В чем заключается процесс поляризации диэлектриков. Территория электротехнической информации WEBSOR. В сильных полях

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники (n 0 ~10 28 ÷ 10 29 м -3), полупроводники (n 0 ~10 17 ÷ 10 19 м -3) и диэлектрики (n 0 ~10 9 ÷ 10 13 м -3).

Диэлектрики, как и любое другое вещество, состоят из нейтральных атомов и молекул. Если заменить весь положительный заряд молекулы одним точечным зарядом, помещенным в центре его распределения и аналогичным образом поступить с электронами, то каждую молекулу в этом случае можно рассматривать как электрический диполь. По этому признаку все диэлектрики можно разделить на три группы:

Первую группу образуют вещества с симметричным распределением как положительных, так и отрицательных зарядов в молекуле. Для таких молекул центры распределения положительных зарядов и электронов совпадают. Они называются неполярными. Их дипольный момент . Под воздействием внешнего поля разноименные заряды таких молекул смещаются вдоль силовых линий в противоположные стороны. При этом возникает дипольный момент, направленный по полю (N 2 , H 2 , O 2 , CO 2 , CH 4).

Вторую группу составляют материалы, молекулы которых имеют ассиметричное распределение зарядов. Такие молекулы называются полярными. Они обладают собственным электрическим дипольным моментом . В обычных условиях вектора дипольных моментов отдельных молекул из-за теплового движения ориентированы хаотично. По этой причине суммарный момент тела равен нулю. Внешнее электрическое поле стремится сориентировать дипольные моменты таких молекул вдоль силовых линий поля. Это приведет к возникновению результирующего, не равного нулю, электрического момента всего диэлектрика. Примеры: Н 2 О, NН 3. SO 2 , CО.

К третьему типу относятся диэлектрики, имеющие кристаллическое строение с правильным чередованием ионов разных знаков. Их структуру можно рассматривать как систему двух, вдвинутых одна в другую, ионных подрешеток. Под воздействием поля происходит небольшое встречное смещение кристаллографических плоскостей: плоскости, содержащие положительно заряженные ионы, смещаются по полю, а плоскости, образованные отрицательными ионами, - против поля. Это приводит к возникновению некоторого результирующего дипольного момента всего кристалла.

Процесс ориентации дипольных моментов или их появление под воздействием внешнего электрического поля, что приводит к возникновению электрического момента у каждого элемента объема диэлектрика, называется поляризацией диэлектриков.

Различают три вида такой поляризации:

1. Электронная или деформационная – заключается в возникновении индуцированных дипольных моментов атомов вследствие деформации электронных оболочек, т.е. смещении электронных орбиталей относительно ядер.

2. Ориентационная или дипольная – упорядочение в расположении существующих дипольных моментов.

3. Ионная – возникает в результате встречного смещения кристаллических подрешёток: состоящей из положительно заряженных ионы по полю, а образованной отрицательными ионами – против поля. Количественно поляризация характеризуется поляризованностью (вектором поляризации)– векторной величиной, определяемой как суммарный дипольный момент единицы объёма диэлектрика:

, (21)

где р i – дипольный момент одной молекулы; р v – суммарный дипольный момент всего диэлектрика.

Из опыта известно, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) поляризованность линейно зависит от напряжённости внешнего поля :

где – напряжённость электрического поля в точке, для которой определяется ; χ (хи) – диэлектрическая восприимчивость вещества;

χ – всегда положительная, безразмерная величина. Для большинства диэлектриков (твёрдых и жидких) χ составляет всего несколько единиц (хотя, например, для спирта χ ≈ 25, а для воды χ = 80).

Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электростатическое поле Е 0 (создается двумя параллельными разноименно заряженными плоскостями) пластинку из однородного диэлектрика, расположив ее перпендикулярно силовым линиям поля. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т.е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные – против поля. В результате этого на грани диэлектрика, обращенной к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью +σ, на левой – отрицательного заряда с поверхностной плотностью –σ. Эти не-скомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными. Так как их поверхностная плотность σ меньше плотно

В результате поляризации на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды (рис.). Вектор напряжённости поля связанных зарядов направлен внутри диэлектрика противоположно вектору напряжённости внешнего поля, вызвавшего поляризацию (рис.). Теперь, в соответствии с принципом суперпозиции, напряжённость поля внутри диэлектрика.

Вид поляризации в первую очередь зависит от того, какие частицы диэлектрика и на какие расстояния, смещаясь, вызывают поляризацию. Все частицы диэлектрика, вызывающие поляризацию, можно объединить в 2 группы: упруго (сильно) связанные и слабо связанные.

Упруго связанные частицы (заряды), их обычно называют связанные заряды, имеют одно положение равновесия, около которого они совершают тепловые колебания, и под действием приложенного поля они смещаются на небольшие расстояния: электроны смещаются в пределах атома (иона), атомы – в пределах молекулы, ионы – в пределах элементарной ячей ки и т.д.

Слабо связанные частицы (например, ионы в неплотно упакованной кристаллической решетке, в аморфном теле или на дефектах, а также диполи) имеют несколько положений равновесия, в которых они в отсутствии электрического поля могут находиться равновероятно. Переход слабосвязанных частиц из одного равновесного положения в другое осуществляется под действием флуктуаций теплового движения.

В соответствии с изложенной картиной все виды поляризации подразделяют на:

упругие (деформационные) - поляризация под воздействием электрического поля практическимгновенная , вполне упругая,без рассеяния энергии , т.е. без выделения теплоты;

электронная;

релаксационные - поляризация ,совершаемая не мгновенно , а нарастающая или убывающая замедленно исопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике , т.е. егонагреванием .

Электронная поляризация (ЭП) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра и имеет место во всех диэлектриках.

Время установления ничтожно мало (около 10 -15 с). Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна показателю преломления светаn. Смещение и деформация электронных орбит атомов и ионов не зависит от температуры, однакоЭП веществауменьшается с повышением температуры в связи степловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единицу объема.

Ионная поляризация (ИП) наблюдается в кристаллических и аморфных телах ионного строения (в кварце, слюде, асбесте, стекле и т.п.) изаключается в смещении упруго связанных ионов под действием приложенного поля на расстояния, меньшие постоянной решетки, т.е. в упругой деформации решетки. В этом виде поляризации принимают участия также слабо связанные и свободные ионы. Сповышением температуры онаусиливается в результатеослабления упругих сил ,действующих между ионами , из-заувеличения расстояния между ними при тепловом расширении. Время установления около 10 -13 с.

Релаксационными видами поляризации являются: ионно-релаксационная, дипольно-релаксационная, миграционная, электронно-релаксационная, самопроизвольная (спонтанная) и резонансная. Они протекают замедленно, обуславливая тем самым диэлектрические потери.

Ионно-релаксационная поляризация имеет место в диэлектриках ионного строения аморфных (неорганические стекла и кристаллических с неплотной упаковкой ионов (в электротехнической керамике, асбесте, мраморе и т.п.).Этот вид поляризации заключается в некотором упорядочении,вносимом электрическим полем в хаотический тепловой переброс слабо связанных ионов. Слабо связанными ионами являются собственные ионы диэлектрика, находящиеся в узлах решетки вблизи вакансии. На рисунке схематически изображена ионно-релаксационная поляризация на примере CsCl, имеющего неплотно упакованную решетку ионами.

В отсутствии электрического поля слабо связанные ионы, совершая тепловые колебания, временами перескакивают из одного равновесного положения в другое. При этом число ионов, переместившихся в одном направлении, будет равно числу ионов, переместившихся в обратном направлении.Если к диэлектрику приложить электрическое поле, то переброс слабо связанных ионов из узлов решетки (сетки) в вакансии приобретет направленный характер: положительные ионы начнут перемещаться по полю, а отрицательные – против поля. Ионы, перемещаясь на расстояния, превышающие постоянную решетки, не становятся свободными и, следовательно, не обуславливают электропроводность. Закрепляясь на некотором расстоянии друг от друга, они образуют в диэлектрике положительный и отрицательный пространственные заряды, которые и обуславливают ионно-релаксационную поляризацию. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.

Дипольно – релаксационная поляризация (дипольная) . Наблюдается только в полярных диэлектриках, т.е. в таких диэлектриках, молекулы которых имеют постоянных дипольный момент. Например, в полихлордфенил, канифоль, ПВХ и др. ДРП заключается в том, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации.

Этот вид поляризации зависит от температуры и частоты приложенного напряжения. С повышением температуры в результате ослабления межмолекулярных связей увеличивается ориентация диполей в направлении электрического поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризуемость возрастает (участок 1-2).

Однако с повышением температуры возрастает и интенсивность хаотического теплового движения диполей, и выше некоторой температуры Т М дезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при Т>Т М) дипольно-релаксационная поляризуемостьуменьшается (участок 2-3). Таким образом, при нагреваниивозрастает, проходит через температурный максимум и далее снижается.

Сопротивление в цепи учитывает потери энергии, которые расходуются для поворота диполей в вязкой среде.

ДП свойственна:

полярным газам;

жидкостям;

может наблюдаться у твердых полярных органических веществ.

Электронно-релаксационная поляризация возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью. Следует отметить высокое значение диэлектрической проницаемости, которое может быть при электронно-релаксационной поляризации.

Миграционная поляризация наблюдается в твердых диэлектриках с макроскопически неоднородной структурой (например, в слоистых материалах), а также в диэлектриках, содержащих проводящие и полупроводящие включения (поры, заполненные влагой). При внесении в электрическое поле диэлектрика, имеющего слоистое строение (гетинакс, текстолит), в результате разной электропроводности различных слоев, на границе их раздела и в приэлектродных объемах, начнут накапливаться заряды медленно движущихся ионов, и возникнетмежслойная поляризация, которая и обуславливает миграционную поляризацию.

Миграционная поляризация протекает очень медленно (до десятков минут), поэтому она проявляется только при постоянном напряжении и на низких частотах (до 0,5 кГц). С увеличением частоты напряжения миграционнаяполяризуемость линейно снижается и при не проявляется. С увеличением температурывозрастает, так как увеличивается процесс накопления зарядов. Этот вид поляризации вызывает у материала заметное увеличение диэлектрической проницаемостии особенно диэлектрических потерь.

Спонтанная поляризация существует у сегнетоэлектриков. В таких веществах имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественно ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастания интенсивности поляризации.

В температурной зависимости наблюдается один или несколько максимумов. В переменных электрических полях материалы с самопроизвольной поляризацией характеризуются значительным рассеянием энергии, т.е. выделением теплоты.

Отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков , и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация - состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е 1 , направленное против внешнего поля с напряженностью Е 0 . Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е 0 -Е 1 .

Типы поляризации

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

Электронная - смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10 −15 с). Не связана с потерями.
Ионная - смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки . Время протекания 10 −13 с, без потерь.
Дипольная (Ориентационная) - протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
Электронно-релаксационная - ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
Ионно-релаксационная - смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
Структурная - ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
Самопроизвольная (спонтанная) - благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса . Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10 −2)
Резонансная - ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты. В связи с этим вводится понятие дисперсии диэлектрической проницаемости.

Зависимость вектора поляризации от внешнего поля

В постоянном поле

В слабых полях

В постоянном или достаточно медленно меняющемся от времени внешнем электрическом поле при достаточно малой величине напряженности этого поля, вектор поляризации P , как правило (исключение составляют сегнетоэлектрики), линейно зависит от вектора напряженности поля E :

(в системе СГС), (в системе СИ ; дальше формулы в этом параграфе приводятся только в СГС, формулы СИ и дальше отличаются лишь электрической постоянной )

где - коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром - диэлектрической восприимчивостью) данной среды. Для однородной среды фиксированного состава и структуры в фиксированных условиях ее можно считать константой. Однако в связи со всем сказанным выше вообще говоря зависит от точки пространства, времени (явно или через другие параметры) и т. д.

Для изотропных жидкостей, изотропных твердых тел или кристаллов достаточно высокой симметрии - просто число (скаляр). В более общем случае (для кристаллов низкой симметрии, под действием механических напряжений и т. д.) - тензор (симметричный тензор второго ранга, вообще говоря невырожденный), называемый тензором поляризуемости . В этом случае можно переписать формулу так (в компонентах):

где величины со значками соответствуют компонентам векторов и тензора, соответствующим трем пространственным координатам.

Можно заметить, что поляризуемость - одна из наиболее удобных физических величин для простой иллюстрации физического смысла тензоров и применения их в физике.

Как и для всякого симметричного невырожденного тензора второго ранга, для тензора поляризуемости можно выбрать (если среда неоднородная - то есть тензор зависит от точки пространства - то по крайней мере локально, если же среда однородная, то и глобально) т. н. собственный базис - прямоугольные декартовы координаты, в которых матрица становится диагональной, а тогда - только в этих координатах(!) - запись немного упрощается:

где - три собственных числа тензора поляризуемости.

Если все эти три собственных числа равны друг другу, значит умножение на тензор эквивалентно умножению на число, а среда изотропна (в отношении поляризуемости). (Отсюда ясно, почему кристалл с высокой симметрией не может давать анизотропии: требованиям симметрии могут удовлетворить только три одинаковых собственных числа).

В сильных полях

В достаточно сильных полях всё описанное выше осложняется тем, что по мере роста напряженности электрического поля рано или поздно теряется линейность зависимости P от E .

Характер появляющейся нелинейности и характерная величина поля, с которой нелинейность становится заметной, тоже, конечно, зависит от индивидуальных свойств среды, условий итп.

Можно выделить их связь с , описанными выше.

Так для электронной и ионной поляризации при полях, приближающихся к величинам порядка отношения потенциала ионизации к характерному размеру молекулы U 0 /D , характерно сначала ускорение роста вектора поляризации с ростом поля (увеличение наклона графика P(E) ), затем плавно переходящее в пробой диэлектрика.

Дипольная (Ориентационная) поляризация при обычно несколько более низких значениях напряженности внешнего поля - порядка kT/p (где p - дипольный момент молекулы, T - температура, k - константа Больцмана) - то есть когда энергия взаимодействия диполя (молекулы) с полем становится сравнимой со средней энергией теплового движения (вращения) диполя - наоборот начинает достигать насыщения (при дальнейшем росте напряженности поля должен рано или поздно включиться сценарий электронной или ионной поляризации, описанный выше, и кончающийся пробоем).

В зависящем от времени поле

Зависимость вектора поляризации от быстро меняющегося во времени внешнего поля достаточно сложна. Она зависит от конкретного вида изменения внешнего поля со временем, быстроты этого изменения (или, скажем, частоты колебаний) внешнего поля, превалирующего поляризации в данном веществе или среде (который тоже оказывается разным для разных зависимостей внешнего поля от времени, частот и т. д.).

При достаточно медленном изменении внешнего поля поляризация в целом происходит как в постоянном поле или очень близко к этому (впрочем то, насколько медленным должно быть для этого изменение поля, зависит, и зачастую крайне сильно, от превалирующего типа поляризации и других условий, например температуры).

Одним из наиболее распространенных подходов к изучению зависимости поляризации от характера меняющегося во времени поля является исследование (теоретическое и экспериментальное) случая синусоидальной зависимости от времени внешнего поля и зависимости вектора поляризации (также меняющегося в этом случае по синусоидальному закону с той же частотой), его амплитуды и сдвига фазы от частоты.

Каждому механизму поляризации в целом соответствует тот или иной диапазон частот и общий характер зависимости от частоты.

Диапазон частот, в котором имеет смысл говорить о поляризации диэлектриков как таковой, простирается от нуля где-то до ультрафиолетовой области , в которой становится интенсивной ионизация под действием поля.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

Классификация и общие свойства диэлектриков. Температурные зависимости.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

Вещества, способные поляризоваться в электрическом поле. В них существует внутреннее электрическое поле и равномерное распределение потенциалов.

Носители заряда в диэлектриках:

1. В газах

1) Положительные и отрицательные ионы. Причина: ионизация молекул газа.

2) Электроны в сильных полях.

2. В жидкостях

1) Ионы. Причина: диссоциация молекул жидкости.

2) Коллоидные заряженные частицы в эмульсиях и суспензиях.

3. В твердых

2) Дефекты кристаллической решетки.

3) Электроны или дырки проводимости.

Бывают полярные и неполярные.

Рисунок 50.

Основные электрические свойства диэлектриков:

1. Поляризация

2. Электропроводность

3. Диэлектрические потери

4. Электрическая прочность

При расчетах на постоянном токе учитывают только сквозной ток.

Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.

Поляризация – процесс смещения и упорядочения зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Численной мерой поляризации является поляризованность диэлектрика – количество электрического момента в единице объема диэлектрика:

	(1.2)
	(1.2)

где dp - электрический момент элемента диэлектрика;

dV – объем элемента диэлектрика

Напряженность внешнего электрического поля, В/м,

- диэлектрическая постоянная,

Относительная диэлектрическая проницаемость.

Поляризация определяет свойство диэлектриков образовывать электрическую емкость. В то же время поляризация диэлектриков, происходящая с затратами энергии и выделением теплоты, вызывает потери электрической энергии в материалах-изоляторах, особенно на высоких частотах, когда процессы поляризации диэлектрика повторяются большее количество циклов в единицу времени. Поэтому поляризацию описывают параметрами диэлектрика и .

Различают несколько видов поляризации.

2.2.1. Упругая поляризация – совершается в диэлектрике без выделения энергии и рассеяния тепла. Различают электронную и ионную упругие поляризации

Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов, приводящая к разделению геометрических центров положительного и отрицательного зарядов в атоме. Для установления требуемся минимальное время – 10 -15 с, т.е. образуется практически мгновенно. Поляризуемость при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость плавно уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением количества атомов в единице объема (рис. 2.2). Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков независимо от их химического состава и внутренней структуры.

Ионная поляризация – упругое смещение ионов – узлов кристаллической решетки, характерна для материалов с ионным строением. С повышением температуры усиливается благодаря ослаблению межионных сил. Время установления поляризации 10 -13 с – больше, чем у электронной поляризации, так как ионы массивнее.

Так как процессы электронной и ионной поляризации происходят практически мгновенно, величина деэлектрической проницаемости материалов с упругой поляризацией постоянна и от частоты не зависит.

2.2.2. Релаксационная (неупругая) поляризация – медленные виды поляризации. Для их осуществления требуется затратить определенную энергию, которая затем выделяется в виде тепла при возвращении диэлектрика в исходное состояние. Различают дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, резонансную и миграционную виды поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация характерна для веществ с дипольным строением и вызывается переориентацией молекул-диполей в приложенном к диэлектрику внешнем электрическом поле. В зависимости от массы, плотности упаковки и размеров диполей время установления поляризации сставляет 10 -10 ..10 -2 с. После снятия поля, вызвавшего поляризацию, они возвращаются в исходное хаотичное состояние под действием теплового движения частиц, при этом поляризованность материала убывает по закону

(1.2)

где - поляризованность диэлектрика в момент снятия внешнего поля, Кл/м 2 ,

Время релаксации (время, за которое количество упорядоченных диполей убывает в е раз), с.

Зависимость дипольной поляризации от температуры изображена на рис. 2.3. Спад графика в области низких температур обусловлен плотной упаковкой ионов и трудностью их переориентации, а в области высоких температур – малым количеством диполей, приходящимся на единицу объема диэлектрика.

Рис. 2.3. Зависимость дипольно-релаксационной поляризации от температуры

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается у всех полярных веществ. У твердых диэлектриков поляризация вызывается не поворотом самой молекулы, а смещением имеющихся в ней полярных радикалов, например, Na + и Cl - в молекуле поваренной соли.

С увеличением частоты дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость убывают, поэтому полярные диэлектрики являются частотно-зависимыми и не применяются на высоких частотах.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в материалах с неплотной упаковкой ионов и вызвана физическим перемещением ионов в вакансии кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля. После снятия поля поляризация постепенно ослабевает. Наблюдается только для твердых веществ (рис. 3.х), так как в расплавленном состоянии ионы становятся свободными и материал становится проводником с электролитической проводимостью.

Рис. 3.х. Зависимость ионно-релаксационной поляризации

от температуры

Электронно-релаксационная поляризация вызвана перемещением от одного иона к другому (в направлении поля) избыточных (дефектных) электронов и дырок. Характерна для веществ с электронной электропроводностью, имеет центральный максимум в зависимости и уменьшается с ростом частоты.

Резонансная поляризация. Наблюдается в диэлектриках на световых частотах и обусловлена резонансом собственных колебаний (вращения) электронов или ионов и частоты внешнего электромагнитного поля (света). На практике не применяется и практически не влияет на свойства диэлектрика в области частот, используемой электроникой и микроэлектроникой.

Миграционная поляризация – проявляется в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Причинами поляризации являются наличие проводящих и полупроводящих включений в реальных технических диэлектриках(бумага, ткань). При миграционной поляризации электроны и ионы перемещаются в пределах проводящих включений, образуя большие поляризованные области. Данная поляризация связана с большими потерями энергии и наблюдается уже на низких частотах, время релаксации таких диэлектриков – минуты и секунды.

В реальных диэлектриках проявляется несколько видов поляризации одновременно, поэтому частотные и температурные зависимости поляризованности , диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь усложняются. По виду поляризации различают четыре группы диэлектриков:

1. Диэлектрики в основном с электронной поляризацией. Это неполярные и слабополярные вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, полистирол, полиэтилен). Используют в качестве высокочастотных диэлектриков - изоляторов.

2. Диэлектрики с электронной и дипольно-релаксационной поляризацией. Это полярные органические, полужидкие и твердые материалы (смолы, целлюлоза). Используют в качестве низкочастотных диэлектриков – изоляторов и в низкочастотных конденсаторах.

3. Твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и релаксационной поляризацией (слюда, кварц, стекло, керамика, ситаллы). Используются в качестве диэлектриков в высокочастотных конденсаторах и как изоляторы.

4. Сегнетодиэлектрики, обладающие всеми видами поляризации. Используются как активные (управляемые) диэлектрики.

Благодаря поляризации изменяется электрическое поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость характеризует ослабление внешнего поля внутренним:

	(1.2)

где - внешнее электрическое поле, В/м,

Внутреннее электрическое поле, В/м,

Электрическое смещение, Кл/м 2 ,

Поверхностная плотность связанных зарядовна пластинах конденсатора при наличии диэлектрика, Кл/м 2 ,

Добавочная поверхностная плотность заряда, возникающая благодаря поляризации диэлектрика, Кл/м 2

Поверхностная плотность заряда на пластинах воздушного конденсатора, Кл/м 2

Для получения необходимых свойств, например, минимума температурного коэффициента емкости ТКЕ, в электрических конденсаторах может применяться сложный диэлектрик, состоящий из смеси простых материалов с разными величинами диэлектрической проницаемости. В случае использования такого диэлектрика его эффективная диэлектрическая проницаемость рассчитывается по формуле Лихтенеккера: для случая хаотического распределения компонентов:

где q 1 и q 2 – объемные концентрации(доли) компонентов.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

Процесс смещения и упорядочения носителей заряда под действием электрического поля

Состояние вещества, при котором элементарный его объем приобретает электрический момент

Причины: внешнее электрическое поле, механическое напряжение, освещенность и другие факторы внешней среды, спонтанная поляризация.

Рисунок 51.

Поляризация – причина появления электрической емкости.

Диэлектрики:

1) линейные – изоляция, кондесы постоянной емкости

2)нелинейные – датчики, кондесы управляемого напряжения

Рисунок 52.

Полярные состоят из полярных молекул (вода). Неполярные – из неполярных, у которых электрический момент = 0 (газы, поваренная соль).

Виды поляризации:

1. Быстрая поляризация (упругая) – происходит без рассеяния энергии.

1) Электронная поляризация – смещение электронного облака относительно центра ядра атома. Время возникновения и ликвидации – 10^-14…10^-15 с. Поляризуемость не зависит от температуры, но диэлектрическая проницаемость зависит. Рисунок 53.

2) Резонансная поляризация – возникает при совпадении частот вращения электронов с изменением магнитного поля.

3) Ионная поляризация – смещение друг относительно друга положительных и отрицательных ионов. Время установления – 10^-11 с. Пример: поваренная соль. С ростом температуры параметры растут.

2. Релаксационная

На ее создание тратится энергия, выделяемая в виде тепла, диэлектрические потери на переменном токе.

Разновидности:

1) Дипольная релаксационная поляризация – поворот и ориентация молекул диполей по направлению поля.

Рисунок 54.

Время установления: 10^-2…10^-10 с.

Тау – время релаксации.

2) Ионно-релаксационная поляризация – перемещение ионов от одного атома к другому в веществах с неполной упаковкой электронов. Пример: стекло.

Рисунок 55.

В жидком – проводники с электролитической проводимостью.

3) Электронно – релаксационная – переход электрона к другому атому при поляризации.

Время установления: 10^-2…10^-5 с для комнатной температуры.

4) Миграционная – наблюдается в неоднородных диэлектриках с проводящими включениями. Пример: бумага.

Рисунок 56.

Низкочастотная поляризация. Время релаксации: минуты и часы.

5) Спонтанная поляризация. Фаза – состояние кристаллической решетки, ее структура.

В различных веществах возможно изменение фазы без изменения агрегатного состояния. Изменение фазы в диэлектриках может приводить к спонтанной поляризации – сегнетоэлектрики. Диэлектрическая проницаемость – до 10^5. Вид диэлектриков – нелинейные. Используются в датчиках.

Диэлектрическая проницаемость смеси.

Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Поляризованность.

Диэлектриками называются вещества, которые в обычных условиях практически не проводят электрический ток, их удельное сопротивление в раз больше, чем у металлов. Согласно представлениям классической физики, в диэлектриках, в отличие от проводников, нет свободных носителей заряда, которые могли бы под действием электрического поля создавать ток проводимости. К диэлектрикам относятся все газы; некоторые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензол); твердые тела (стекло, фарфор, слюда). Термины "диэлектрик" и "диэлектрическая постоянная" были введены в науку в 1837 г. M. Фарадеем. Диэлектрики, как и любые вещества, состоят из атомов и молекул. В целом молекулы нейтральны, тем не менее, они взаимодействуют с электрическим полем. Например, в случае, когда симметрия молекулы отлична от сферической, ее можно представить в виде электрического диполя . Электрический дипольный момент молекулы , где q - суммарный заряд ядер или электронов; l - вектор, представляющий собой плечо эквивалентного диполя. Молекулы, обладающие электрическим дипольным моментом, называют полярными. Полярным диэлектриком является вода; следующие вещества: CO; N 2 O; S 2 O; NH; HCl также имеют в своем составе полярные молекулы. В объеме вещества дипольные моменты молекул распределены по разным направлениям хаотическим образом, так что их сумма равна нулю . Молекулы, у которых положения эквивалентного положительного и эквивалентного отрицательного заряда совпадают и, следовательно, дипольный момент каждой молекулы равен нулю (), называют неполярными . Такие вещества, как состоят из неполярных молекул. Если диэлектрик внести в электрическое поле, то это поле и сам диэлектрик претерпевают существенные изменения.

Поляризация диэлектриков - явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации . Физический смысл вектора электрической поляризации - это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Если поместить диэлектрик во внешнее электрическое поле, то он поляризуется, т. е. получит неравный нулю дипольный момент p V =∑p i где p i - дипольный момент одной молекулы. Чтобы произвести количественное описание поляризации диэлектрика вводят векторную величину - поляризованность , которая определяется как дипольный момент единицы объема диэлектрика: (1) Из опыта известно, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков, см. далее) поляризованность Р зависит от напряженности поля Е линейно. Если диэлектрик изотропный и Е численно не слишком велико, то (2) где θ - диэлектрическая восприимчивость вещества , она характеризует свойства диэлектрика; θ – безразмерная величина; притом всегда θ>0 и для большинства диэлектриков (жидких и твердых) составляет несколько единиц (но, например, для спирта θ≈25, для воды θ≈80). Для определения количественных закономерностей электрического поля в диэлектрике поместим в однородное внешнее электрическое поле Е 0 (к примеру, между двумя бесконечными параллельными разноименно заряженными плоскостями) пластинку из однородного диэлектрика, расположив ее, согласно рис. 1. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т. е. осуществляется смещение зарядов: положительные смещаются по направлению поля, отрицательные - против направления поля. В результате, на правой грани диэлектрика, который обращен к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью +σ", на левой грани - отрицательного заряда с поверхностной плотностью –σ". Эти нескомпенсированные заряды, которые появляются в результате поляризации диэлектрика, называются связанными . Поскольку их поверхностная плотность σ" меньше плотности σ свободных зарядов плоскостей, то не все поле Е компенсируется полем зарядов диэлектрика: часть линий напряженности проходит сквозь диэлектрик, другая же часть - останавливается на связанных зарядах. Значит, поляризация диэлектрика вызывает уменьшение в нем поля по сравнению с первоначальным внешним полем. Вне диэлектрика Е = Е 0 .