6.3.6 Materiálové charakteristiky dielektrika

Dielektrické materiály v svojej rôznorodosti majú široké uplatnenie nielen v oblasti elektriny, ale aj mechaniky. Sú to materiály, ktorých vlastnosti sa základom zložitých elektro-opticko-mechanických zariadení. Je to dané tým, po popri širokej škále mechanických vlastností sa vyznačujú i rôznorodosťou elektrických vlastnosti, vyjadrených premitivitou.

Najčastejšou štruktúrou latky je kryštalická štruktúra. Pre kryštalické látky smer vektora polarizácie dielektrika nemusí byť totožný so smerom intenzity elektrického poľa a potom vektor elektrickej indukcie zo vzťahu (6.3.17) nemá smer intenzity elektrického poľa. Vzťah (6.3.16) nie je vzťahom medzi rovnobežnými vektormi, permitivita nie je skalárna veličina ale tenzorová veličina.

Premitivita výrazne závisí i od štruktúry látky a typu väzby v tuhej látke. Nasledujúca tabuľka udáva jej hodnoty podľa druhu látky a typu polarizácie

Typ dielektrickej látky	Typ polarizácie	relatívna permitivita er
Plyn	Elektrónová	1,0002-1,006
Nepolárna kvapalina	elektrónová	1,8-2,3
Polárne kvapaliny,  polárne polyméry	elektrónová a orientačná	3-81
Sklá Iónové kryštály Dipólové kryštály	elektrónová iónová polárna	3-20 4-300 10-300
Nelineárne dielektriká	spontánna polarizácia	>100000

 

Polarizácia závisí aj od veľkostí síl v látke, ktoré bránia natáčaniu dipólov do smeru intenzity poľa. Preto permitivita závisí od teploty a výrazne sa mení o so zmenou fáze. Tak napr. je podstatne menšia pre ľad ako vodu, i keď s rastúcou teplotou všeobecne klesá. Ďalším dôležitým údajom je prierazné napätie pre danú dielektrickú látku, dané maximálnou prípustnou hodnotou intenzity elektrického poľa, nad ktorou sa v materiály zvyšuje nebezpečie elektrického prierazu. Táto hodnota sa pohybuje rádovo (10⁶-10⁸) V.m^-1.

Pre atómovú polarizáciu je závislosť polarizácie od elektrického poľa zrejme lineárna, lebo maximálna intenzita poľa, ktorú môžeme dosiahnuť, aby nenastal prieraz dielektrika je malá v zrovnaní s vnútornými silami v atóme. Ale u niektorých dielektrík je táto závislosť silne nelineárna. Takéto látky nazývame nelineárne dielektriká. V sklovitých materiáloch, pridaním alkalických prímesí,  ióny týchto prvkov výrazne zvyšujú veľkosť polarizácie. Pretože ich je relatívne málo, už pomerne malým poľom dosahujeme ich úplnú orientáciu, stav nasýtenia.

Ďalej existujú látky, ktoré majú nenulovú polarizáciu i pri neprítomnosti vonkajšieho elektrického poľa.

Feroelektrikum, je dielektrická látka, ktorá patrí medzi nelineárne dielektriká. Ich polarizácia P nie je ani jednoznačnou funkciou intenzity elektrického poľa E , ale závisí od predchádzajúceho stavu, vyznačuje sa určitou zotrvačnosťou. preto závislosť P na E je vyjadrená hysteréznou krivkou, analogicky ako pre feromagnetické látky. Takáto látka môže byť v určitej oblasti – doméne spontánne polarizovaná. Natočením polarizácie všetkých domén do smeru vonkajšieho poľa je polarizácia nasýtená a väčším poľom sa nemení. Takéto látky sa nazývajú i seignettoelektrické, podľa kryštálov Seignettových solí, na ktorých bol tento jav pozorovaný.

Piezoelektrické látky sú predovšetkým kryštály, ktoré nemajú stred symetrie . V takýchto kryštáloch dochádza k iónovej polarizácii, ktorá je spojená i s deformáciou kryštálu spôsobenou posunutím iónov. Piezoelektrickým kryštálom je napr. kremeň, kryštalický SiO₂. Vhodne vybrúsená doštička elektrickým poľom priloženým na jej plochy mení svoju hrúbku (tzv. elektrostrikcia) a naopak pri stláčaní, mechanickým namáhaním sa indukuje elektrické pole. Takéto látky sa využívajú ako elektromechanické meniče napr. v ultrazvukových generátoroch, ako detektory napätia a deformácií, k stabilizácii vysokofrekvenčných generátorov, piezoelektrické zapaľovače a p.

Medzi zaujímavé dielektrické materiály možno zaradiť aj kvapalné kryštály, čo sú kryštály organických látok s veľkými spontánne usporiadanými molekulami. Poľom sa mení ich orientácia (preto kvapalné) a tým aj elektrické a optické vlastnosti. Využívajú sa v konštrukcii plochých displejov.

Doteraz sme popisovali statické pole, ale treba sa zmieniť aj o procese polarizácie v premennom elektrickom poli. Polarizácia nezávisí od frekvencie poľa len v tom prípade, že jej zmena stačí sledovať zmenu poľa. Svetlo je elektromagnetické vlnenie, časovo premenné pole. Pri frekvenciách z oblasti takéhoto žiarenia vstupujúceho do dielektrika prejavuje sa závislosť veľkosti polarizácie a tým aj permitivity na frekvencii. Okrem toho, časť energie poľa sa spotrebuje na dej polarizácie a prejaví sa ako absorpcia tohto žiarenia. To sa dá vyjadriť imaginárnou časťou permitivity, čím sa permitivita v tomto prípade stáva  komplexnou vektorovou (alebo i tenzorovou) veličinou. S permitivitou priamo súvisia optické veličiny ako index lomu a koeficient absorpcie.