализ позволяет изучать микроскопическую структуру и динамику диэлектриков на основе их частотных характеристик.
Нелинейные диэлектрики
У некоторых материалов зависимость поляризации P от напряженности поля E является нелинейной. Это приводит к тому, что относительная диэлектрическая проницаемость становится функцией напряженности поля:
εr = f(E).
Такое поведение может быть обусловлено особенностями электронной структуры, наличием сегнетоэлектрических доменов и другими факторами. Нелинейные диэлектрики применяются в варикапах, электрооптических модуляторах и других устройствах.
Сегнетоэлектрические материалы
Особый класс диэлектриков представляют сегнетоэлектрики, обладающие спонтанной электрической поляризацией в отсутствие внешнего поля. Примеры: титанат бария, ниобат лития, танталат калия и натрия.
Сегнетоэлектрики характеризуются аномально высокими значениям εr, петлей диэлектрического гистерезиса, нелинейными и нерезонансными оптическими свойствами.
Анизотропные диэлектрики
В анизотропных кристаллах диэлектрическая проницаемость является тензорной величиной.
Знание компонентов тензора необходимо для расчетов устройств, использующих оптические и СВЧ-свойства анизотропных диэлектриков.
Композитные диэлектрики
Для получения материалов с нужным комплексом физических свойств используют диэлектрические композиты на основе нескольких компонентов. Например, полимеры или керамика, армированные диэлектрическими наночастицами.
Эффективная диэлектрическая проницаемость композита зависит от объемных долей и свойств составляющих его фаз.
Диэлектрическая спектроскопия
Исследование частотной зависимости диэлектрических свойств материалов называется диэлектрической спектроскопией. Она позволяет получать информацию о структуре и динамических процессах на микро- и наноуровне.
Методы возбуждения: статическое электрическое поле, высокочастотное электромагнитное поле, тепловое возбуждение. Используются широкополосные и резонансные техники измерений.
Применение в биологии и медицине
Измерение диэлектрической проницаемости биологических жидкостей и тканей применяется для мониторинга физиологического состояния, диагностики заболеваний, контроля лечения.
Относительная диэлектрическая проницаемость клеток и тканей сильно отличается от воды. Это используется для обнаружения опухолей и патологий.
Моделирование диэлектрических свойств
Для теоретических расчетов диэлектрической проницаемости разработано множество моделей на основе квантовой механики, статистической физики, термодинамики.
Компьютерное моделирование помогает предсказывать свойства новых материалов, оптимизировать составы композитов, параметры технологических процессов.
Перспективные диэлектрические материалы
Интенсивные исследования по созданию новых диэлектриков с улучшенными и нестандартными свойствами ведутся в области оксидной керамики, сегнетоэлектриков, жидких кристаллов, метаматериалов.
Основные направления: повышение ε, снижение потерь, нелинейность, анизотропия, миниатюризация, расширение рабочих частотных и температурных диапазонов.
Повышение давления приводит к уплотнению структуры диэлектриков, что влияет на поляризационные процессы и диэлектрическую проницаемость. Эффект зависит от агрегатного состояния.
Газообразные диэлектрики
В газах повышение давления вызывает рост плотности и концентрации молекул, что усиливает их поляризацию во внешнем поле. Наблюдается практически линейная зависимость ε(p).
Жидкие диэлектрики
В жидкостях рост давления приводит к незначительным изменениям ε из-за их почти несжимаемости. Эффект проявляется лишь вблизи фазовых переходов или химических превращений.
Твердые диэлектрики
В твердых телах влияние давления на диэлектрическую проницаемость теоретически возможно, но практически не реализуется из-за их высокой сжимаемости.
Температурная зависимость свойств
Повышение температуры активизирует тепловое движение носителей заряда, что влияет на поляризационные явления в диэлектрике и его диэлектрическую проницаемость.
Характер температурной дисперсии зависит от вида поляризации и структуры материала. Существуют диэлектрики с растущей, убывающей и немонотонной температурной зависимостью ε(Т).
Частотная дисперсия диэлектрической проницаемости
Под действием переменного электрического поля с частотой ω в диэлектрике возникают релаксационные процессы, приводящие к частотной дисперсии его диэлектрической проницаемости.
Релаксационная поляризация
При высоких частотах поляризация не успевает достичь равновесного значения за период колебаний поля. Это приводит к уменьшению ε с ростом ω.
Резонансная поляризация
На определенных частотах возникает резонанс между собственными колебаниями системы и внешним полем. Проявляются максимумы диэлектрической проницаемости.
Электронная поляризация
Поляризация электронных оболочек атомов происходит за времена порядка 10−15 с. Поэтому на частотах ниже ИК-диапазона она не проявляет дисперсии.
Частотные диэлектрические потери
Помимо дисперсии диэлектрической проницаемости, на высоких частотах проявляются потери в диэлектрике, обусловленные релаксационными процессами.
Диэлектрические потери характеризуются тангенсом угла потерь tgδ(ω) или мнимой частью комплексной диэлектрической проницаемости ε''(ω).
Пространственная неоднородность среды
В неоднородных средах локальная диэлектрическая проницаемость становится функцией координат. Это важно учитывать при анализе диэлектрических композитов, пористых структур, биологических объектов.
