Как известно, окружающий нас воздух представляет собой комбинацию нескольких газов, поэтому является хорошим диэлектриком. В частности, благодаря этому во многих случаях удается избежать необходимости организации дополнительных изолирующих слоев какого-либо материала вокруг проводника. Сегодня мы поговорим о том, проницаемость воздуха. Но сначала, пожалуй, начнем с определения того, что именно понимают под термином «диэлектрик».

Все вещества в зависимости от способности проводить электрический ток условно подразделяются на три больших группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Первые оказывают минимальное сопротивление направленному прохождению по ним заряженных частиц. Самая большая их группа - это металлы (алюминий, медь, железо). Вторые проводят ток при определенных условиях (кремний, германий). Ну а третьих настолько велико, что ток по ним не проходит. Яркий пример - воздух.

Что же происходит, когда вещество попадает в зону действия электрического поля? Для проводников ответ очевиден - возникает электрический ток (разумеется, при наличии замкнутого контура, обеспечивающего «путь» для частиц). Так происходит благодаря тому, что изменяется способ взаимодействия зарядов. Совершенно другие процессы происходят при воздействии поля на диэлектрический материал. При изучении взаимодействия частиц, обладающих было замечено, что сила взаимодействия зависит не только от численного значения заряда, но и от среды, разделяющей их. Это важная характеристика получила название «диэлектрическая проницаемость вещества». Фактически, она представляет собой поправочный коэффициент, так как не имеет размерности. Определяется как отношение значения силы взаимодействия в вакууме к значению в какой-либо среде. Физический смысл термина «диэлектрическая проницаемость» следующий: данная величина показывает степень ослабления электрического поля диэлектрическим материалом по сравнению с вакуумом. Причина данного явления кроется в том, что молекулы материала затрачивают энергию поля не на проводимость частиц, а на поляризацию.

Известно, что воздуха равна единице. Много это или мало? Давайте разберемся. Сейчас нет необходимости самостоятельно рассчитывать числовое значение проницаемости для большинства распространенных веществ, так как все эти данные приводятся в соответствующих таблицах. Кстати, именно из подобной таблицы взято равное единице. Диэлектрическая проницаемость воздуха почти в 8 раз меньше, чем у, например, гетинакса. Зная это число, а также значение зарядов и расстояние между ними, можно вычислить силу их взаимодействия, при условии разделения воздушной средой или пластиной гетинакса.

Формула для силы следующая:

F = (Q1*Q2) / (4* 3.1416* E0*Es*(r*r)),

где Q1 и Q2 - значения зарядов; E0 - проницаемость в вакууме (константа, равная 8.86 в степени -12); Es - диэлектрическая проницаемость воздуха («1» или значение для любого другого вещества, по таблице); r - расстояние между зарядами. Все размерности берутся в соответствии с системой СИ.

Не следует путать два разных понятия - «магнитная проницаемость воздуха» и его же диэлектрическая проницаемость. Магнитная является еще одной характеристикой любого вещества, также представляющей собой коэффициент, однако его смысл другой - взаимосвязь и значения в определенном веществе. В формулах используется эталонный показатель - магнитная проницаемость для чистого вакуума. Как первое, так и второе понятия используются для выполнения расчетов различных электротехнических устройств.

Диэлектрическая проницаемость – это один из основных параметров, характеризующих электрические свойства диэлектриков . Другими словами он определяет насколько хорошим изолятором является тот или иной материал.

Значение диэлектрической проницаемости показывает зависимость электрической индукции в диэлектрике от напряженности электрического поля , воздействующего на него. При этом на ее величину оказывают влияние не только физические свойства самого материала или среды, но еще и частота поля. Как правило в справочниках указывается величина, измеренная для статического или низкочастотного поля.

Различают два вида диэлектрической проницаемости: абсолютную и относительную.

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает отношение изолирующих (диэлектрических) свойств исследуемого материала к аналогичным свойствам вакуума. Она характеризует изолирующие свойства вещества в газообразном, жидком или твердом состояниях. То есть применима практически ко всем диэлектрикам. Величина относительной диэлектрической проницаемости для веществ в газообразном состоянии, как правило, находится в переделах 1. Для жидкостей и твердых тел она может находиться в очень широких пределах – от 2 и практически до бесконечности.

К примеру, относительная диэлектрическая проницаемость пресной воды равна 80, а сегнетоэлектриков – десятки, а то и сотни единиц в зависимости от свойств материала.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость – это постоянная величина. Она характеризует изолирующие свойства конкретного вещества или материала, не зависимо от его местоположения и воздействующих на него внешних факторов.

Использование

Диэлектрическую проницаемость, а точнее ее значения используют при разработке и проектировании новых электронных компонентов , в частности конденсаторов . От ее значения зависят будущие размеры и электрические характеристики компонента. Эту величину также учитывают и при разработке целых электрических схем (особенно в высокочастотной электронике) и даже

Диэлектрическая проницаемость диэлектри́ческая проница́емость

величина ε, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. В изотропной среде ε связана с диэлектрической восприимчивостью χ соотношением: ε = 1 + 4π χ. Диэлектрическая проницаемость анизотропной среды - тензор. Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты поля; в сильных электрических полях Диэлектрическая проницаемость начинает зависеть от напряжённости поля.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

ДИЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ПРОНИЦА́ЕМОСТЬ, безразмерная величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия F o в вакууме:
e =F о /F.
Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) , количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.
Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, определяется механизмами поляризации (см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ) . Однако величина в большой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняется плотность вещества, его вязкость и изотропность (см. ИЗОТРОПИЯ) .
Диэлектрическая проницаемость газов
Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и диэлектрическая проницаемость их близка к единице. Поляризация газа может быть чисто электронной или дипольной, если молекулы газа полярны, однако и в этом случае основное значение имеет электронная поляризация. Поляризация различных газов тем больше, чем больше радиус молекулы газа, и численно близка к квадрату коэффициента преломления для этого газа.
Зависимость газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема газа, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.
У воздуха в нормальных условиях e =1,0006, а ее температурный коэффициент имеет значение около 2 . 10 -6 К -1 .
Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков
Жидкие диэлектрики могут состоять из неполярных или полярных молекул. Значение e неполярных жидкостей определяется электронной поляризацией, поэтому оно невелико, близко к значению квадрата преломления света и обычно не превышает 2,5. Зависимость e неполярной жидкости от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема, т. е. с уменьшением плотности, а ее температурный коэффициент близок к температурному коэффициенту объемного расширения жидкости, но отличается знаком.
Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей (см. ДИПОЛЬ) и чем больше число молекул в единице объема. Температурная зависимость в случае полярных жидкостей носит сложный характер.
Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков
В твердых телах может принимать самые разные числовые значения в соответствии с разнообразием структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации.
Наименьшее значение e имеют твердые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающие только электронной поляризацией .
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют значения e, лежащие в широких пределах (e каменной соли - 6; e корунда - 10; e рутила - 110; e титаната кальция - 150).
e различных неорганических стекол, приближающихся по строению к аморфным диэлектрикам, лежит в сравнительно узких пределах от 4 до 20.
Полярные органические диэлектрики обладают в твердом состоянии дипольно-релаксационной поляризацией. e этих материалов в большой степени зависит от температуры и частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, что и у дипольных жидкостей.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "диэлектрическая проницаемость" в других словарях:

Величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. В изотропной среде e связана с диэлектрической восприимчивостью c соотношением: e = 1 + 4pc. Диэлектрическая проницаемость… … Большой Энциклопедический словарь

Величина e, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрич. поля Е. Д. п. входит в Кулона закон как величина, показывающая, во сколько раз сила вз ствия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Ослабление вз… … Физическая энциклопедия

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, Величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Величина e колеблется в широких пределах: водород 1,00026, трансформаторное масло 2,24,… … Современная энциклопедия

- (обозначение e), в физике одно из свойств различных материалов (см. ДИЭЛЕКТРИК). Выражается отношением плотности ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТОКА в среде к напряженности ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, которое его вызывает. Диэлектрическая проницаемость вакуума… … Научно-технический энциклопедический словарь

диэлектрическая проницаемость - Величина, характеризующая диэлектрические свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно электрическому смещению. [ГОСТ Р 52002 2003]… … Справочник технического переводчика

Диэлектрическая проницаемость - ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Величина e колеблется в широких пределах: водород 1,00026, трансформаторное масло 2,24,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Диэлектрическая проницаемость - величина, характеризующая диэлектрические свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно электрическому смещению... Источник:… … Официальная терминология

диэлектрическая проницаемость - абсолютная диэлектрическая проницаемость; отрасл. диэлектрическая проницаемость Скалярная величина, характеризующая электрические свойства диэлектрика равная отношению величины электрического смещения к величине напряженности электрического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

Абсолютная диэлектрическая проницаемость Относительная диэлектрическая проницаемость Диэлектрическая проницаемость вакуума … Википедия

диэлектрическая проницаемость - dielektrinė skvarba statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinio srauto tankio tiriamojoje medžiagoje ir elektrinio lauko stiprio santykis. atitikmenys: angl. dielectric constant; dielectric permittivity; permittivity rus. диэлектрическая… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Книги

• Свойства материалов. Анизотропия, симметрия, структура. Пер. с англ. , Ньюнхем Р.Э.. Эта книга посвящена анизотропии и взаимосвязи структуры материалов с их свойствами. Она охватывает обширный диапазон тем и является своего рода вводным курсом пофизическим свойствам…

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Диэлектрическая проницаемость среды ε c есть величина, характеризующая влияние среды на силы взаимодействия электрических полей. Различные среды имеют различные значения ε c .

Абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума называется электрической постоянной ε 0 =8,85 10 -12 ф/м.

Отношение абсолютной диэлектрической проницаемости среды к электрической постоянной называют относительной диэлектрической проницаемостью

т.е. относительная диэлектрическая проницаемость ε - это величина показывающая, во сколько раз абсолютная диэлектрическая проницаемость среды больше электрической постоянной. Величина ε размерности не имеет.

Таблица 1

Относительная диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов

Как видно из таблицы у большинства диэлектриков ε = 1-10и мало зависит от электрических условий и температуры среды.

Существует группа диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками , в которых ε может достигать значений до 10 000, причем ε сильно зависит от внешнего поля и температуры. К сегнетоэлектрикам относятся титанат бария, титанат свинца, сегнетова соль и др.

Контрольные вопросы

1. Каково строение атома алюминия, меди?

2. В каких единицах измеряются размеры атомов и их частиц?

3. Какой электрический заряд имеют электроны?

4. Почему в обычном состоянии вещества электрически нейтральны?

5. Что называется электрическим полем и как оно условно изображается?

6. От чего зависит сила взаимодействия между электрическими зарядами?

7. Почему одни материалы являются проводниками, а другие изоляторами?

8. Какие материалы относятся к проводника, а какие к изоляторам?

9. Как можно зарядить тело положительным электричеством?

10. Что называется относительной диэлектрической проницаемостью?

ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ПО

ФИЗИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по разделу физики «Твердого тела» для студентов технических специальностей всех форм обучения

Красноярск 2012

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент О.Н. Бандурина

(Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М.Ф. Решетнева)

Печатается по решению методической комиссии ИКТ

Определение диэлектрической проницаемости полупроводников. Виртуальная лабораторная работа №3 по физике твердого тела: Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по разделу физики «Твердого тела» для студентов техн. спец. всех форм обучения / сост.: А.М. Харьков; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2012. – 21 с.

Сибирский государственный аэрокосмический

университет имени академика М.Ф. Решетнева, 2012

Введение……………………………………………………………………………...4

Допуск к лабораторной работе……………………………………………………...4

Оформление лабораторной работы к защите……………………………………...4

Определение диэлектрической проницаемости полупроводников…………........5

Теория метода……………………………………………………………………......5

Методика измерения диэлектрической проницаемости…………………..……..11

Обработка результатов измерений………………………..………………………16

Контрольные вопросы…………..………………………………………………….17

Тест………………………………………………………………………………….17

Список литературы…………………………………………………………………20

Приложение…………………………………………………………………………21

ВВЕДЕНИЕ

Данные методические указания содержат описания к лабораторным работам, в которых используются виртуальные модели из курса «Физика твердого тела».

Допуск к лабораторной работе:

Проводится преподавателем по группам с персональным опросом каждого студента. Для допуска:

1) Каждый студент предварительно оформляет свой персональный конспект данной лабораторной работы;

2) Преподаватель индивидуально проверяет оформление конспекта и задает вопросы по теории, методике измерений, установке и обработке результатов;

3) Студент отвечает на заданные вопросы;

4) Преподаватель допускает студента к работе и ставит свою подпись в конспекте студента.

Оформление лабораторной работы к защите:

Полностью оформленная и подготовленная к защите работа должна соответствовать следующим требованиям:

Выполнение всех пунктов: все расчеты требуемых величин, заполнены чернилами все таблицы, построены все графики и т.д.

Графики должны удовлетворять всем требованиям преподавателя.

Для всех величин в таблицах должна быть записана соответствующая единица измерения.

Записаны выводы по каждому графику.

Выписан ответ по установленной форме.

Записаны выводы по ответу.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Теория метода

Поляризация – это способность диэлектрика под действием электрического поля поляризоваться, т.е. изменять в пространстве расположение связанных заряженных частиц диэлектрика.

Важнейшим свойством диэлектриков является их способность к электрической поляризации, т.е. под влиянием электрического поля происходит направленное смещение заряженных частиц или молекул на ограниченное расстояние. Под действие электрического поля смещаются заряды, как в полярных, так и неполярных молекулах.

Существует более десятка различных видов поляризации. Рассмотрим некоторые из них:

1. Электронная поляризация – это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Оно происходит во всех атомах любого вещества, т.е. во всех диэлектриках. Электронная поляризация устанавливается за время 10 -15 –10 -14 с.

2. Ионная поляризация – смещение относительно друг друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. Время ее установления 10 -13 –10 -12 с. Электронная и ионная поляризация относятся к числу мгновенных или деформационных видов поляризации.

3. Дипольная или ориентационная поляризация обусловлена ориентацией диполей в направлении электрического поля. Дипольной поляризацией обладают полярные диэлектрики. Время ее установления 10 -10 –10 -6 с. Дипольная поляризация относится к числу медленных или релаксационных видов поляризации.

4. Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках, в которых электрические заряды накапливаются на границе радела неоднородностей. Процессы установления миграционной поляризации очень медленны и могут протекать на протяжении минут и даже часов.

5. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена избыточным перебросом слабо связанных ионов под действием электрического поля на расстояния, превышающие постоянную решетки. Ионно-релаксационная поляризация проявляется в некоторых кристаллических веществах при наличии в них примесей в виде ионов или неплотной упаковке кристаллической решетки. Время ее установления 10 -8 –10 -4 с.

6. Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или «дырок». Этот вид поляризации, как правило, обуславливает высокое значение диэлектрической проницаемости.

7. Спонтанная поляризация – самопроизвольная поляризация, возникающая в некоторых веществах (например, сегнетовой соли) в определенной области температур.

8. Упруго-дипольная поляризация связана с упругим поворотом диполей на небольшие углы.

9. Остаточная поляризация – поляризация, которая остается в некоторых веществах (электретах) в течение продолжительного времени после снятия электрического поля.

10. Резонансная поляризация . Если частота электрического поля близка к собственной частоте колебаний диполей, то колебания молекул могут возрасти, что приведет к появлению резонансной поляризации в дипольном диэлектрике. Резонансная поляризация наблюдается при частотах лежащих в области инфракрасного света. Реальный диэлектрик может одновременно обладать несколькими видами поляризации. Возникновение того или иного вида поляризации определяется физико-химическими свойствами вещества и диапазоном используемых частот .

Основные параметры:

ε – диэлектрическая проницаемость – мера способности материала к поляризации; это величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в данном материале меньше, чем в вакууме. Внутри диэлектрика возникает поле, направленное противоположно внешнему.

Напряженность внешнего поля ослабевает по сравнению с полем тех же зарядов в вакууме в ε раз, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость.

Если вакуум между обкладками конденсатора заменяется на диэлектрик, то в результате поляризации емкость возрастает. На этом основано простое определение диэлектрической проницаемости:

где C 0 – емкость конденсатора, между обкладками которого – вакуум.

C d – емкость того же конденсатора с диэлектриком.

Диэлектрическая проницаемость ε изотропной среды определяется отношением:

(2)

где χ – диэлектрическая восприимчивость.

D = tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь

Диэлектрические потери – потери электрической энергии, обусловленные протеканием токов в диэлектриках. Различают ток сквозной проводимости I ск.пр, вызванный наличием в диэлектриках небольшого количества легкоподвижных ионов, и поляризационные токи. При электронной и ионной поляризации поляризационный ток называется током смещения I см, он очень кратковременный и не регистрируется приборами. Токи, связанные с замедленными (релаксационными) видами поляризации, называются токами абсорбции I абс. В общем случае суммарный ток в диэлектрике определяется как: I=I абс +I ск.пр. После установления поляризации суммарный ток будет равен: I=I ск.пр. Если в постоянном поле поляризационные токи возникают в момент включения и выключения напряжения, и суммарный ток определяется в соответствии с уравнением: I=I ск.пр, то в переменном поле поляризационные токи возникают в момент смены полярности напряжения. Вследствие этого потери в диэлектрике в переменном поле могут быть значительными, особенно если полупериод приложенного напряжения приближается к времени установления поляризации.

На рис. 1(a) приведена схема, эквивалентная конденсатору с диэлектриком, находящемуся в цепи переменного напряжения. В этой схеме конденсатор с реальным диэлектриком, который обладает потерями, заменен идеальным конденсатором C с параллельно включенным активным сопротивлением R. На рис. 1(б) приведена векторная диаграмма токов и напряжений для рассматриваемой схемы, где U – напряжения в цепи; I ак – активный ток; I р – реактивный ток, который опережает по фазе на 90° активную составляющую; I ∑ - суммарный ток. При этом: I а =I R =U/R и I р =I C =ωCU, где ω – круговая частота переменного поля.

Рис. 1. (а) – схема; (б) – векторная диаграмма токов и напряжений

Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током I ∑ и напряжением U в емкостной цепи. Потери в диэлектриках в переменном поле характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь: tg δ=I а /I р.

Предельные значения тангенса угла диэлектрических потерь для высокочастотных диэлектриков не должны превышать (0,0001 – 0,0004), а для низкочастотный – (0,01 – 0,02).

Зависимости ε и tg δ от температуры T и частоты ω

Диэлектрические параметры материалов в различной степени зависят от температуры и частоты. Большое количество диэлектрических материалов не позволяет охватить особенности всех зависимостей от указанных факторов.

Поэтому на рис. 2 (a, б) изображены общие тенденции, характерные для некоторых основных групп т.е. приведены типичные зависимости диэлектрической проницаемости ε от температуры T (а) и от частоты ω (б).

Рис. 2. Частотная зависимость действительной (εʹ) и мнимой (εʺ) частей диэлектрической проницаемости при наличии ориентационного механизма релаксации

Комплексная диэлектрическая проницаемость. При наличии процессов релаксации диэлектрическую проницаемость удобно записывать в комплексном виде. Если для поляризуемости справедлива формула Дебая:

(3)

где, τ – время релаксации, α 0 – статистическая ориентационная поляризуемость. То, полагая локальное поле равным внешнему, получим (в СГС):

Графики зависимости εʹ и εʺ от произведения ωτ приведены на рис. 2. Заметим, что уменьшение εʹ (действительной части ε) имеет место вблизи максимума εʺ (мнимой части ε).

Такой ход изменения εʹ и εʺ с частотой служит частым примером более общего результата, согласно которому εʹ(ω) от частоты влечет за собой также и зависимость εʺ(ω) от частоты. В системе СИ следует заменить 4π на 1/ε 0 .

Под действием приложенного поля молекулы в неполярном диэлектрике поляризуются, становясь диполями с индуцированным дипольным моментом μ и , пропорциональным напряженности поля:

(5)

В полярном диэлектрике дипольный момент полярной молекулы μ в общем случае равен векторной сумме собственного μ 0 и индуцированного μ и моментов:

(6)

Напряженности поля, создаваемого этими диполями, пропорциональны дипольному моменту и обратно пропорциональны кубу расстояния.

Для неполярных материалов обычно ε = 2 – 2,5 и не зависит от частоты до ω ≈10 12 Hz. Зависимость ε от температуры обусловлена у них тем, что при ее изменении изменяются линейные размеры твердых и объемы жидких и газообразных диэлектриков, что изменяет число молекул n в единице объема

и расстояния между ними. Используя известные из теории диэлектриков соотношения F=n\ μ и и F= ε 0 (ε- 1)Е, где F – поляризованность материала, для неполярных диэлектриков имеем:

(7)

При E=const также μ и = const и температурное изменение ε обусловлено только изменением n, которое является линейной функцией температуры Θ, зависимость ε = ε(Θ) также является линейной. Для полярных диэлектриков аналитических зависимостей нет, и обычно пользуются эмпирическими.

1)С возрастанием температуры объем диэлектрика увеличивается и диэлектрическая проницаемость немного уменьшается. Особенно заметно уменьшение ε в период размягчения и плавления неполярных диэлектриков, когда их объем существенно возрастает. Ввиду высокой частоты обращения электронов на орбитах (порядка 10 15 –10 16 Hz) время установления равновесного состояния электронной поляризации очень мало и проницаемость ε неполярных диэлектриков не зависит от частоты поля в обычно используемом диапазоне частот (до 10 12 Hz).

2) При повышении температуры ослабевают связи между отдельными ионами, что облегчает их взаимодействие под действием внешнего поля и это приводит к увеличению ионной поляризации и диэлектрической проницаемости ε. Ввиду малости времени установления состояния ионной поляризации (порядка 10 13 Hz, что соответствует собственной частоте колебания ионов в кристаллической решетке) изменение частоты внешнего поля в обычных рабочих диапазонах практически не отражается на величине ε в ионных материалов.

3) Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков сильно зависит от температуры и частоты внешнего поля. С возрастанием температуры увеличивается подвижность частиц и уменьшается энергия взаимодействия между ними, т.е. облегчается их ориентация под действием внешнего поля – возрастает дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость. Однако этот процесс продолжается лишь до определенной температуры. При дальнейшем возрастании температуры проницаемость ε уменьшается. Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения и посредством теплового движения, то установление поляризации требует значительного времени. Это время настолько велико, что в переменных полях высокой частоты диполи не успевают ориентироваться по полю, и проницаемость ε падает .

Методика измерения диэлектрической проницаемости

Емкость конденсатора. Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с линейными размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют конденсатор (рис. 3).

Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины:

(8)

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между пластинами.

Физическая величина, определяемая отношением заряда q одной из пластин конденсатора к разности потенциалов Δφ между обкладками конденсатора, называется электроемкостью конденсатора :

(9)

Единица электроемкости СИ – Фарад (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает такой конденсатор, разность потенциалов между обкладками которого равна 1 В при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 Кл: 1 Ф = 1 Кл/1 В.

Емкость плоского конденсатора. Формулу для вычисления электроемкости плоского конденсатора можно получить, используя выражение (8). В самом деле, напряженность поля: Е = φ/εε 0 = q/εε 0 S , где S – площадь пластины. Поскольку поле однородное, то разность потенциалов между обкладками конденсатора равна: φ 1 – φ 2 = Еd = qd /εε 0 S , где d – расстояние между обкладками. Подставив в формулу (9), получим выражение для электроемкости плоского конденсатора:

(10)

где ε 0 – диэлектрическая проницаемость воздуха; S – площадь пластины конденсатора, S=hl , где h – ширина пластины, l – ее длина; d – расстояние между пластинами конденсатора.

Выражение (10) показывает, что электроемкость конденсатора можно увеличить путем увеличения площади S его обкладок, уменьшения расстояния d между ними и применения диэлектриков с большими значениями диэлектрической проницаемости ε .

Рис. 3. Конденсатор с помещенным в него диэлектриком

Если между пластинами конденсатора поместить пластину из диэлектрика, емкость конденсатора изменится. Следует рассмотреть вариант расположения диэлектрической пластины между пластинами конденсатора.

Обозначим: d в – толщину воздушного промежутка, d м – толщину диэлектрической пластины, l В – длину воздушной части конденсатора, l м – длину части конденсатора, заполненной диэлектриком, ε м – диэлектрическую проницаемость материала. Если учесть, что l = l в + l м, а d = d в + d м, то эти варианты можно рассмотреть для случаев:

В случае l в = 0, d в = 0 мы имеем конденсатор с твердым диэлектриком:

(11)

Из уравнений классической макроскопической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла следует, что при помещении диэлектрика в слабое переменное поле, изменяющееся по гармоническому закону с частотой ω, тензор комплексной диэлектрической проницаемости приобретает вид:

(12)

где σ – оптическая проводимость вещества, εʹ – диэлектрическая проницаемость вещества, связанная с поляризацией диэлектрика. Выражение (12) можно привести к следующему виду:

где мнимое слагаемое отвечает за диэлектрические потери .

На практике измеряют С – емкость образца, имеющего форму плоского конденсатора. Этот конденсатор характеризуется тангенсом угла диэлектрических потерь:

tgδ=ωCR c (14)

или добротностью:

Q c =1/ tgδ (15)

где R c – сопротивление, зависящее, главным образом, от диэлектрических потерь. Для измерения этих характеристик существует ряд методов: различные мостовые методы, измерения с преобразованием измеряемого параметра во временной интервал и т.д. .

При измерениях емкости С и тангенса угла диэлектрических потерь D = tgδ в данной работе была использована методика, разработанная кампанией GOOD WILL INSTRUMENT Со Ltd. Измерения проведены на прецизионном измерителе иммитанса – LCR-819-RLC. Прибор позволяет измерять емкость в пределах 20 pF–2,083 mF, тангенс угла потерь в пределах 0,0001-9999 и подавать поле смещения. Внутреннее смещение до 2 В, внешнее смещение до 30 В. Точность измерений составляет 0,05 %. Частота тест-сигнала 12 Hz -100 kHz.

В этой работе измерения проведены на частоте 1 kHz в интервале температур 77 К < T < 270 К в нулевом магнитном поле и в поле 5 kOe. Образцы для измерений имели форму параллелепипеда с размерами 2*3*4 мм (х=0.1), где d = 2 мм – толщина образца, площадь грани S = 3*4 мм 2 .

С целью получений температурных зависимостей ячейка с образцом помещается в поток хладагента (азота) пропускаемый через теплообменник, температура которого задается нагревателем. Температура нагревателя контролируется терморегулятором. Обратная связь с измерителя температуры на терморегулятор позволяет задавать скорость измерения температуры, либо осуществлять ее стабилизацию. Для контроля температуры используется термопара. В данной работе температура изменялась со скоростью 1 град/мин. Указанный метод позволяет измерять температуру с погрешностью 0,1 град.

Измерительная ячейка с закрепленным на ней образцом помещается в проточный криостат. Связь ячейки с LCR-метром осуществляется экранированными проводами через разъем в капке криостата. Криостат размещен между полюсами электромагнита ФЛ-1. Блок питания магнита позволяет получать магнитные поля до 15 kOe. Для измерения величины напряженности магнитного поля Н используется термостабилизированный датчик Холла с блоком электроники. Для стабилизации магнитного поля между блоком питания и измерителем магнитного поля существует обратная связь.

Измеренные значения емкости С и тангенса угла потерь D = tg δ связаны со значениями искомых физических величин εʹ и εʺ следующими соотношениями:

(16)

(17)

№	C (pF)	Re (ε’)	T (°К)	tg δ	Q c	Im (ε”)	ω (Hz)	σ (ω)
	3,805	71,66		0,075	13,33	5,375	10 3
	3,838			0,093
	3,86			0,088
	3,849			0,094
	3,893			0,106
	3,917			0,092
	3,951			0,103
	3,824			0,088
	3,873			0,105
	3,907			0,108
	3,977			0,102
	4,031			0,105
	4,062			0,132
	4,144			0,109
	4,24			0,136
	4,435			0,175
	4,553			0,197
	4,698			0,233
	4,868			0,292
	4,973			0,361
	5,056			0,417
	5,164			0,491
	5,246			0,552
	5,362			0,624
	5,453			0,703
	5,556			0,783
	5,637			0,867
	5,738			0,955
	5,826			1,04
	5,902			1,136

Таблица №1. Gd x Mn 1-x S, (x=0.1).