Эффект поляризации диэлектрика. Диэлектрики и их свойства, поляризация и пробивная напряженность диэлектриков. Определение электрической прочности газообразных диэлектриков

Любое вещество, вне зависимости от его агрегатного состояния и деталей его атомно-молекулярного устройства, например, атомный, молекулярный или ионный кристалл и т. п., в конечном счете, состоит из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Поэтому механизм поляризации один - это смещение положительных зарядов по поляризующему полю и отрицательных зарядов против поляризующего поля (рис. 3.14). Здесь уместно подчеркнуть, что вещество поляризуется не внешним полем (см., например (3.2) выше), а суммарным полем , созданным как сторонними (не принадлежащими диэлектрику) зарядами, так и самим поляризованным веществом. В дальнейшем мы не будет специально это подчеркивать.

Рис. 3.14. Смещение положительных зарядов по поляризующему полю
и отрицательных зарядов против поляризующего поля

При исследовании поляризационных свойств конкретных веществ разумно и полезно выделять те главные особенности единого механизма перемещения зарядов под действием поляризующего поля, которые и определяют результат: степень и характер поляризованности вещества. Это приводит к рассмотрению целого ряда «частных» механизмов поляризации, таких как:

и многие другие.

Несколько слов по поводу упомянутой выше ионной поляризации, которая имеет место в кристаллах типа поваренной соли NaCl. Под действием поля положительно заряженные ионы натрия Na + и отрицательно заряженные ионы хлора Cl – смещаются в разные стороны из своих равновесных положений, из-за чего каждая элементарная ячейка кристалла приобретает электрический дипольный момент. Этот пример полезен в следующем смысле: как бы сложно ни был устроен диэлектрик - в данном случае ионный кристалл - его поляризация обусловлена смещением в противоположные стороны положительных и отрицательных зарядов. Вопрос в том, какие конкретно носители заряда способны к такому перемещению: свободные электроны в металле, сильно связанные с ядрами электроны электронной оболочки нейтральных атомов или молекул в газе или жидкости, ионы в узлах кристаллической решетки и так далее. Определяется это тем, как устроен диэлектрик.

Процессы, происходящие в диэлектрике при его поляризации, можно понять, исходя из представлений о диэлектрике как о среде, состоящей из попарно связанных разноименных зарядов. В отличие от проводников в диэлектриках нет свободных зарядов, которые под действием внешнего поля могут двигаться по всему объему образца. Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, прочно связаны между собой и способны перемещаться только в пределах своей молекулы (или атома), то есть на расстоянии порядка см.

Практически во всех тех случаях, когда диэлектрик состоит из электрически нейтральных частиц (атомов и молекул), независимо от его агрегатного состояния, возможно сведение всех «подмеханизмов» поляризации к двум видам. Для этого принято делить все атомы и молекулы и состоящие из них диэлектрики на два класса:

Рис. 3.15. Поляризация неполярного диэлектрика

Рис. 3.16. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Здесь - вектор дипольного момента одной молекулы, суммирование ведётся по всем молекулам, находящимся внутри физически бесконечно малого объема . Например, рассмотрим однородно поляризованный шар (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Поляризованность и электрическое поле однородно поляризованного шара

При поляризации неполярного диэлектрика электронная оболочка атома или молекулы деформируется - электроны смещаются против поляризующего поля, ядра смещаются по полю. Возникает некоторое расстояние между ранее (в отсутствие поляризующего поля) совпадавшими центрами положительных и отрицательных зарядов. В результате атом или молекула приобретают некоторый наведенный дипольный момент.

Более или менее очевидно, что наведенный дипольный момент будет пропорционален величине внешнего электрического поля. Понять это можно, рассматривая поведение потенциальной энергии П(x ) взаимодействия двух частиц, где х - расстояние между ними. Пусть равновесному состоянию соответствует расстояние (частицы находятся в одной точке и дипольный момент отсутствует). При малых отклонениях от положения равновесия в разложении потенциальной энергии в ряд Тейлора можно ограничиться несколькими первыми членами

Учитывая, что первая производная в точке равновесия равна нулю и что вторая производная в этой точке положительна , получаем, что вблизи точки устойчивого равновесия потенциальная энергия ведет себя как

Соответственно, при отклонении от этого положения возникает сила

подобная силе упругости при растяжении пружины. Если заряды в молекуле «соединены» такой «пружиной», то при наложении поля Е новое равновесное расстояние между частицами будет определяться соотношением

В результате находим величину возникшего под действием поля дипольного момента

Умножая наведенный дипольный момент на концентрацию поляризованных молекул N /V (N - их полное число в объеме V ), получаем поляризованность диэлектрика

Если записать поляризованность (3.16) в виде

где константа (для данного вещества) по определению есть диэлектрическая восприимчивость вещества, то для , то в рамках данной модели диэлектрическую восприимчивость можно вычислить по нижеследующей формуле

У молекул, называемых полярными, центры положительных и отрицательных зарядов сдвинуты друг относительно друга, поэтому такая молекула имеет собственный дипольный момент. При помещении такой молекулы в электрическое поле её электронная оболочка деформируется, расстояние между центрами зарядов увеличивается и к исходному собственному дипольному моменту добавляется некоторый наведенный дипольный момент. Однако, можно показать, что этот дополнительный наведенный дипольный момент много меньше собственного. Разумеется, это справедливо, если поляризующее поле много меньше поля, существующего внутри молекулы. По порядку величины внутримолекулярное поле равно атомной единице напряженности электрического поля: В/м. В написанном выражении для атомной единицы напряженности электрического поля масса электрона, его заряд, постоянная Планка. Учитывая, что, например, «пробойная» - приводящая к искровому разряду – напряженность поля для сухого воздуха составляет всего В/м, то есть на пять порядков меньше, можно утверждать, что в подавляющем большинстве экспериментов наведенным дипольным моментом, при наличии собственного, можно пренебречь. В дальнейшем, при рассмотрении поляризации дипольных диэлектриков, этот эффект (наведение дополнительного момента) учитываться не будет.

Векторы собственных дипольных моментов отдельных молекул в обычном состоянии из-за теплового движения ориентированы хаотически. Поэтому при отсутствии внешнего электрического поля средний суммарный дипольный момент любого физически бесконечно малого объема диэлектрика равен нулю. Другими словами, диэлектрик не поляризован: его поляризованность равна нулю.

Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекул параллельно вектору , а тепловое движение этому препятствует, диэлектрик поляризуется, при этом его поляризованность должна зависеть от температуры, а именно: с ростом температуры она должна убывать. Ниже эта зависимость вычисляется, также будет показано, что и в случае полярных диэлектриков их поляризованность пропорциональна напряженности поляризующего поля. Такая поляризация называется ориентационной (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Ориентационная поляризация диэлектрика

В соответствии с формулой (3.8) потенциальная энергия диполя во внешнем поле Е зависит от ориентации диполя

Согласно статистическому закону Больцмана (рис 3.19), описывающему распределение частиц по энергиям во внешнем поле в условиях термодинамического равновесия, число молекул, дипольный момент которых ориентирован под углом , к внешнему полю, определяется как

Здесь С - нормировочная постоянная, значение которой мы найдем позже, Т - абсолютная температура, постоянная Больцмана - k B = 1,38·10 –23 Дж/К. Вследствие малости дипольного момента молекул, для обычных (не слишком низких) температур показатель экспоненты мал, и мы можем разложить экспоненту в ряд Тейлора, оставляя первые два члена

Рис. 3.19. Л. Больцман (1844–1906) - австрийский физик

Подчеркнем, что использование приближенного выражения (3.18) и всех выводов, следующих из него, оправдано при не слишком низких температурах, когда . Не представляет труда точное вычисление с использованием (3.17) вместо приближенного (3.18), которое читатель может проделать самостоятельно.

Интеграл по полному телесному углу должен дать полное число N молекул в системе. Поскольку среднее значение косинуса равно нулю, то интегрируется лишь первое слагаемое в (3.18). Так как значение полного телесного угла равно , получаем

Теперь мы знаем постоянную С и можем записать выражение (3.18) в виде

Необходимо определить значение проекции суммарного дипольного момента на направление поля (другие проекции заведомо равны нулю ввиду осевой симметрии задачи). Проекция дипольного момента одной молекулы равна рcosa, следовательно полный дипольный момент Р всех молекул в единице объема равен

Интеграл по равен , а интеграл по вычисляется с помощью замены переменной

Находим тогда

Из (3.21) вытекает, что и в случае дипольной ориентационной поляризации вещества поляризованность пропорциональна напряженности электрического поля. Более того, мы нашли зависимость поляризованности от температуры. Это закон Кюри, который подтверждается на опыте (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Зависимость поляризованности полярного диэлектрика от температуры (точное решение)

Подводя итоги данного раздела, мы вкратце повторим основные выводы. Внешнее электрическое поле либо создает дипольные моменты, ориентированные по полю, либо ориентирует дипольные моменты отдельных молекул, и диэлектрик приобретает определенный макроскопический дипольный момент. Вектор называется поляризованностью диэлектрика. Он пропорционален напряженности внешнего электрического поля, и эту связь можно представить в виде

то вектор поляризации в СИ измеряется в Кл/м 2 . Его размерность совпадает с размерностью поверхностной плотности зарядов. Это наводит на мысль, что вектор поляризованности связан с плотностью поляризационных зарядов, возникающих на поверхности и в объеме диэлектрика, помещенного во внешнее поле (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Вектор поляризованности и плотность поляризационных зарядов

Пропорциональность между поляризованностью Р и напряженностью Е внешнего электростатического поля объясняется в случае электронной и ионной поляризации тем, что с увеличением Е растут дипольные моменты отдельных атомов p i . При дипольной поляризации пропорционально увеличению напряженности внешнего электростатического поля увеличивается степень ориентации векторов p i . Выше мы нашли общие формулы для диэлектрической восприимчивости при различных видах поляризации. Следует подчеркнуть, что они справедливы для газов: мы не учитывали влияния молекул друг на друга, что допустимо для систем, где частицы не слишком плотно упакованы. Но общий вывод остается справедливым и для конденсированных сред (жидкостей и твердых тел): под действием внешнего электрического поля единица объема диэлектрика приобретает дипольный момент Р ; в простейших случаях имеет место линейная зависимость

В полную диэлектрическую восприимчивость диэлектрика дают вклад все три рассмотренных механизма:

Обычно редко бывает, чтобы все доли диэлектрической восприимчивости были одинаково велики. Скажем, в ионных кристаллах дипольная часть вообще отсутствует. Экспериментально вклад каждой доли можно найти, измеряя диэлектрические проницаемости при разных частотах электромагнитной волны. При низких частотах (статическое поле, которым мы сейчас занимаемся) вклад дают все три доли диэлектрической восприимчивости (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Зависимость полной диэлектрической восприимчивости диэлектрика
от частоты электромагнитной волны. Указаны диапазоны частот:
I - область радио- и микроволн, II - инфракрасная область, III - ультрафиолетовая область

При повышении частоты первым исчезнет вклад дипольной части: молекулы не будут успевать поворачиваться, следуя быстро изменяющемуся электрическому полю волны. Переход к новому режиму осуществляется обычно при частотах радиодиапазона. При дальнейшем росте частоты исчезнет вклад ионной части: ионы более инерционны, нежели электроны. В диапазоне оптических частот доминирует электронная доля поляризации. При переходе к еще более высоким частотам - за ультрафиолетовой областью - даже электронные облачка не будут успевать следовать за изменениями электрического поля и поляризуемость диэлектрика исчезнет.

Приведем пример: у поваренной соли NaCl диэлектрическая проницаемость в статическом поле равна 5,62, а в поле электромагнитной волны оптического диапазона - всего лишь 2,25. Дипольная поляризуемость в таких кристаллах отсутствует, и различие следует приписать ионной поляризуемости.

Дополнительная информация

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/index.html - электромагнитные волны, шкала электромагнитных волн;

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/radio.html - радиоволны;

http://www.nrao.edu/index.php/learn/radioastronomy/radiowaves - радиоволны, источники радиоволн.

МОСКОВСКИЙ

1.1. Основные определения и формулы

Одним из важнейших свойств диэлектриков является их способность поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля. Согласно современным представлениям явление поляризации сводится к изменению положения в пространстве частиц диэлектрика, имеющих электрический заряд того или иного знака, в результате чего каждый макроскопический объем диэлектрика приобретает некоторый наведенный (индуцированный) электрический момент, которым этот объем диэлектрика до воздействия внешнего электрического поля не обладал.

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствие поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков появляется под действием механических напряжений.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью:

– емкость конденсатора с данным диэлектриком;

– емкость того же конденсатора в вакууме (т.е. геометрическая емкость между электродами).

Абсолютная диэлектрическая проницаемость , значение которой зависит от выбора системы единиц, связана с относительной диэлектрической проницаемостью:

– электрическая постоянная.

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества. Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика .

При отсутствии внешнего электрического поля каждый элемент объема диэлектрика не имеет электрического момента, так как алгебраическая сумма зарядов всех молекул диэлектрика в данном объеме равна нулю и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают в пространстве. При этом предполагается, что этот элемент объема весьма велик по сравнению с размерами молекулы, так что в нем содержится весьма большое число молекул. Под действием внешнего электрического поля происходит некоторое упорядочение расположения в пространстве молекул диэлектрика, как это схематически представлено на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Расположение зарядов в полностью поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

При этом рассматриваемый объект диэлектрика уже будет иметь некоторый отличный от нуля электрический момент, равный геометрической сумме моментов всех поляризованных молекул диэлектрика, находящихся в этом объеме. Поляризованность равна пределу отношения электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю. В наиболее простом случае однородного поля (плоского конденсатора) с объемом диэлектрика имеет место:

В подавляющем большинстве случаев (у так называемых линейных диэлектриков) поляризованность прямо пропорциональна напряженности электрического поля в данной точке диэлектрика. Коэффициент пропорциональности между этими величинами равен произведению безразмерного параметра диэлектрика – диэлектрической восприимчивости, обозначаемой , на электрическую постоянную :

произведение , называют абсолютной диэлектрической восприимчивостью.

У нелинейных диэлектриков, к которым относятся, в частности, сегнетоэлектрики, пропорциональности между векторами нет.

У изотропных диэлектриков направления векторов в каждой точке совпадают и коэффициент пропорциональности между ними является скалярной величиной. В случае анизотропных диэлектриков связь между тензорного вида.

Легко найти еще одно простое выражение для поляризованности. Будем рассматривать для простоты плоский конденсатор с поперечным сечением диэлектрика (т. е. площадью каждой обкладки) , и толщиной слоя диэлектрика (рис. 1.1). Пусть плотность связанных зарядов, выявившихся в результате поляризации на торцах диэлектрика, прилегающих к электродам, составляет . Поскольку, как это видно на рис. 1.1, положительные и отрицательные заряды в глубине диэлектрика взаимно компенсируют друг друга, электрический момент всего объема диэлектрика равен:

дает модуль поляризованности

Таким образом, поляризованность равна поверхностной плотности связанных зарядов в диэлектрике.

1.2. Механизмы поляризации

Значение емкости конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд обусловлены несколькими механизмами поляризации, которые различны у разных диэлектриков и могут иметь место одновременно у одного и того же материала.

Эквивалентную схему диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, можно представить в виде ряда подключенных параллельно к источнику напряжения конденсаторов, как показано на рис. 1.2:

Рис. 1.2. Эквивалентная схема диэлектрика

Емкость и заряд соответствуют собственному полю электродов, если в пространстве между ними нет диэлектрика (вакуум). Все остальные значения и соответствуют различным механизмам поляризации: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, ионно-релаксационной, электронно-релаксационной, миграционной, резонансной и спонтанной; означает сопротивления, эквивалентные потерям энергии при этих механизмах поляризации.

Емкости конденсаторов эквивалентной схемы рис. 1.2 шунтированы сопротивлением изоляции , представляющим собой сопротивление диэлектрика току сквозной электропроводности .

1.3. Виды поляризации

В зависимости от механизма или порядка смещения электрических зарядов различают следующие виды поляризации:

1. Электронная поляризация;

2. Ионная поляризация;

3. Упруго-дипольная поляризация;

4. Ионно-релаксационная поляризация;

5. Дипольно-релаксационная поляризация;

6. Миграционная (межслоевая) поляризация;

7. Электронно-релаксационная поляризация;

8. Поляризация ядерного смещения;

9. Остаточная (электретная) поляризация;

10. Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация;

11. Пьезоэлектрическая поляризация.

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.

СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

ДИЭЛЕКТРИКИ.

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.).

При наложении электрического напряжения в диэлектрике, представляющем сложную электрическую систему, протекают разнообразные электрические процессы, связанные с его поляризацией, электрической проводимостью. В случае очень большого напряжения может произойти разрушение диэлектрика, называемое пробоем.

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества.

Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика P .

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

Расположение зарядов в полностью поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

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

1) Электронная поляризация

При подаче напряжения в диэлектрике создается электрическое поле, и электроны в атомах смещаются относительно ядра к положительному электроду.

Смещенные электроны с положительными зарядами ядер атомов образуют пары связанных друг с другом электрических зарядов, которые называются упругими диполями. Образование их происходит мгновенно (10 -15 с). Они исчезают, если с диэлектрика снято напряжение. Этот процесс образования упругих диполей называется электронной поляризацией .

Величина e зависит от концентрации атомов (молекул) в диэлектрике и их структуры, определяющей поляризуемость α э атома (молекулы), и описывается выражением:

e = 1 + n α э,

где ε – диэлектрическая проницаемость; n – концентрация частиц (атомов, молекул) в диэлектрике; α э – электронная поляризуемость, определяемая структурой молекулы или атома.

Если диэлектрик кристалл, то у него ε больше, чем у аморфного диэлектрика, т.к. плотность упаковки атомов и молекул больше в кристаллическом состоянии.

Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света n.

ε = n 2 .

Хотя деформация электронных орбит не зависит от температуры, электронная поляризация, а, следовательно, диэлектрическая проницаемость ε с увеличением температуры диэлектрика уменьшается, т.к. увеличивается его объем и уменьшается число частиц в единице объема.

2) Ионная поляризация (или поляризация ионного смещения).

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, отрицательные – в противоположном. Каждая пара ионов образует упругий диполь. Время установления ионной поляризации 10 -13 с. Наряду с процессом поляризационного смещения протекает электронная поляризация. Интенсивность этих процессов у кристаллических диэлектриков велика, поэтому больше ε = 7 ÷ 12 и выше.

Электронная и ионная поляризации относятся к упругой поляризации. Остальные, рассматриваемые далее, являются различными проявлениями релаксационной поляризации.

Под действием поля ориентируются и радикалы (группы атомов) – это дипольно – радикальная поляризация .

С увеличением температуры вязкость среды уменьшается, и дипольная поляризация возрастает, пока велика вязкость. Но постепенно нарастает хаотичность теплового движения и становится преобладающей над ориентацией диполей, т.е. дипольная ориентация с ростом температуры начинает падать.

Эта поляризация свойственна газам и жидкостям, а также твердым полярным органическим веществам, имеющим в составе радикалы. Совершается за время 10 -2 с. После снятия поля ориентация ослабевает (происходит релаксация).

4) Электронно– релаксационная поляризация .

Поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления и электронной электропроводностью, а также полупроводников.

5) Упруго – дипольная поляризация

Поляризация наблюдается у дипольных молекул некоторых кристаллов, закрепленных и только ограниченно поворачивающихся на небольшой угол.

6) Междуслойнаяполяризация

Поляризация обусловлена проводящими и полупроводящими включениями и наличием слоев с различной проводимостью. Поляризация проявляется в твердых телах неоднородной структуры (слоистые пластики) в области низких частот, и связана со значительными потерями электрической энергии.

7) Самопроизвольная (спонтанная) поляризация

Поляризация характерна для сегнетоэлектриков, веществ, разбивающихся на области (домены ), обладающие спонтанным дипольным моментом в отсутствие внешнего поля. Взаимная ориентация дипольных моментов доменов в отсутствие поля такова, что суммарный дипольный момент вещества равен нулю. Наложение поля ориентирует дипольные моменты доменов, что вызывает очень сильную поляризацию.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Бийский технологический институт

(филиал) ФГБОУ ВПО

«Алтайский государственный

технический университет

им. И.И. Ползунова»

(БТИ АлтГТУ)

На тему: Поляризация диэлектриков

Выполнил:

студент группы ПС-11

Комарова.А.В.

Проверил:

Шалунов А. В.

ВВЕДЕНИЕ 3

1 Понятие поляризации 3

2 Механизмы поляризации 4

3 Виды поляризации 5

3.1 Электронная поляризация 5

3.2 Ионная поляризация 6

3.3 Упруго-дипольная поляризация 7

3.4 Ионно-релаксационная поляризация 8

3.5 Дипольно-релаксационная поляризация 9

3.6 Миграционная (межслоевая) поляризация 11

3.7 Электронно-релаксационная поляризация 11

3.8 Поляризация ядерного смещения 12

3.9 Остаточная (электретная) поляризация 12

3.10 Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация 13

3.11 Пьезоэлектрическая поляризация 14

4 Классификации диэлектриков 15

5 Виды поляризации по скорости протекания процесса 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 20

ВВЕДЕНИЕ

Суть явления поляризации заключается в том, что под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля.

Свое применение в электротехнических приборах диэлектрики нашли за счет способности поляризоваться .

Диэлектриком называют "вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле" и в котором возможно существование электростатического поля, так как электрические заряды его атомов, молекул или ионов связаны

Используемые же на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обуславливают электропроводность на постоянном токе .

Понятие поляризации

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул, возникающая в любом диэлектрике при воздействии электрического поля.

Выделяют два определения поляризации:

Свойство световых и электромагнитных колебаний размещаться в одной определенной плоскости. Плоскость поляризации падающего луча.

Отложение на электродах различных веществ, ослабляющих силу тока. Поляризация электродов.

Электронная поляризация;

Ионная поляризация;

Упруго-дипольная поляризация;

Ионно-релаксационная поляризация;

Дипольно-релаксационная поляризация;

Миграционная (межслоевая) поляризация;

Электронно-релаксационная поляризация;

Поляризация ядерного смещения;

Остаточная (электретная) поляризация;

Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация;

Пьезоэлектрическая поляризация .

Механизмы поляризации

На рисунке 1 представлена эквивалентная схема диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, можно представить в виде ряда подключенных параллельно к источнику напряжения конденсаторов.

В зависимости от характера химической связи различают следующие 3 основные механизмы поляризации диэлектриков: электронную, ионную и дипольную (ориентационную).

Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и превалирует в кристаллах с ковалентной связью. Под действием внешнего электрического поля P происходит смещение электронов атома относительно его ядра (деформация его электронной оболочки) и возникают индуцированные диполи. Диэлектрические свойства индуцированных диполей относятся к числу резонансных явлений.

Электронный механизм поляризации является наименее инерционным, т.к. масса электрона значительно меньше массы частиц, участвующих в процессе поляризации. Время установления электронной поляризации составляет ≈ 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний .

Виды поляризации

3.1 Электронная поляризация

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации. Время восстановления составляет 10 -13 сек.

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерями энергии до резонансных частот. Значение диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией численно равно квадрату показателя преломления света. Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Кривая зависимости от температуры подобна кривой изменения плотности; причем наиболее резкие снижения наблюдаются при переходах вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Переход вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное

а) под напряжением; б) без напряжения;

Рисунок 3 – Поляризация атомов

На рисунке 3 показано графическое изображение поляризации атомов.

Как мы видим орбиты электронов вытягиваются под действием напряжения .

3.2 Ионная поляризация

Ионная поляризация - наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время электронной поляризации весьма мало - на 2 - 3 порядка больше электронной поляризации.

В диэлектриках с ионным типом химической связи под действием электрического поля происходит смещение положительных ионов относительно отрицательных. Время установления ионной поляризации составляет обычно 10 -14 – 10 -15 с. Это означает, что данная поляризация полностью успевает устанавливаться в переменных полях, включая сверхвысокочастотные (10 10 - 10 11 Гц). В то же время в инфракрасной области спектра наблюдается запаздывание в установлении ионной поляризации.

Диэлектрическая проницаемость увеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для керамического материала - электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы .

Рисунок 4 – Ионная поляризация молекулы

На рисунке 4 представлена схема ионной поляризации молекулы.

3.3 Упруго-дипольная поляризация

Во многих диэлектриках имеются молекулы, которые обладают собственным электрическим моментом. При изменении направления ориентации диполей во внешнем электрическом поле возникают упругие возвращающие силы.

В газах и жидкостях полярные молекулы разориентированы за счет теплового движения, так что результирующая поляризация равна нулю. Под действием внешнего поля устанавливается некоторая преимущественная ориентация диполей в направлении поля.

Во внешнем электрическом поле имеет место упругое отклонение дипольных моментов от равновесной ориентации, как это показано на рисунке 5.

Рисунок 5 – Упругий поворот диполя во внешнем поле

Когда диполи связаны достаточно жестко, при наложении внешнего электрического поля происходят упругие изменения в их направлении.

Поляризуемость зависит от электрического момента каждой молекулы, энергии межмолекулярных связей и направления электрического поля. Когда внутреннее и внешнее поля параллельны, поляризуемость равна нулю. Поэтому вклад упругой дипольной поляризации может обуславливать анизотропию диэлектрической проницаемости .

3.4 Ионно-релаксационная поляризация

Наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных веществах с неплотной упаковкой ионов. В этих случаях слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля получают избыточные перебросы в направлении поля, как показано на рисунке 6.

С повышением температуры поляризация значительно увеличивается.

Рисунок 6 – Зависимость потенциальной энергии иона от расстояния при внешнем электрическом поле

В отсутствие внешнего электрического поля все направления перебросов ионов через потенциальный барьер равновероятны. Поэтому распределение ионов равномерно.

Контрольная работа >> Биология

Определяются процессами как электропроводности, так и поляризации . Диэлектрики в электрическом поле Установим метровую деревянную... тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика , т. е. смещение в противоположные стороны разноименных...

Потенциал электростатического поля. Диэлектрики в электростатическом поле

Лекция >> Физика

Поверхности. Диполь в электрическом поле. Поляризация диэлектриков . Напряженность поля в диэлектрике . Электрическое смещение. Работа при... нуля, на поверхности диэлектрика появляются связанные электрические заряды. Поляризация диэлектрика означает, что...

Определение электрической прочности газообразных диэлектриков

Лабораторная работа >> Промышленность, производство

Электроизоляционных материалов. Что называют поляризацией диэлектрика . Какие виды поляризации можно считать мгновенными, а какие...

Расчет электрического поля в диэлектрике

Лекция >> Физика

Раз поле ослабляется за счет поляризации диэлектрика . 3. Условия для E и D на границе двух... , что в целом дипольный момент диэлектрика равен нулю. Поляризация сегнетоэлектрика во внешнем электрическом...