Dielektryki. Polaryzacja elektryczna, straty dielektryczne PDF

Dielektryki. Polaryzacja elektryczna, straty dielektryczne. Podstawy inżynierii materiałowej (kod kursu APR 011201) Paweł ŻYŁKA ([email protected]), Katedra Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Dielektryki - polaryzacja elektr...

Dielektryki. Polaryzacja elektryczna, straty dielektryczne. Podstawy inżynierii materiałowej (kod kursu APR 011201) Paweł ŻYŁKA ([email protected]), Katedra Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Dielektryki - polaryzacja elektryczna. Polaryzacja elektryczna - wektor polaryzacji, ładunki związane zjawisko polaryzacji dielektryku: bez zewn. pola E obszar dielektryku jest elektrycznie obojętny ale pod wpływem tego pola (w wyniku oddziaływania z atomami lub cząsteczkami dielektryka, ten obszar uzyskuje moment dipolowy p, (p=ql) skierowany zgodnie z kierunkiem pola E; zjawisko polaryzacji to inaczej sprężysta deformacja atomów i cząsteczek dielektryku pod wpływem pola elektrycznego, objawiająca się pojawianiem się różnoimiennych ładunków elektr. na przeciwnych ścianach materiału; ładunki polaryzacyjne (ładunki związane) - ładunki pojawiające się na powierzchni dielektryku pod wpływem pola elektrycznego; wektor polaryzacji P [C/m2] to sumaryczny moment dipolowy wszystkich atomów lub cząsteczek w jednostce objętości spolaryzowanego dielektryku, dla małych natężeń pola elektrycznego P=χε0E (χ - podatność elektryczna); wektor indukcji elektr. D=ε0E+P = εrε0E (εr - wzgl. przenikalność elektr., ε0 - przenik. elekt. próżni; ε - przenik. elektr. absolutna; εr = 1+χ; ε = εr ε0 ); gdy pole E i polaryzacja P w dielektryku są jednorodne, ładunki polaryza- cyjne występują tylko na powierzchni dielektryka - w przeciwnym razie istnieje niejednorodne E i P i ładunki polaryzacyjne wewnątrz dielektryka; 2 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna. Polaryzacja elektryczna - dipole elektryczne, cząstki polarne odchylenie dipola elektrycznego od kierunku pola zewn. E wymaga pracy a zatem dipole dążą do ustawienia równoległego do E bo mają wtedy najniższą energię potencjalną (najwyższą - gdy są antyrównolegle do E); cząsteczki (materiały) polarne - obdarzone trwałym (naturalnym, spontanicznym) momentem dipolowym; są to niesymetryczne cząsteczki o wiązaniach jonowych (np. MgO) lub kowalencyjnych spolaryzowanych (np. H2O, chloroform CHCl3, metylu chlorek CH3Cl); w zewnętrznym polu E porządkują się wzdłuż E i tworzą wewnętrzne pole elektryczne w materiale; cząsteczki (materiały) niepolarne (o zerowym momencie dipolowym) w zewnętrznym polu E ulegają polaryzacji dzięki powstawaniu w atomach i cząsteczkach indukowanego momentu dipolowego; indukowany moment dipolowy może powstawać również w cząsteczkach niesymetrycznych o niewielkiej polarności (np. HCl) ze względu na modyfikację sił międzyatomowych przez zewnętrzne pole E; a zatem dielektryk w zewnętrznym polu E zawsze ulega polaryzacji (związanej z indukcją momentu dipolowego lub orientacją już istniejących w materiale dipoli elektrycznych); 3 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna. Polaryzacja elektryczna - mechanizmy polaryzacji mechanizmy polaryzacji elektrycznej atomów i cząsteczek: polaryzacja elektronowa - zewn. pole elektr. powoduje względne przesunięcie dodatniego ładunku jądra atomowego i ujemnych powłok elektronowych (chmury elektronowej) - niepolarny atom uzyskuje indukowany moment dipolowy; p.e. występuje zawsze i we wszystkich dielektrykach; p.e. jest bezinercyjna tzn. zachodzi w czasie ok. 10-15 s po pojawieniu się pola E; takie odkształcenie atomu jest idealnie sprężyste tzn. nie wiąże się z zamianą energii na ciepło (energia jest magazynowana w polu elektr. dipolu indukowanego) - p.e. nie powoduje zatem strat energii; p.e. zanika natychmiast po usunięciu pola zewn. E; p.e. podlegają też wieloatomowe cząsteczki (polaryz. atomowa), np. N2, H2, PE, PP, PTFE (Teflon), diament, olej transformatorowy, szkło, mika, steatyt); polaryzacja jonowa - zewn. pole elektr. powoduje względne przesuniecie jonów + i - w cząsteczce; indukowany jest dodatkowy moment dipolowy; występuje tylko w materiałach z wiązaniami jonowymi; p.j. ze względu na dużą masę jonów zachodzi w czasie ok. 10-13 s po pojawieniu się pola E; takie odkształcenie układu jonów jest idealnie sprężyste więc p.j. nie powoduje strat energii; p.j. zanika po usunięciu pola zewn. E; polaryzacja dipolowa (p. orientacyjna) - zewn. pole elektryczne E powoduje orientację (obrót) istniejących (już wcześniej tzn. bez pola E) w materiale spontanicznych (ale ułożonych chaotycznie - czyli o zerowym wypadkowym momencie dipolowym) dipoli elektr. wzdłuż linii sił pola E - indukowany jest moment dipolowy; występuje w gazach i cieczach, zachodzi w czasie od 10-10 do 10-2 s po pojawieniu się pola E; jej intensywność zależy od temperatury; ze względu na ruch dipoli w ośrodku lepkim p.d. powoduje straty energii (np. H2O, nitrobenzen, żywica F-F, guma wulkanizowana, papier nasączony olejem); 4 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna. Polaryzacja elektryczna - mechanizmy polaryzacji mechanizmy polaryzacji elektrycznej atomów i cząsteczek - c.d.: polaryzacja makroskopowa (p. ładunku swobodnego lub ł. przestrzennego) - przemieszczenie (przepływ) i rozsunięcie swobodnych (mobilnych) ładunków istniejących w dielektryku i ich spułapkowanie (zablokowanie) w pułapkach energetycznych związanych z granicami ziaren, zanieczyszczeniami lub domieszkami (wędrówka ta nie tworzy ciągłego prądu przewodzenia w dielektryku - prąd ten zanika w czasie od ok. 10-2 s do nawet wielu godzin - a nawet dni - po pojawieniu się pola E); ze względu na przepływ prądu elektr. w ośrodku rezystywnym wywołuje starty energii (występuje np. w polimerach technicznych); polaryz. polaryz. polaryz. polaryz. ładunki elektronowa jonowa dipolowa makro- skopowa związane i dipole (naturalne E=0 lub indukowane) wewnątrz dielektryku E0 (na podst. H. Rawa, Elektryczność i magnetyzm w technice, WN PWN, 1994) (na podst. Z. Celiński. Materiałoznawstwo elektrotechniczne, OW PW, 1998) 5 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna i przenikalność. Polaryzacja elektryczna - przenikalność elektryczna (bezwzg. i wzgl.) przenikalność elektryczna - materiałowa miara polaryzowalności przenikalność elektr. bezwzględna (ε [F/m]) - miara zdolności dielektryku do osłabiania zewn. pola elektr. w jego wnętrzu; miara zdolności do koncentracji energii - ilość energii gromadzonej w jednostce objętości dielektryku przez jednostkowe pole elektryczne); przenikalność elektr. próżni, stała dielektryczna (ε0 = 8,854.10-12 [F/m]) - stała fizyczna; przenikalność elektr. względna (εr [-] bez jednostki !) - przenikalność elektr. dielektryku wyznaczona względem próżni; definiowana w praktyce jako stosunek pojemności elektrycznej Cx układu elektrod, rozmieszonych w danym dielektryku do pojemności C0 tych elektrod tak samo rozmieszczonych w próżni (εr = Cx / C0); εr jest zatem zawsze >1 !; ε (i εr) zależy m.in. od temperatury oraz częstotliwości zmian pola elektrycznego (ale też od natężenia pola E - dielektryki nieliniowe, wilgotności, naprężeń mechanicznych etc.); typowe wartości εr (20, ciśnienie H2O destylowana 80,1 powietrze (suche) 1,00053 polietylen ok. 2,3 atmosferyczne, olej mineralny ok. 2,4 CO2 1.00092 gliceryna ok. 47 1kHz, niskie BaTiO3 1200- porcelana ok. 6,0 natężenie pola E): (baru tytanian) 10000 PTFE (Teflon) ok. 2,1 elektrotechniczna TiO2 (tytanu tlenek, SiO2 szkło borosilkatowe ok.120 ok. 3,9 5-5,5 rutyl) (krzemu ditlenek) (typu Pyrex) SF6 (siarki 1,002 guma neoprenowa ok. 6,7 poliester (Mylar) ok. 3,2 sześciofluorek) 6 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna i przenikalność. Przenikalność elektryczna - zależność od stanu skupienia, f i T przenikalność elektryczna: wzrasta wraz ze wzrostem podatności dielektryku na polaryz. zależy od stanu skupienia (np. lód εr= ok. 100, woda ciekła ok. 80, para wodna ok. 50 i zależność εr(T)); zależność εr(T) (przejście fazowe - skok εr (nieciągłość char.); gazy - mała εr (bo niska gęstość, nawet w gazach polarnych); dielektryki niepolarne - mała εr (pol. elektron.), słaba zal. εr(f), εr(T) maleje (wzór C-M); dielektryki jonowe - εr może być duże (np. TiO2), εr(T) rośnie, słaba zależność εr(f); dielektryki polarne - duża εr (bo wszystkie rodzaje pol.), zależność εr(f); ferroelektryki - bardzo duża εr (setki-dziesiątki tyś.), nieliniowa zależność εr(E) oraz εr(T); przybliżona zależność εr(f) oraz od (na podst. Z. Celiński. Materiałoznawstwo mechanizmów polaryzacji elektrotechniczne, OW PW, 1998) εr(f) maleje ze wzrostem f (zanikają kolejne mech. polaryzacji - zbyt wysoka częstotliwość aby materia nadążyła za zmianami pola E); dla bardzo wysokich f przenikalność εr1; w praktyce zakresy braku zależności εr od f mogą być różne; w materiałach może występować kilka rodzajów cząstek polarnych i atomów/cząsteczek co dodatkowo komplikuje zależność εr(f); 7 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna i przenikalność. Zespolona przenikalność i podatność elektryczna parametry materiałowe dielektryku rzeczywistego oraz prądy płynące w nim przy napięciu zmiennym wygodnie przedstawiać w postaci zespolonej; prąd I i napięcie przemienne U związane są zależnością: I=iωC0ε*U, gdzie ε*=ε’- iε'' jest zespoloną przenikalnością elektryczną (I=ωC0U(ε’’ + iε’)). I = IR + iIC gdzie IC= ωC0Uε’ to prąd o charakterze pojemnościowym natomiast IR= ωC0Uε’’ to prąd o charakterze czynnym; składowa czynna ε’ decyduje o wartości prądu pojemnościowego i zdolności do gromadzenia energii w polu elektrycznym przez dielektryk; składowa bierna ε’’ określa wartość prądu o charakterze czynnym (w fazie z napięciem) i straty dielektryczne; współczynnik strat dielektrycznych tgδ = ε’’ / ε’ (dla małych wartości tgδ zachodzi ε’ ε); straty jednostkowe przy napięciu przemiennym (w jednostkowej objętości dielektryku i jednostkowym natężeniu pola elektrycznego): P = U2ωε0εrtg δ; analogicznie definiuje się zespoloną podatność elektryczną χ* = χ’- iχ’’ (tgδ= χ’’/ χ’) oraz przewodność elektryczną dielektryku σ = ω χ’’ przy czym χ’’ = ε’’ oraz χ’ = ε’ -1; 8 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna i stratność. Zespolona przenikalność i stratność dielektryczna zespolona przenikalność elektryczna pozwala na ilościowe ujęcie dwóch zjawisk występujących w dielektryku przy napięciu przemiennym: ładownia pojemności elektrycznej próbki materiału oraz strat dielektrycznych w próbce. Prądy związane są z ruchem nośników swobodnych oraz - przede wszystkim – ze zjawiskami polaryzacyjnymi prowadzą do pochłaniania energii przez dielektryk; prąd płynący w dielektryku to suma Iu(t)+Ic(t)+Ia(t) prądu upływu Iu (związanego z przewodzeniem jonowym), ładowania Ic (związanego z polaryz. elektron. i jonową) i absorpcji Ia (związanego z polar. dipolową i makroskopową) - patrz wykres I(t) z wykładu 1 (ogólnie rzecz biorąc prąd upływu Iu(t) też może zależeć od czasu); w obwodach prądu stałego moc tracone jest praktycznie (poza stanem przejściowym gdy prąd polaryzacji Ic+Ia0) tylko poprzez Iu (moc P=UIu); w obwodach prądu zmiennego prąd polaryzacji nie zanika i wywołuje straty dielektryczne (które mogą być znacznie większe niż straty związane z prądem upływu Iu, który też występuje przy zmiennym polu elektrycznym); 9 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - stratność. Prądy sinusoidalnie zmienne w dielektryku - wykres wskazowy sinusoidalne napięcie U(t) pobudza dielektryk (tzn. wytwarza pole E(t)) i wywołuje w nim przepływ sinusoidalnych prądów składowych; sinusoidalny prąd Iu(t) ma charakter czynny (jego wskaz jest w fazie ze wskazem U(t) i wywołuje starty (cieplne), sinusoidalny prąd Ic(t) ma charakter bierny (jego wskaz wyprzedza wskaz U(t) o 90) i nie wywołuje strat natomiast sinusoidalny prąd Ia(t) ma zarówno składową bierną Iab(t) jak i czynną Iac(t), która też wywołuje straty (cieplne); zatem wypadkowy prąd sinusoidalnie zmienny I płynący w rzeczywistym dielektryku (ze stratami na polaryzację i upływ) wyprzedza napięcie U o kąt  < 90 (=90 tylko w dielektryku idealnym); kąt strat dielektrycznych δ to dopełnienie  do 90; dielektryków rzeczywistych (stratnych) podaje się współczynnik strat dielektrycznych czyli tangens kąta δ (zapisuje się to jako tgδ a nie tg(δ)); moc czynna strat P=ωCU2tgδ; 10 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - stratność. Straty w dielektryku - podstawowe rodzaje strat, straty przewodnościowe dielektryk idealny (nie istniej w praktyce, tylko teoretyczny) - brak strat; podstawowe rodzaje strat w dielektryku rzeczywistym: przewodnościowe, polaryzacyjne, straty przewodnościowe: związane z istnieniem w dielektryku ładunków swobodnych; jedyny rodzaj strat występujących w dielektryku przy napięciu stałym i zmiennym; przy napięciach zmiennych mogą być duże, gdy przewodność dielektryku jest duża (np. w dielektrykach jonowych dla dużych T). praktycznie jedyny typ strat w dielektrykach niepolarnych z polaryzacją elektronową; straty przewodnościowe NIE zależą od częstotliwości f; straty przewodnościowe rosną wykładniczo tgδ tgδ z temperaturą T (bo rezystywność dielektryku maleje eksponencjalnie z temperaturą); zatem tgδ dla start przewodnościowych spada hiperbolicznie z f oraz rośnie eksponencjalnie z T; f T 11 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - stratność. Straty w dielektryku - straty relaksacyjne Straty polaryzacyjne: występują w dielektryku tylko dla napięć zmiennych; związane z istnieniem w dielektryku trwałych dipoli (oraz ładunku przestrzennego) o ograniczonej możliwości poruszania się (tzn. nie tworzących prądu upływu); charakterystyczne maksima w zależności tgδ(f) występują przy częstotliwościach rezonansowych polaryzacji elektronowej i jonowej (ok. 1015 i 1013 Hz) oraz przy częstotliwościach relaksacyjnych fr polaryzacji dipolowej i makroskopowej (fr = 1/(2πτ0); τ0 to czas relaksacji (czas, po którym liczba dipoli zorientowanych zgodnie z polem E zmniejszy się po usunięciu pola e-krotnie w stosunku do początkowej ich ilości); ponieważ fr zależy praktycznie liniowo od temperatury więc położenie maksimów na zależności tgδ(f) zmienia się z temperaturą (zwykle fr rośnie z T); T1  T2 tgδ tgδ fr f fr1 fr2 f 12 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna, stratność. Dielektryk rzeczywisty - układy zastępcze mechanizmy polaryzacji oraz strat w dielektryku można matematycznie opisać stosując przybliżenie w postaci schematu zastępczego materiału: schemat zastępczy to układ elektryczny o stałych skupionych (R oraz C), którego odpowiedź na wymuszenie napięciowe w szerokim przedziale częstotliwości jest taka sama jak odpowiedź dielektryku rzeczywistego; to uproszczony matematyczny model złożony z połączonych wzajemnie idealnych pojemności oraz rezystancji (a w bardziej rozbudowanych modelach dodatkowo źródeł napięcia lub prądu lub R i C zależnych od f) którego charakterystyki elektryczne odzwierciedlają właściwości materiału; schematy zastępcze pozwalają na analityczne (matematyczne) obliczenie zależności rzeczywistej i urojonej składowej zespolonej przenikalności elektrycznej (a zatem również przenikalności elektrycznej ε oraz współczynnika strat dielektrycznych tgδ(f)); najprostsze układy zastępcze – szeregowy i równoległy – zwykle jednak nie odzwierciedlają właściwości realnych dielektryków (a w szczególności dielektryków polarnych, dipolowych oraz z ładunkiem przestrzennym); najprostsze układy zastępcze – szeregowy i równoległy – stosuje się je praktycznie tyko do opisu dielektryków niepolarnych z polaryzacją elektronową (lub jonową) i stratami przewodnościowymi (lub dla dielektryków z innymi typami polaryzacji ale w bardzo ograniczonym zakresie częstotliwości). 13 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna, stratność. Dielektryk rzeczywisty - najprostsze układy zastępcze schemat zastępczy równoległy stosowany dla dielektryków o niskim współczynniku strat dielektrycznych; pojemność równoległa Cr może być utożsamiania z rzeczywistą pojemnością kondensatora z dielektrykiem natomiast rezystancja równoległa Rr nie ma nic wspólnego z rezystancją próbki dielektryku wyznaczoną dla napięcia stałego ! schemat ten dobrze modeluje straty przewodnościowe schemat zastępczy szeregowy stosowany dla dielektryków o dużym współczynniku strat dielektrycznych (tgδ>0,1); rezystancja szeregowa Rs może być utożsamiana z parametrem ESR kondensatorów; tgδ tgδ(ω)= tgδ tgδ(ω)= 1/(ωRrCr) Cs ωRrCr ~ Cr  ~  Rr Rs f f układ zastępczy równoległy układ zastępczy szeregowy 14 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna, stratność. Dielektryk rzeczywisty - rozbudowane układy zastępcze przebiegi ε’ i ε’’ otrzymywane na podstawie obliczeń dla prostych układów zastępczych równoległego (a) i szeregowego (b) nie „zgadzają” się z wartościami uzyskiwanymi doświadczalnie dla rzeczywistych materiałów dielektrycznych; stosuje się wtedy bardziej skomplikowane układy zastępcze (również takie, w których wartości C i R są zależne od f) - przykłady (c), (d) poniżej; B. Hilczer, J. Małecki, Elektrety i piezopolimery, WN PWN, 1992 15 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna, stratność. Dielektryk rzeczywisty - układ zastępczy dielektryku polarnego dla dielektryków polarnych z jednym rodzajem dipoli stosuje się schemat zastępczy równoległy dielektryku niepolarnego z dodatkową gałęzią szeregową (C2R2), modelującą proces polaryzacji orientacyjnej dipoli o stałej czasowej τ2= C2R2; Zwykle układ ten dodatkowo upraszcza się, pomijając rezystancję R1 uzyskując następuje zależności na ε’ i ε’; ’ = C1/C0+C2/C0(2+1) ’’ = C22/C0(2+1) (C0 to pojemn. geometr. dielektryku); dla takiego dielektryku wprowadza się również równania Debay’a, w których εs jest przenikalnością dla pola stałego a ε∞ przenikalnością optyczną (dla ω→ ∞): ’ = ∞ + (s - ∞)/(2+1) ” = (s - ∞)2/(2+1) czyli tg=(s - ∞)2/(s + ∞2) osiąga maksimum dla pulsacji k=1/2; 16 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - stratność. Straty w dielektryku - układ zastępczy Maxwella-Wagnera polaryzacja i schemat zastępczy Maxwell'a-Wagnera: zjawisko polaryzacji M-W występuje w dielektrykach warstwowych (oraz mieszaninach i kompozytach niejednorodnych - dielektryczną mieszaninę dwuskładnikową można sprowadzić do prostego modelu dwuwarstwowego); polaryzacja M-W prowadzi do pojawiania się polaryzacji dipolowej na granicy warstw lub faz powodowanej gromadzeniem i separacją ładunków elektrycznych, dla których granice te są barierą; objawia się głównie w niskich częstotliwościach, może prowadzić do dużego wzrostu tgδ; dla układu dwumateriałowego czas relaksacji τM-W=ε0(ε1+ε2)/(σ1+σ2); układ zastępczy M-W, służący do modelowania takiego materiału dwuwarstwowego (lub kompozytu dwuskładnikowego) to obwód szeregowo-równoległy: dwa układy równoległe (modelujące poszczególne warstwy lub materiały składowe) połączono szeregowo; tgδ ε1, σ1 R1 C1 ~  ~  ε2, σ2 R2 C2 fMW=1/τM-W f 17 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna, stratność. Przenikalność, współczynnik strat - metody pomiaru parametry materiałowe dielektryku εr i tgδ (czy też ε ' i ε '') zależą od częstotliwości w bardzo szerokim jej zakresie (ułamek mHz - THz) - nie ma jednej wspólnej metody pomiarowej, pozwalającej na ich wyznaczenie; orientacyjne zakresy częstotliwości i metody pomiarowe: częstotliwości bardzo małe (1 µHz - 20 Hz): stałoprądowa metoda pomiaru odpowiedzi czasowej Hamona, zmiennoprądowa metoda pomiaru wartości chwilowych, nisko- częstotliwościowe metody mostkowe (mostek Vince'a); częstotliwości akustyczne (20 Hz – 100 kHz): metody mostkowe - próbka badanego dielektryka stanowi kondensator w jednej z gałęzi mostka (mostki: Wiena, Maxwella, Scheringa, transformatorowe - różnicowe, wysokonapięciowe, wieloramienne); częstotliwości radiowe (100 kHz – 100 MHz): metody rezonansowe - określane są parametry obwodu rezonansowego LC, w którym pojemność C jest pojemnością kondensatora wypełnionego badanym dielektrykiem (metoda dostrojenia obwodu rezonansowego, metoda rozstrojenia obwodu rezonansowego czyli pomiaru szerokości krzywej rezonansowej, pomiar miernikiem dobroci czyli Q-metrem, metoda podstawienia); częstotliwości mikrofalowe (powyżej 100 MHz): metody rezonansowe w których badany dielektryk umieszczany jest w odpowiedniej wnęce rezonansowej lub metody falowodowe (badany dielektryk umieszczany jest w falowodzie); dla częstotliwości dziesiątek GHz (fale milimetrowe) stosuje się metody „para-optyczne” wyznaczania podatności elektrycznej na podstawie pomiaru współczynnika załamania fali „prześwietlającej” materiał dielektryczny; 18 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna, stratność. Przenikalność, współczynnik strat - układ elektrod pomiarowych elektrody na próbki nanosi się metodami jak w pomiarach rezystancji. dla częstotl. akustycznych stosuje się układ trójelektrodowy z elektrodą ochronną (2) poprawiająca rozkład pola elektrycznego na brzegu próbki i ograniczającą wpływ pojemności pasożytniczych próbki (pojemności brzegowej Cb oraz pojemności rozproszenia Cr) na wynik pomiarów. pojemność brzegowa Cb wynika z "wypływania" linii sił pola elektrycznego poza materiał próbki i elektrody; Cb zależy od: grubości próbki, obwodu elektr. pomiarowej i jej grubości (gdy jest ona duża w stosunku do grubości próbki – np. dla cienkich folii) a także przenikaln. elektr. ośrodka, przez który przechodzą linie sił brzegowego pola elektr.; pojemność rozproszenia Cr wynika z obecności w sąsiedztwie badanej próbki innych obiektów uziemionych (nawet gdy jest to tylko klatka ekranująca) zaburzających rozkład pola wokół próbki; Cr zależy od: wymiarów kondensatora pomiarowego, powierzchni elektrody pomiarowej oraz konfiguracji geometrycznej elektrod w stosunku do otoczenia a także przenikalności elektr. ośrodka otaczającego próbkę; 19 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W Dielektryki - polaryzacja elektryczna, stratność. Przenikalność, współczynnik strat - układ elektrod pomiarowych wartości pojemności Cb oraz Cr można obliczyć dla konkretnej geometrii układu elektrod na podstawie odpowiednich wzorów doświadczalnych; Cb oraz Cr należy uwzględnić podczas pomiarów w układzie 2-elektro- dowym; w układzie 3-elektrodowym ich wpływ może zostać zaniedbany; należy stosować ekranowanie próbki (np. w klatce Faraday'a) oraz – jeżeli umożliwia to stosowana metoda pomiarowa - uziemienie jednej z jej elektrod w celu dodatkowego zmniejszenia wpływu pojemności pasożytniczych; pojemność Cr można określić doświadczalnie na podstawie pomiaru pojemności kondensatora wzorcowego o identycznej geometrii elektrod jak próbka (lub próbki wykonanej z materiału o znanej przenikaln. elektr.); w obliczeniach należy również uwzględniać pojemność przewodów łączących próbkę z układem pomiarowym; pojemności Cb oraz Cr oraz przewodów łączących wpływają nie tylko na wartość mierzonej pojemności ale również na wyznaczaną wartość współczynnika stratności; pojemność próbki z nałożonymi elektrodami powinna generalnie wynosić więcej niż 50pF dla f100kHz; 20 Paweł Żyłka: Podstawy inżynierii materiałowej APR011201W