Задача № 3.3.3

При напряжении 2 кВ плоский конденсатор, изготовленный из высокочастотного диэлектрика, имеет заряд 3,5×10^-8 Кл. При этом же напряжении и при повышении температуры на 100 К заряд возрастает на 1%. Определить диэлектрическую проницаемость материала и температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, если толщина диэлектрика между пластинами конденсатора h=2 мм, а площадь каждой пластины S= 5 см². Какой вывод можно сделать о наиболее вероятном механизме поляризации данного диэлектрика?

ДАНО:

РЕШЕНИЕ

Емкость плоского конденсатора описывается формулой:

Тогда

Из соотношения следует, что ёмкость увеличилать так же не 1% (т.к. напряжение то же, а заряд увеличился на 1%). Так как площадь и расстояние не менялось, то и увеличилось на 1% тоже и стало 8,08 единиц.

Из соотношения

Получим

В зависимости от характера химической связи различают следующие 3 основные механизмы поляризации диэлектриков: электронную, ионную и дипольную (ориентационную).

 

Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и превалирует в кристаллах с ковалентной связью. Под действием внешнего электрического поля P происходит смещение электронов атома относительно его ядра (деформация его электронной оболочки) и возникают индуцированные диполи.

Электронный механизм поляризации является наименее инерционным, т.к. масса электрона значительно меньше массы частиц, участвующих в процессе поляризации. Время установления электронной поляризации составляет ≈ 10^-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний.

 

Ионная поляризация наблюдается в ионных кристаллах и происходит в результате возникновения диполей вследствие относительного смещения (сдвига) положительных и отрицательных ионов под влиянием электрического поля. При этом имеет место также деформация электронных оболочек ионов, что порождает электронную поляризацию. Время установления ионной поляризации примерно на порядок больше (≈ 10^-14 с).

 

Дипольная (ориентационная) поляризация наблюдается в полярных диэлектриках (например, в твердом H₂S). Существующие в отсутствии электрического поля электрические диполи ориентированы хаотично. При включении поля диполи приобретают преимущественную ориентацию. Этот процесс и называют дипольный или ориентационной поляризацией. Переориентация постоянных диполей под действием поля происходит не мгновенно, а постепенно путем поворота их на определенные углы приближающие направление диполей к направлению электрического поля. Дипольная поляризация с ростом температуры уменьшается из-за возрастания энергии теплового движения частиц, снижающей ориентирующее влияние поля. Данный вид поляризации называется также дипольно-релаксационным, т.к. ориентация электрических диполей (при включении поля) или ее ослабление (при снятии поля) происходит постепенно, замедленно, т.е носит релаксационный характер. Такая поляризация связана с потерями энергии и нагревом диэлектрика, поскольку поворот диполей в направлении поля требует некоторого сопротивления со стороны его решетки.

 

-------------

Для нейтральных диэлектриков ε = n², где n- коэффициент преломления света, так как наше значение 8 больше известных значений n², то скорей всего существует ионная поляризация.

 

Ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц обладают электронной и ионной поляризацией, ε изменяется в широких диапазонах. С ростом температуры ε обычно растет. В неорганических аморфных диэлектриках (стеклах) ε изменяется в пределах от 4 до 20, возрастает с ростом температуры, хотя в ряде случаев (рутил TiO2, титанат кальция CaTiO3) может и уменьшаться.

 

Органические полярные диэлектрики имеют дипольно – релаксационную поляризацию. ε изменяется в широких пределах, но обычно имеет значение 4 – 10.

 

Так как диэлектрик расчитан на высокие частоты – это электронная поляризация (существует всегда) и так как значение 8 – велико, то это еще и ионная (главная часть), т.к. их периоды релаксации наименьшие. Так как при увеличении температуры диэлектрическая проницаемость возрастает, а при дипольной убывает то не может быть дипольной, да и время релаксации тоже при дипольной больше.

 

ОТВЕТ: электронная и ионная, определяющее значение – ионная составляющая.