Сегнетоелектрики, які мають спонтанну електронну, іонну або іонно-електронно-релаксаційну поляризацію (сегнетова сіль, титан барію)

4.         Сегнетоелектрики, які мають спонтанну електронну, іонну або іонно-електронно-релаксаційну поляризацію (сегнетова сіль, титан барію).

Діелектрична проникність різних типів матеріалів

Діелектрична проникність газу

Газоподібні речовини мають малу щільність тому, що відстань між молекулами велика, а тому діелектрична проникність всіх газів мала і близька до одиниці.

Поляризація газу може бути електронною або дипольною, якщо молекули газу полярні. Але, навіть для полярних газів основною є електронна поляризація.

Показник заломлення та діелектрична проникність деяких газів

ГАЗ	Радіус Молекули (нм)	Показник заломлення n	Діелектрична проникність	n2
Гелій (Не)	0,112	1,000035	1,000072	1,000070
Водень (Н)	0,135	1,00014	1,00027	1,00028
Кисень (О)	0,182	1,00027	1,00055	1,00054
Аргон (Ar)	0,183	1,000275	1,00056	1,00055
Азот (N)	0,191	1,00030	1,00060	1,00060
Вуглекислий газ	0,230	1,00050	1,00096	1,00100

З таблиці видно, що діелектрична проникність газу тим вище, чим більше радіус молекули.

Показник заломлення це є відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення.

 

– показник заломлення світла при переході з першого середовища в друге

Зміна кількості молекул в одиниці об’єму газу n₀ при зміні температури та тиску приводить до зміни діелектричної проникності газу. Число молекул в одиниці об’єму прямо пропорційно тиску та зворотно-пропорційно абсолютній температурі.

Висновок: чим більше Т, тим менше ; чим більше р, тим більше , оскільки число молекул в одиниці об’єму газу n_o n_o=p/(kT).

Діелектрична проникність рідинних діелектриків

Рідинні діелектрики можуть бути побудовані з неполярних молекул або з полярних (дипольних). Значення діелектричної проникності неполярної рідини невелика та близька до значення квадрату показника заломлення світла.

²

Залежність діелектричної проникності неполярної рідини від температури пов’язана з зменшенням кількості молекул в одиниці об’єму (теплове розширення діелектрика).

			Залежність для неполярної рідини від частоти

Значення діелектричної проникності неполярної рідини не перевищує 2,5.

Поляризації рідини з дипольними молекулами

Визначається одночасно електронною та дипольною поляризаціями.

Температурна залежність діелектричної проникності полярної рідини більш складна, ніж неполярної та має вигляд:

1) для F₁ = 50 Гц

2) для F₂ = 400 Гц

3) для F₃ = 1000 Гц

Вигляд залежності пояснюється тим, що при збільшенні температури молекулярні сили послаблюються, в’язкість речовини знижується, що повинно підсилювати дипольну поляризацію, однак в той же час збільшується енергія теплового руху молекул, що зменшує енергію орієнтуючої дії поля. Тому з ростом температури дипольна поляризація на початку зростає, а потім, коли хаотичний рух стає інтенсивніше, дипольна поляризація починає падати. Значення для різних температур частіше всього знаходять методом графічного диференціювання кривої (t) при f = const. Для визначення коефіцієнта при температурі t₁ та заданій частоті f₁ проводять дотичну до кривої в точці (t₁, f₁) та на ній будують прямокутний трикутник, далі роблять розрахунок

Цей метод можливо використовувати при любому механізмі поляризації та любій залежності (t) (мається на увазі люба форма залежності).

Значний вплив на  дипольної рідини має частота. Залежність від частоти має такий вигляд:

На низькій частоті  диполі встигають за полем і досить велика і близька до = (для постійної напруги). Коли частота збільшується, молекули не встигають за зміною поля і  зменшується до значення  ≈ n², яка обумовлена електронною поляризацією. Частота, при якій це відбувається визначається за формулою:

де – динамічна в’язкість;

– радіус молекули;

k – постійна Больцмана і рівна 1,38*10 ^–23 Дж/К

Час релаксації молекул пов’язаний з частотою відомим співідношенням

Діелектрична проникність полярної рідини знаходиться в межах 3,5...5 і значно більше ніж у неполярної рідини.

Діелектрична проникність твердих діелектриків

Діелектрична проникність твердих тіл залежить від структурних особливостей речовини. В них може існувати любий вид поляризації. Для твердих неполярних діелектриків характерні ті ж закономірності, що й для неполярних газів та рідин. В якості твердого неполярного діелектрика розглянемо парафін.

Діелектрична проникність та показник заломлення деяких неполярних твердих матеріалів

Матеріал	n	n2
Парафін	1,43	2,06	1,9…2,2
Полістірол	1,55	2,40	2,4…2,6
Сірка	1,92	3,69	3,6…4,0
Алмаз	2,40	5,76	5,6…5,8

При переході парафіну з твердого стану в рідину (при t⁰ = 54⁰C ) відбувається різке зменшення діелектричної проникності тому, що зменшується щільність речовини.

Залежність  від температури має вигляд (для парафіну):

Полярні органічні діелектрики мають дипольні-релаксаційну поляризацію. Ця поляризація сильно залежить від температури і частоти прикладеної напруги. В якості прикладу розглянемо лід.

Діелектрична проникність льоду при низьких частотах і температурі ≈ 0⁰С лід, як і вода має , однак з пониженням температури  швидко зменшується до рівня ≈ 2,85.

Діелектрична проникність сегнетоелектриків велика і має яскраву залежність від напруженості поля та температури. Температура, при якій  має максимум називається температурою (точкою) Кюрі.

До сегнотоелектриків відносять:

NaKC₄ H₄ O₆ • 4H₂ O – сегнетова сіль = 500...600.

ВаТіО₃ – тітан барія = 1500... 2000.

В області температур вище точки Кюрі зникають сегнетоелектричні якості (залежність  від напруженості електричного поля).

Висновки: При використанні діелектриків різного типу, потрібно вміти розраховувати їх основні параметри в залежності від температури та частоти.