Основные виды поляризации диэлектриков

2.

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 ислабо 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 поляпрактическимгновенная, вполне упругая,без рассеяния энергии, т.е. без выделения теплоты;

·

1.

электронная;

2.

3.

ионная;

4.

·

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, однакоЭПвеществауменьшается с повышением температурыв связи степловым расширением диэлектрикаи 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 смещенииупруго 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 температурыонаусиливаетсяв результатеослабления упругих сил,действующих между ионами, из-заувеличения расстояния между нимипри тепловом расширении. Время установления около 10^-13 с.

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

Ионно-релаксационная поляризацияимеет 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_Мдезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при Т>Т_М) дипольно-релаксационная поляризуемость уменьшается (участок 2-3). Таким образом, при нагревании возрастает, 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 поляризациявозникает 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 поляризациянаблюдается 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 температуры возрастает, так как увеличивается процесс накопления зарядов. Этот вид поляризации вызывает у материала заметное увеличение диэлектрической проницаемости и особенно диэлектрических потерь .

Спонтанная поляризациясуществует 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.

Электропроводность диэлектриков определяется в основном перемещением ионов. На концентрацию ионов оказывают влияние: состав материала, температура, облучение материала частицами высоких энергий. Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Это связано с тем, что ионы примесей электрически взаимодействуют с дипольными моментами полярных молекул, поэтому очистка полярных материалов от примесей затруднена.

Влияние температуры на электропроводность диэлектриков

При повышении температуры энергия системы повышается на величину kT и вероятность выхода иона из потенциальной ямы возрастает (см. рис.2 в конспекте 1). Поэтому электропроводность диэлектриков при повышении температуры растет в соответствии с выражением:

g=g₀exp(E_a/kT) (2.1)

Рис. 25. Зависимость электропроводности от температуры.

где: g- удельная электропроводность диэлектрика, gо -константа, E_a - энергия активации выхода иона из потенциальной ямы, kT- тепловая энергия системы.