В чем суть явления поляризации диэлектриков. Основные виды поляризации диэлектриков. Основные виды поляризации

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.

Основы > Электротехнические материалы > Диэлектрики

Поляризация диэлектриков

Основными электрическими процессами, возникающими в диэлектриках под воздействием приложенного напряжения, являются процессы поляризации, электропроводности и пробоя диэлектриков .
Поляризация представляет собой обратимое смещение электрически заряженных частиц, входящих в состав диэлектриков. Различают следующие основные виды поляризации: электронная, ионная, дипольная, спонтанная и некоторые другие.
Процесс поляризации диэлектриков описывается уравнением Клаузиуса - Мосотти

где - диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала; - число частиц (молекул, ионов) в 1 см3 материала; - поляризуемость частицы (молекула, ион); Р - удельная поляризация диэлектрика.
Уравнение Клаузиуса - Мосотти устанавливает связь между практической характеристикой материала - диэлектрической проницаемостью , физической постоянной материала и числом поляризующихся частиц в единице объема диэлектрика .
Электронная поляризация представляет собой процесс упругого смещения электронов (электронных орбит) относительно ядра во всех атомах диэлектрика. Процесс электронной поляризации является процессом мгновенным. Он происходит за время с. Электронная поляризация имеет место во всех диэлектриках.
Электронная поляризуемость зависит от структуры частицы. Чем больше радиус молекулы или иона, тем больше и величина данного диэлектрика.
В пропорциональной зависимости от числа частиц в единице объема диэлектрика находится и величина . С нагреванием, когда плотность диэлектрика уменьшается, наблюдается уменьшение е нейтрального диэлектрика (рис. 5-1 , кривая 1).
У диэлектриков с чисто электронной поляризацией величина численно равна квадрату показателя преломления света.
Процесс ионной поляризации представляет собой упругое смещение под действием электрического поля ионов относительно центров их равновесия. Поляризация ионного смещения происходит за время, сравнимое со временем собственных колебаний ионов, и составляет с.
Интенсивность процесса ионной поляризации в уравнении Клаузиуса - Мосотти учитывается величиной ионной поляризуемости :

где е - заряд иона; b - коэффициент упругой связи между ионами.
С повышением температуры ионного диэлектрика величина аи возрастает в связи с ослаблением упругих сил в ионном ди-электрике и увеличением амплитуды колебаний иона. Поэтому интенсивность процесса ионной поляризации возрастает с повышением температуры. В ионных диэлектриках одновременно с поляризацией ионного смещения развивается также процесс электронной поляризации - явление, которое с нагревом и расширением диэлектрика понижается, но суммарный эффект поляризации у большинства ионных диэлектриков возрастает (рис. 5-2) с повышением их температуры.
Электронная и ионная поляризации представляют собой виды деформационной поляризации, не вызывающие потерь энергии в диэлектриках. Дипольная (дипольно-релаксационная) поляризация протекает в полярных диэлектриках под действием электрического поля. Этот вид поляризации представляет собой ориентацию - поворот полярных молекул в направлении действующего электрического поля.
Поляризуемость полярных молекул ао определяется выражением

где - начальный электрический момент полярной молекулы; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Зависимость e от температуры для ионного кристаллического диэлектрика.

Зависимость e от частоты для электроизоляционных жидкостей.
1-нейтральная жидкость; 2-полярная жидкость.

Зависимость e галовакса от температуры при разных частотах.

При повышении температуры диэлектрика интенсивность дипольной поляризации возрастает в связи с ослаблением междумолекулярных сил и понижением коэффициента внутреннего трения. Поэтому с повышением температуры вначале полярных диэлектриков увеличивается (рис. 5-1), С дальнейшим ростом температуры интенсивность хаотического теплового движения полярных молекул начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля и эффект дипольной поляризации понижается. Это в свою очередь вызывает уменьшение полярных диэлектриков.
Для ориентации полярных молекул в процессе дипольной поляризации требуются промежутки времен, значительно большие по сравнению со временем для процессов деформационных поляризаций. Естественно, диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков в сильной степени зависит от частоты электрического поля (рис. 5-3). В начальном диапазоне частот полярные молекулы успевают совершить свой поворот за время одного полупериода. При этом практически равна при постоянном напряжении. С дальнейшим ростом частоты время одного полупериода сокращается и ряд молекул выпадает из процесса дипольной поляризации. При этом диэлектрическая проницаемость диэлектрика резко снижается, достигая (при очень больших частотах) значения , обусловленного только электронной поляризацией молекул диэлектрика. Критическая частота , с которой начинается резкое снижение эффекта дипольной поляризации, может быть определена по формуле

где - радиус полярной молекулы; - абсолютная вязкость; - постоянная Больцмана; - абсолютная температура.
Дипольная поляризация ярко выражена у полярных газов и жидкостей (касторовое масло, совол и др.). В твердых полярных диэлектриках дипольная поляризация представляет собой не ориентацию самих полярных молекул, а поворот имеющихся в молекулах полярных радикалов, например гидроксильных групп в молекулах целлюлозы, бакелита и др. Этот вид дипольно-релаксационной поляризации иногда называется структурной поляризацией. На рис. 5-4 представлена зависимость твердого полярного диэлектрика - галовакса от температуры при разных частотах.
Значения диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков зависят от размеров полярных молекул и величин их начального электрического момента. Чем меньше размер полярной молекулы - диполя и больше величина ее начального момента , тем больше данного диэлектрика. У полярных диэлектриков одновременно имеют место дипольная и электронная поляризации. Вследствие этого суммарный эффект поляризации полярных диэлектриков, а следовательно, и значения их диэлектрических проницаемостей намного выше, чем у нейтральных диэлектриков (табл. 5-1).
Дипольно-релаксационные поляризации вызывают потери энергии в диэлектриках, так как электрическое поле затрачивает энергию на поворот полярных молекул (диполей). Эта энергия рассеивается в полярных диэлектриках в виде тепла, которое вызывает нагрев последних. Потери мощности в диэлектриках, работающих в переменном поле, оцениваются тангенсом угла диэлектрических потерь . На рис. 5-5 показаны зависимости этой характеристики от температуры для нейтральной и црлярной жидкостей.
У тщательно очищенных нейтральных диэлектриков диэлектрические потери обусловлены преимущественно токами проводимости, величины которых возрастают с повышением температуры диэлектрика. В связи с этим возрастает и . У полярных диэлектриков наблюдается максимум при такой величине вязкости диэлектрика, когда в процессе дипольной поляризации принимает участие наибольшее количество полярных молекул. Понижение величины с дальнейшим повышением температуры обусловлено ростом интенсивности беспорядочного теплового движения полярных молекул. Вторичный подъем вызван увеличением тока проводимости в диэлектрике.
На рис. 5-6 представлена частотная зависимость для полярной жидкости. Максимум здесь соответствует частоте , с которой начинается снижение величины (рис. 5-3) и . Это объясняется тем, что большинство полярных молекул выходит из процесса дипольной поляризации в связи с уменьшением времени одного полупериода при дальнейшем увеличении частоты электрического поля.
Еще один вид релаксационной поляризации наблюдается в неорганических стеклах, а также в ионных кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (муллит в фарфоре и др.). В этих диэлектриках слабо связанные ионы, находящиеся в состоянии хаотических тепловых колебаний, перебрасываются электрическим полем. Этот процесс получил название ионно-релаксационной поляризации . Переброс слабо связанных ионов вызывает дополнительные потери энергии.
Самопроизвольная (спонтанная поляризация) представляет собой процесс самопроизвольной ориентации диполей, наблюдаемой внутри отдельных областей (доменов) диэлектрика в отсутствие электрического поля. Самопроизвольная поляризация имеет место у материалов, называемых сегнетоэлектриками .
В отсутствие электрического поля электрические моменты отдельных областей (доменов) диэлектрика направлены беспорядочно, но они взаимно уравновешивают друг друга. Наложение на диэлектрик электрического поля вызывает ориентацию диполей в направлении поля. При этом интенсивность поляризации резко возрастает, вследствие чего наблюдается сильный рост диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика. Этот процесс продолжается до определенной напряженности электрического поля, а затем наступает насыщение (рис. 5-7). Дальнейшее повышение напряженности не увеличивает интенсивности поляризации, и рост прекращается. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрических материалов имеет также ярко выраженный максимум при вполне определенной температуре (рис. 5-8). Эта температура называется сегнетоэлектрической температурой Кюри (). Наличие спонтанной поляризации обусловливает аномально большие значения у сегнетоэлектриков (сегнетова соль, титанат бария и др.). Процесс самопроизвольной поляризации сопровождается затратой энергии, рассеиваемой в диэлектриках в виде тепла.

Поляризация диэлектрика – это явление упорядоченного переориентирования молекул диэлектрика под действием внешнего электрического поля . В результате поляризации вместе с молекулами перераспределяются и их электрически заряженные частицы. Получается, что в одном направлении по отношению к силовым линиям поля преобладают положительно заряженные частицы, а в противоположном – отрицательно заряженные.

Интересно, что в результате поляризации в диэлектрике появляется собственное электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему, собственно вызвавшему эту поляризацию. И хотя внутреннее поле значительно меньше внешнего, наблюдается эффект достаточно существенного ослабления последнего.

Степень поляризации диэлектрика очень часто выражают его диэлектрической проницаемостью . Чем она меньше, тем сильнее диэлектрик ослабляет внешнее поле.

Типы поляризации

Различают несколько типов поляризации диэлектрика: электронная, ионная, дипольная, электронно-релаксационная, ионно-релаксационная, самопроизвольная, структурная, резонансная и миграционная.

Самая простая и самая быстрая (по времени переориентации молекул) – электронная. При ионной поляризации смещаются не молекулы, а кристаллические решетки диэлектрика. При дипольной – переориентируются диполи молекул. Релаксационная приводит к смещению слабо закрепленных в кристаллической структуре заряженных частиц (электронов или ионов). При резонансной поляризации переориентируются частицы, частоты которых совпадают с частотой внешнего электрического поля. Миграционная связана с тем, что в некоторых диэлектриках есть слои с различной электрической проводимостью . Структурная возникает в неоднородных диэлектриках, содержащих различные примеси.

Поляризация диэлектрика зависит не только от его физических свойств, но и от характера внешнего поля. Как правило, максимальная степень поляризации возникает при воздействии на диэлектрик статического (не изменяющегося во времени) электрического поля. Правда при резонансной поляризации это условие не соблюдается. В этом случае она минимальна, так как резонансная частота движения молекул не может быть равна нулю.

Наименьшее воздействие на внешнее поле из известных материалов оказывает керамика. Именно поэтому этот материал чаще всего используется при создании

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.

Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур.

Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

Молекула диэлектрика, как и молекула любого другого вещества, электрически нейтральна. Это означает, что суммарный отрицательный заряд электронов равен суммарному положительному заряду ядер. Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки.

Диэлектрики – вещества, не имеющие свободных зарядов, а потому не способные проводить постоянный электрический ток. Делятся на две группы: неполярные и полярные диэлектрики . Они различаются строением молекул.

Если у молекулы в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают , то есть дипольный момент молекулы, то такие молекулы называются неполярными . К ним относятся молекулы H2, O2, N2. Неполярные диэлектрики не ведут себя как диполи .

Молекулы, у которых в отсутствие внешнего поля центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают , то есть существует дипольный момент , называются полярными . К ним относятся H2O, CO, NH, HCl, SO4 и др. Молекулы полярных диэлектриков с точки зрения электрических свойств являются диполями.

Полярные молекулы обладают собственным дипольным моментом р, неполярные – нет .

Третью группу диэлектриков (NaCl, KCl, КВr, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение . Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.

В электрическом поле любой диэлектрик становится полярным, т.е. способен поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля.

ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей, т.е. возникновение дипольного момента в диэлектрике называется ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ.

Под действием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика:

Если диэлектрик состоит из неполярных молекул , то в пределах каждой молекулы происходит смещение зарядов - положительных по полю, отрицательных против поля.

Слева изображена симметричная электронная орбита в атоме неполярного диэлектрика. При наложении внешнего поля E0 эта орбита деформируется (рис. справа): электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле. Центры положительных и отрицательных зарядов в атоме неполярного диэлектрика разойдутся в разные стороны. То есть получаем как бы диполь, но не диполь.

Если же диэлектрик состоит из полярных молекул , то при отсутствии внешнего электрического поля молекулы-диполи полярного диэлектрика, совершая хаотическое тепловое движение, ориентированы в самых разных направлениях. Электрические поля этих диполей полностью компенсируют друг друга, и результирующее поле равно нулю во всех областях диэлектрика. Но если поместить такой диэлектрик во внешнее поле E0, то оно «развернёт» диполи так, что они окажутся ориентированными вдоль линий напряжённости («минусы» диполей повернутся влево - к тем «плюсам», которые создают внешнее поле).

Независимо от механизма поляризации в этом процессе все положительные заряды смещаются по полю, а отрицательные - против поля. Смещения зарядов в обычных условиях весьма малы даже по сравнению с размерами молекул, это связано с тем, что напряженность внешнего поля Е0, действующего на диэлектрик, значительно меньше напряженности внутренних электрических полей Е’ в молекулах .

Необходимо отметить две группы поляризации :

- упругая поляризация , протекающая практически мгновенно под действием электрического поля, не сопровождающаяся рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике (выделением теплоты);

- релаксационная поляризация , нарастающая и убывающая в течение некоторого промежутка времени и сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием.

Типы поляризации :

Трём типам диэлектриков соответствуют три типа поляризации

ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ – возникновение дипольного момента в неполярных молекулах. Под действием поля электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле. Центры положительных и отрицательных зарядов в атоме неполярного диэлектрика разойдутся в разные стороны. Электронная поляризация обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра во внешнем поле.

ИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ – Поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов. Характерна для твердых тел с ионным строением, т.е. для кристаллических диэлектриков. Всякий ионный кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. При наложении напряжения в нем начинают действовать электрические силы, и ионы смещаются: положительные – в одном направлении (вдоль поля), отрицательные – в противоположном (против поля).

Электронная и ионная поляризации относятся к упругой поляризации.

ОРИЕНТАЦИОННАЯ (ДИПОЛЬНАЯ) ПОЛЯРИЗАЦИЯ – возникновение дипольного момента в диэлектрике с полярными молекулами вследствие ориентации дипольных моментов молекул по направлению поля. Тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура.

У полярных диэлектриков диполи существуют от природы без всякого внешнего поля, но ориентированы хаотически. Во внешнем поле диполи поворачиваются и выстраиваются вдоль линий внешнего поля, происходит поляризация, которая называется ориентационной.

Напряженность поля в диэлектрике .

В результате поляризации молекула приобретает дипольный момент, величина которого пропорциональна полю

где α – поляризуемость молекулы (характеризует «реакцию» молекулы на электрическое поле). α – характеристика 1 атома или иона.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε .

В качестве величины, характеризующей степень поляризации диэлектрика, принимается вектор ПОЛЯРИЗОВАННОСТИ - дипольный момент единицы объема (или плотность дипольного момента)

где χ – ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВОСПРИМЧИВОСТЬ вещества, показывает, как диэлектрик реагирует (воспринимает) на внешнее электрическое поле.

χ – величина безразмерная; притом всегда χ > 0. Для большинства диэлектриков эта величина порядка 1, но для воды она равна 80, а для спирта – 30.

Диэлектрическая восприимчивость зависит от: химического состава и примесей, агрегатного состояния и температуры для полярных диэлектриков.

Если α – характеристика отдельной молекулы (иона), χ – характеристика всего диэлектрика, то есть характеристика вещества в целом. χ не зависит от и в слабых полях.

\Если между пластинами плоского конденсатора поместить слой диэлектрика, то в результате поляризации положительные заряды в диэлектрике сместятся по полю, а отрицательные – против поля, и на правой грани (по рисунку) возникнет избыток положительных, а на левой гране – избыток отрицательных зарядов с поверхностной плотностью +σ’ и –σ’. Эти заряды создадут внутри диэлектрической пластины однородное поле, напряженность которого по теореме Гаусса равна

Безразмерная величина называется ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ среды.

Диэлектрическая проницаемость среды - это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электрического поля внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряженности поля в вакууме.

Она вводится для характеристики электрических свойств диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость среды показывает во сколько раз поле ослабляется диэлектриком.

Диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8. Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом.

Электрическое смещение .

Для описания электрического поля, в частности, в диэлектрике, вводят в рассмотрение вектор электрического смещения (вектор электростатической индукции) , равный

Результирующее поле в диэлектрике описывается вектором напряженности. зависит от свойств диэлектрика (от ε). Вектором описывается электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами. Связанные заряды, возникающие в диэлектрике, могут вызвать перераспределение свободных зарядов, создающих поле. Поэтому вектор характеризует электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами (т.е. в вакууме), но при таком их распределении в пространстве, какое имеется при наличии диэлектрика.

Аналогично, как и поле Е, поле D изображается с помощью линий электрического смещения, направление и густота которых определяются точно так же, как и для линий напряженности.

Линии вектора Е могут начинаться и заканчиваться на любых зарядах - свободных и связанных, в то время как линии вектора D - только на свободных зарядах. Через области поля, где находятся связанные заряды, линии вектора D проходят не прерываясь.

Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора D сквозь эту поверхность

Поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов.

В такой форме теорема Гаусса справедлива для электростатического поля как для однородной, так и для неоднородной сред.