Важнейшие характеристики диэлектриков

Основными характеристиками диэлектрических материалов являются [14]:

1. Диэлектрическая проницаемость () – безразмерная величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая, во сколько раз емкость конденсатора в данной среде превышает емкость того же конденсатора в вакууме e = С/С_o.

Емкость конденсатора в вакууме составляет C_o = e_oS/d, диэлектрическая проницаемость вакуума в международной системе физических величин (СИ) является размерной величиной e_o =  = 8,854.10^-12 Ф/м.

Диэлектрическая проницаемость связана с поляризуемостью диэлектрика (a), определяющей возможность переориентации его структурных элементов во внешнем электрическом поле и характеризующаяся коэффициентом, связывающим дипольный момент (р) и локальное электрическое поле (Е)

причем a = a_e + a_i + a_d + a_s, где a_e - смещение электронного облака, a_i - ионов, a_d - диполей, a_s - объемного заряда.

Электронная поляризуемость a_e возникает в результате смещения электронных орбиталей атомов относительно ядер и присуща всем твердым телам. У некоторых твердых веществ, например алмаза, _e - единственная составляющая поляризуемости; a_i - связана с относительным смещением или разделением катионов и анионов в твердом теле (определяет поляризацию в ионных кристаллах); a_d - возникает в веществах, имеющих постоянные электрические диполи (H₂O, HCl), которые могут удлиняться или менять ориентацию под действием поля.

Соотношение между ионной и электронной поляризацией характеризует меру упорядоченности электронов относительно ионов кристаллической решетки:

 (2)

По вкладу в величину поляризации и диэлектрическую проницаемость a_s> a_d> a_i>a_e. Эти составляющие поляризуемости находят из емкостных, микроволновых и оптических измерений в широком интервале частот (f) (рисунок 1).

Поляризуемость и диэлектрическая проницаемость диэлектриков сильно зависят от частоты прилагаемого электрического поля f.

При f <10³ Гц все составляющие  дают вклад в величину p. При f>10⁶ объемный заряд не успевает образоваться у большинства ионных кристаллов. При f>10⁹ (микроволновая область) - нет поляризации диполей. Область f >10¹² (оптическая), где единственная составляющей поляризации является a_e. В оптической области n² = e'_¥ (показатель преломления в видимой области спектра).

Общий вид зависимости диэлектрической проницаемости от частоты приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты

В области между  и  диэлектрическую проницаемость представляют в виде комплексной величины e * = e ' - j e " , где e` - вещественная составляющая, а

где w = 2 p f (угловая частота), t - время релаксации (сейчас для описания сложных процессов поляризации в диэлектриках вводится понятие "распределение времен релаксации").

2. Тангенс угла диэлектрических потерь ( tgδ ) – безразмерная величина, характеризующая рассеяние электрической энергии в конденсаторе, связанное с переходом этой энергии в тепловую (нагревом конденсатора) и рассеянием в окружающей среде. δ – угол потерь, дополняющий до 90  угол сдвига между током и напряжением в цепи конденсатора и отличный от нуля в силу наличия у реального диэлектрика конечного, а у обкладок – отличного от нуля сопротивления постоянному току и запаздывания поляризации диэлектрика по отношению к изменению внешнего поля. Значения tgδ при заданных внешних условиях зависит от свойств диэлектрика (на не слишком высоких частотах) и материала обкладок. Определяющими величину tgδ процессами в диэлектрике являются его электропроводность и релаксационная поляризация.

Тангенс диэлектрических потерь определяется соотношением:

Величина tgd для высококачественных диэлектриков составляет порядка 0,001. Например для керамических конденсаторов номиналом (емкостью С) 10...50 пФ tgd не превышает 1,5(150/С+7)^.10^-4. Для конденсаторов номиналом С > 50 пФ tgd не выше 0,0015. Для конденсаторов с емкостью порядка 0,01 мкФ tg ~ ,35.

Характеристики диэлектриков определяют с использованием вольт-емкостных (C-V) или вольт-фарадных (ВФХ) методов [15].