Химия и физика полимеров - Тугов И.И.
ISBN 5—7245—0243—7
Скачать (прямая ссылка):
Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери. В отсутствие внешнего электрического поля заряженные частицы распределены статистически и результирующий электрический момент равен нулю. Под действием внешнего электрическо-.го поля равновесие нарушается, в результате чего возникает электрический момент, т. е. наступает поляризация диэлектрика. Количественно поляризацию Р характеризуют вектором, равным электрическому моменту J единицы объема полимера:
f-o
где gi — заряд диполя; г,- — радиус-вектор, определяющий положение 1-го заряда; N — число диполей.
Величина Р представляет собой сумму двух составляющих: деформационной Рдеф и ориентационной Р0р поляризации; Ядеф — поляризация, обусловленная деформацией электронных оболочек, смещением атомных ядер или ионов; Рор — поляризация, обусловленная ориентацией слабосвязанных ионов внутри диэлектрика или постоянных диполей, характеризующихся постоянным дипольным моментом.
24*
371
Роль диполей в полимерах обычно выполняют полярные заместители, ввязанные ковалентиыми связями с основной цепью макромолекулы нли с боковыми группами. Дипольный момент любого тела ц0 равен произведению величины заряда <? на расстояние между зарядами /. Динольиый момент макромолекулы определяют как векторную сумму составляющих векторов — днпольных моментов звеньев макромолекул. Химическая структура, конфигурация и конформация макромолекул оказывают влияние на величину дн-польного момента.
•
В неполярных полимерах основным видом поляризации является ориентационная. Диполи, которые возникают вследствие деформационной поляризации, называются наведенными. В этом случае Ядеф=а?'п, где а —коэффициент пропорциональности, называемый поляризуемостью.
Основным видом поляризации полярных полимеров является ориентационная, но определенный вклад вносит и деформационная составляющая. Поэтому общая поляризация полярных полимеров больше, чем у неполярных. В результате возникновения поляризации происходит увеличение напряженности суммарного поля, дейстБующего на атомы или молекулы, на величину, пропорциональную поляризации. Поэтому емкость конденсатора (С), между обкладками которого помещен диэлектрик,выше емкости того же конденсатора, у которого между обкладками находится вакуум (С0). Отношение С/С0 называется диэлектрической проницаемостью е. Диэлектрическую проницаемость также можно определить как величину, показывающую, во сколько раз сила взаимодействия двух зарядов меньше в среде диэлектрика по сравнению с вакуумом.
Вектор поляризации Р связан с напряженностью поля ?п соотношением:
где ео — электрическая постоянная, равная 8,854 Ф/м; Хд— безразмерный коэффициент, называемый диэлектрической восприимчивостью.
Величины х и *' связаны между собой соотношением — = е'. Для неполярных полимеров величины Хд и в' зависят от поляризуемости а и числа наведенных диполей пА:
"д— ("да/3)
(е'-1)/(е'-ь2)=пда/3.
Деформационная поляризация устанавливается достаточно 'быстро (10"м— 1СН2 с), ориентация же диполей в электрическом поле происходит не мгновенно, а в течение определенного времени вследствие цепного строения макромолекул и сильного внутри- и межмолекулярного взаимодействия. Это явление получило название диэлектрической релаксации, а время, в течение которого поляризация диэлектрика уменьшается в е раз, называется временем диэлектрической релаксации тд. В жидко-
372
стях ориентация диполей происходит достаточно быстро и тд« 10"10— 1СН2с. В твердых телах, где соседние молекулы ограничивают подвижность диполей и процессы ориентации протекают медленно, скорость релаксационных процессов невелика и время релаксации достигает больших значений. Если при мгновенной ориентации диполей суммирующая напряженность составляет 0 = ?П + Р, то при запаздывании ориентации суммарная напряженность в момент / будет меньше О за счет необратимого рассеивания электрической энергии и превращения ее в тепло. Эти потери называют диэлектрическими.
Для прохождения переменного электрического тока не требуется переноса активных центров, а достаточно небольших колебаний зарядов вблизи некоторого положения равновесия. При этом возникают так называемые токи смещения. Для описания поведения диэлектриков в таком переменном электрическом поле при отсутствии резонанса диэлектрическая проницаемость характеризуется показателем, который называется комплексной или обобщенной диэлектрической проницаемостью е*:
е*-е'+1е", (5.98)
где е'— действительная часть проницаемости, характеризующая диэлектрическую проницаемость диэлектрика; ге" — минмая часть е*, характеризующая диэлектрические потерн.
Диэлектрические потери численно равны количеству тепла, выделяющегося в единице объема диэлектрика при прохождении электрического тока через него. В идеальном диэлектрике при отсутствии потерь энергии вектор тока опережает вектор приложенного напряжения на 90°. В диэлектрике, где часть энергии рассеивается, угол между векторами меньше 90° на величину б. Этот угол называется углом диэлектрических потерь. Тангенс его равен отношению е///е/, или отношению активной и реактивной составляющих электрического тока. Причиной рассеивания энергии является заторможенность ориентационной поляризации, поскольку при деформационной поляризации наведенные диполи возникают настолько быстро, что их смещение проявляется при любых частотах поля со. Поэтому деформационная поляризация не зависит от о>. Для неполярных полимеров диэлектрические проницаемость и потери также не зависят от частоты электрического поля:
