Яке явище називається поляризацією діелектрика. Діелектрики та їх властивості, поляризація та пробивна напруженість діелектриків. У сильних полях

Залежно від концентрації вільних зарядів тіла діляться на провідники (n 0 ~10 28 ÷ 10 29 м -3), напівпровідники (n 0 ~10 17 ÷ 10 19 м -3) та діелектрики (n 0 ~10 9 ÷ 10 13 м -3).

Діелектрики, як і будь-яка інша речовина, складаються з нейтральних атомів та молекул. Якщо замінити весь позитивний заряд молекули одним точковим зарядом, поміщеним у центрі його розподілу та аналогічним чином надійти з електронами, то кожну молекулу в цьому випадку можна розглядати як електричний диполь. За цією ознакою всі діелектрики можна поділити на три групи:

Першу групу утворюють речовини з симетричним розподілом як позитивних, і негативних зарядів у молекулі. Для таких молекул центри розподілу позитивних зарядів та електронів збігаються. Вони називаються неполярними. Їхній дипольний момент. Під впливом зовнішнього поля різномінні заряди таких молекул зміщуються вздовж силових ліній у протилежні сторони. При цьому виникає дипольний момент, спрямований по полю (N 2 H 2 O 2 CO 2 CH 4).

Другу групу складають матеріали, молекули яких мають асиметричний розподіл зарядів. Такі молекули називаються полярними. Вони мають власний електричний дипольний момент. У звичайних умовах вектори дипольних моментів окремих молекул через тепловий рух орієнтовані хаотично. Тому сумарний момент тіла дорівнює нулю. Зовнішнє електричне поле прагне зорієнтувати дипольні моменти таких молекул вздовж силових ліній поля. Це спричинить виникнення результуючого, не рівного нулю, електричного моменту всього діелектрика. Приклади: Н 2 Про, NН 3. SO 2 CО.

До третього типу належать діелектрики, що мають кристалічну будову з правильним чергуванням іонів різних знаків. Їх структуру можна як систему двох, всунутих одна в іншу, іонних подрешеток. Під впливом поля відбувається невелике зустрічне зміщення кристалографічних площин: площини, що містять позитивно заряджені іони, зміщуються полем, а площини, утворені негативними іонами, - проти поля. Це призводить до виникнення деякого результуючого дипольного моменту кристала.

Процес орієнтації дипольних моментів або їх поява під впливом зовнішнього електричного поля, що призводить до виникнення електричного моменту кожного елемента об'єму діелектрика, називається поляризацією діелектриків.

Розрізняють три види такої поляризації:

1. Електронна чи деформаційна - У виникненні індукованих дипольних моментів атомів внаслідок деформації електронних оболонок, тобто. зсув електронних орбіталей щодо ядер.

2. Орієнтаційна чи дипольна - Упорядкування в розташуванні існуючих дипольних моментів.

3. Іонна - Виникає в результаті зустрічного зміщення кристалічних грат: що складається з позитивно заряджених іони по полю, а утвореної негативними іонами - проти поля. Кількісно поляризація характеризується поляризованістю (вектором поляризації) – векторною величиною, яка визначається як сумарний дипольний момент одиниці об'єму діелектрика:

, (21)

де р i– дипольний момент однієї молекули; р v - Сумарний дипольний момент всього діелектрика.

З досвіду відомо, що для великого класу діелектриків (за винятком сегнетоелектриків) поляризованість лінійно залежить від напруженості зовнішнього поля:

де - Напруженість електричного поля в точці, для якої визначається ; χ (хі) - діелектрична сприйнятливість речовини;

- завжди позитивна, безрозмірна величина. Більшість діелектриків (твердих і рідких) χ становить лише кілька одиниць (хоча, наприклад, спирту χ ≈ 25, а води χ = 80).

Для встановлення кількісних закономірностей поля в діелектриці внесемо до однорідного зовнішнього електростатичного поля Е 0 (Створюється двома паралельними різноіменно зарядженими площинами)пластинку з однорідного діелектрика, розташувавши її перпендикулярно до силових ліній поля. Під впливом поля діелектрик поляризується, тобто. відбувається зміщення зарядів: позитивні зміщуються полем, негативні – проти поля. Внаслідок цього на межі діелектрика, зверненої до негативної площини, буде надлишок позитивного заряду з поверхневою щільністю +σ, на лівій – негативного заряду з поверхневою щільністю –σ. Ці некомпенсовані заряди, що з'являються в результаті поляризації діелектрика, називаються пов'язаними. Так як їх поверхнева щільність σ менше щільно

Внаслідок поляризації на поверхні діелектрика з'являються пов'язані заряди (рис.).Вектор напруженості поля зв'язаних зарядів спрямований усередині діелектрика протилежно вектору напруженості зовнішнього поля, що спричинив поляризацію (рис.). Тепер, відповідно до принципу суперпозиції, напруженість поля всередині діелектрика.

Будь-яка речовина, незалежно від його агрегатного стану та деталей його атомно-молекулярного пристрою, наприклад, атомний, молекулярний або іонний кристал і т. п., зрештою, складається з позитивно заряджених ядер і негативно заряджених електронів.

Тому механізм поляризації один - це зміщення позитивних зарядів по поляризуючому полю і негативних зарядів проти поляризуючого поля (рис. 3.14). Тут доречно підкреслити, що речовина поляризується не зовнішнім полем (див., наприклад (3.2) вище), а сумарним полем , створеним як зарядами сторонніми (не належать діелектрику), так і самим поляризованою речовиною. Надалі ми спеціально цього не підкреслюватимемо.

Мал. 3.14. Зміщення позитивних зарядів по поляризуючому полю
та негативних зарядів проти поляризуючого поля

При вивченні поляризаційних якостей конкретних речовин розумно і корисно виділяти ті основні особливості єдиного механізму переміщення зарядів під дією поляризуючого поля, які визначають результат: ступінь і характер поляризованості речовини. Це призводить до розгляду цілої низки «приватних» механізмів поляризації, таких як:

і багато інших.

Декілька слів з приводу згаданої вище іонної поляризації, яка має місце в кристалах типу кухонної солі NaCl. Під дією поля позитивно заряджені іони натрію Na + і негативно заряджені іони хлору Cl – зміщуються в різні боки зі своїх рівноважних положень, через що кожен елементарний осередок кристала набуває електричного дипольного моменту. Цей приклад корисний у такому сенсі: хоч би як складно був влаштований діелектрик - у разі іонний кристал - його поляризація обумовлена ​​зміщенням у протилежні боку позитивних і негативних зарядів. Питання в тому, які носії заряду здатні до такого переміщення: вільні електрони в металі, сильно пов'язані з ядрами електрони електронної оболонки нейтральних атомів або молекул в газі або рідини, іони у вузлах кристалічної решітки і так далі. Визначається це тим, як влаштований діелектрик.

Процеси, що відбуваються в діелектриці при його поляризації, можна зрозуміти, виходячи з уявлень про діелектрику як середовище, що складається з попарно пов'язаних різноіменних зарядів. На відміну від провідників у діелектриках немає вільних зарядів, які під дією зовнішнього поля можуть рухатись по всьому об'єму зразка. Заряди, що входять до складу молекул діелектрика, міцно пов'язані між собою і здатні переміщатися тільки в межах своєї молекули (або атома), тобто на відстані близько 50 см.

Практично у всіх випадках, коли діелектрик складається з електрично нейтральних частинок (атомів і молекул), незалежно від його агрегатного стану, можливе зведення всіх «підмеханізмів» поляризації до двох видів. Для цього прийнято ділити всі атоми і молекули і діелектрики, що складаються з них, на два класи:

Мал. 3.15. Поляризація неполярного діелектрика

Мал. 3.16. Орієнтаційний механізм поляризації полярного діелектрика

Тут - вектор дипольного моменту однієї молекули, підсумовування ведеться за всіма молекулами, що знаходяться всередині фізично нескінченно малого обсягу. Наприклад, розглянемо однорідно поляризовану кулю (рис. 3.17).

Мал. 3.17. Поляризованість та електричне поле однорідно поляризованої кулі

При поляризації неполярного діелектрика електронна оболонка атома або молекули деформується - електрони зміщуються проти поляризуючого поля, ядра зміщуються по полю. Виникає деяка відстань між раніше (без поляризуючого поля) збігалися центрами позитивних і негативних зарядів. В результаті атом або молекула набувають деякого наведенийдипольний момент.

Більш менш очевидно, що наведений дипольний момент буде пропорційний величині зовнішнього електричного поля. Зрозуміти це можна, розглядаючи поведінку потенційної енергії П( x) взаємодії двох частинок, де х- Відстань між ними. Нехай рівноважний стан відповідає відстань (частки знаходяться в одній точці і дипольний момент відсутня). При малих відхиленнях від положення рівноваги у розкладанні потенційної енергії до ряду Тейлора можна обмежитися кількома першими членами

Враховуючи, що перша похідна в точці рівноваги дорівнює нулю і друга похідна в цій точці позитивна , отримуємо, що поблизу точки стійкої рівноваги потенційна енергія поводиться як

Відповідно, при відхиленні від цього положення виникає сила

,

подібна до силі пружності при розтягуванні пружини. Якщо заряди в молекулі "з'єднані" такою "пружиною", то при накладенні поля Е нова рівноважна відстань між частинками визначатиметься співвідношенням

У результаті знаходимо величину дипольного моменту, що виник під дією поля

Помножуючи наведений дипольний момент концентрацію поляризованих молекул N/V (N- їхнє повне число в обсязі V), отримуємо поляризованість діелектрика

Якщо записати поляризованість (3.16) у вигляді

де константа (для цієї речовини) за визначенням є діелектрична сприйнятливістьречовини, то для , то в рамках даної моделі діелектричну сприйнятливість можна обчислити за такою формулою

У молекул, званих полярними, центри позитивних і негативних зарядів зрушені одне щодо одного, тому така молекула має дипольний момент. При поміщенні такої молекули в електричне поле її електронна оболонка деформується, відстань між центрами зарядів збільшується і до початкового дипольного моменту додається деякий наведений дипольний момент. Однак, можна показати, що цей додатковий наведений дипольний момент набагато менший за власний. Зрозуміло, це справедливо, якщо поляризуючі поля набагато менше поля, що існує всередині молекули. По порядку величини внутрішньомолекулярне поле дорівнює атомній одиниці напруженості електричного поля: В/м. У написаному вираженні атомної одиниці напруженості електричного поля маса електрона, його заряд, постійна Планка. Враховуючи, що, наприклад, «пробійна» - що призводить до іскрового розряду – напруженість поля для сухого повітря становить всього В/м, тобто на п'ять порядків менше, можна стверджувати, що в переважній більшості експериментів наведеним дипольним моментом, за наявності власного, можна знехтувати. Надалі, при розгляді поляризації дипольних діелектриків, цей ефект (наведення додаткового моменту) не враховуватиметься.

Вектори власних дипольних моментів окремих молекул у звичному стані через теплового руху орієнтовані хаотично. Тому за відсутності зовнішнього електричного поля середній сумарний дипольний момент будь-якого фізично нескінченно малого обсягу діелектрика дорівнює нулю. Іншими словами, діелектрик не поляризований: його поляризованість дорівнює нулю.

Зовнішнє електричне поле прагне орієнтувати дипольні моменти молекул паралельно вектору, а тепловий рух цьому перешкоджає, діелектрик поляризується, при цьому його поляризованість повинна залежати від температури, а саме: зі зростанням температури вона повинна зменшуватися. Нижче ця залежність обчислюється, також буде показано, що і у разі полярних діелектриків їхня поляризованість пропорційна напруженості поляризуючого поля. Така поляризація називається орієнтаційної(Рис. 3.18).

Мал. 3.18. Орієнтаційна поляризація діелектрика

Відповідно до формули (3.8) потенційна енергія диполя у зовнішньому полі Езалежить від орієнтації диполя

Згідно зі статистичним законом Больцмана (рис 3.19), що описує розподіл частинок за енергіями в зовнішньому полі в умовах термодинамічної рівноваги, число молекул, дипольний момент яких орієнтований під кутом до зовнішнього поля, визначається як

Тут З- нормувальна стала, значення якої ми знайдемо пізніше, Т- Абсолютна температура, постійна Больцмана - k B = 1,38 · 10 -23 Дж/К. Внаслідок малості дипольного моменту молекул, для звичайних (не дуже низьких) температур показник експоненти малий, і ми можемо розкласти експоненту до ряду Тейлора, залишаючи перші два члени

Мал. 3.19. Л. Больцман (1844–1906) – австрійський фізик

Підкреслимо, що використання наближеного виразу (3.18) та всіх висновків, що випливають з нього, виправдано при не дуже низьких температурах, коли . Не важко точне обчислення з використанням (3.17) замість наближеного (3.18), яке читач може зробити самостійно.

Інтеграл по повному тілесному куту має дати повне число Nмолекул у системі. Оскільки середнє значення косинуса дорівнює нулю, то інтегрується лише перший доданок (3.18). Так як значення повного тілесного кута дорівнює , отримуємо

Тепер ми знаємо постійну Зі можемо записати вираз (3.18) у вигляді

Необхідно визначити значення проекції сумарного дипольного моменту на напрямок поля (інші проекції свідомо дорівнюють нулю через осьову симетрію завдання). Проекція дипольного моменту однієї молекули дорівнює рcosa, отже повний дипольний момент Рвсіх молекул в одиниці обсягу дорівнює

Інтеграл по дорівнює , а інтеграл по обчислюється за допомогою заміни змінної

Знаходимо тоді

З (3.21) випливає, що у разі дипольної орієнтаційної поляризації речовини поляризованість пропорційна напруженості електричного поля. Більше того, ми знайшли залежність поляризованості від температури. Це закон Кюрі, який підтверджується досвідом (рис. 3.20).

Мал. 3.20. Залежність поляризованості полярного діелектрика від температури (точне рішення)

Підбиваючи підсумки цього розділу, ми коротко повторимо основні висновки. Зовнішнє електричне поле або створює дипольні моменти, орієнтовані по полю, або орієнтує дипольні моменти окремих молекул, і діелектрик набуває певного макроскопічного дипольного моменту. Вектор називається поляризованістю діелектрика. Він пропорційний напруженості зовнішнього електричного поля, і цей зв'язок можна подати у вигляді

то вектор поляризації СІ вимірюється в Кл/м 2 . Його розмірність збігається з розмірністю поверхневої густини зарядів. Це наводить на думку, що вектор поляризованості пов'язаний із щільністю поляризаційних зарядів, що виникають на поверхні та в обсязі діелектрика, поміщеного у зовнішнє поле (рис. 3.21).

Мал. 3.21. Вектор поляризованості та щільність поляризаційних зарядів

Пропорційність між поляризованістю Р та напруженістю Е зовнішнього електростатичного поля пояснюється у разі електронної та іонної поляризації тим, що зі збільшенням Е зростають дипольні моменти окремих атомів p i. При дипольній поляризації пропорційно до збільшення напруженості зовнішнього електростатичного поля збільшується ступінь орієнтації векторів. p i. Вище ми виявили загальні формули для діелектричної сприйнятливості при різних видах поляризації. Слід наголосити, що вони справедливі для газів: ми не враховували впливу молекул один на одного, що допустимо для систем, де частинки не надто щільно упаковані. Але загальний висновок залишається справедливим і для конденсованих середовищ (рідин і твердих тіл): під дією зовнішнього електричного поля одиниця об'єму діелектрика набуває дипольного моменту Р ; у найпростіших випадках має місце лінійна залежність

У повну діелектричну сприйнятливість діелектрика дають внесок усі три розглянуті механізми:

Зазвичай рідко буває, щоб усі частки діелектричної сприйнятливості були однаково великі. Скажімо, в іонних кристалах дипольна частина взагалі відсутня. Експериментально внесок кожної частки можна знайти, вимірюючи діелектричні проникності за різних частот електромагнітної хвилі. При низьких частотах (статичне поле, яким ми зараз займаємося) внесок дають усі три частки діелектричної сприйнятливості (рис. 3.22).

Мал. 3.22. Залежність повної діелектричної сприйнятливості діелектрика
від частоти електромагнітної хвилі Вказані діапазони частот:
I - область радіо- та мікрохвиль, II - інфрачервона область, III - ультрафіолетова область

При підвищенні частоти першим зникне внесок дипольної частини: молекули не встигатимуть повертатися, слідуючи електричному полю хвилі, що швидко змінюється. Перехід до нового режиму здійснюється зазвичай за частот радіодіапазону. При подальшому зростанні частоти зникне внесок іонної частини: іони інерційніші, ніж електрони. У діапазоні оптичних частот домінує частка електронної поляризації. При переході до ще більш високих частот - за ультрафіолетовою областю - навіть електронні хмаринки не встигатимуть слідувати за змінами електричного поля і поляризованість діелектрика зникне.

Наведемо приклад: у кухонної солі NaCl діелектрична проникність у статичному полі дорівнює 5,62, а полі електромагнітної хвилі оптичного діапазону - лише 2,25. Дипольна поляризованість у таких кристалах відсутня, і відмінність слід приписати іонній поляризованості.

додаткова інформація

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/index.html - електромагнітні хвилі, шкала електромагнітних хвиль;

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

http://www.nrao.edu/index.php/learn/radioastronomy/radiowaves - радіохвилі, джерела радіохвиль.

Основними електричними процесами, що виникають у діелектриках під впливом прикладеної напруги, є процеси поляризації, електропровідності та пробою діелектриків.

Поляризація є оборотним зміщенням електрично заряджених частинок, що входять до складу діелектриків. Розрізняють такі основні види поляризації: електронна, іонна, дипольна, спонтанна та інші.

Процес поляризації діелектриків описується рівнянням Клаузіуса - Мосотті

де – діелектрична проникність електроізоляційного матеріалу; - Число частинок (молекул, іонів) в 1 см3 матеріалу; - Поляризованість частинки (молекула, іон); Р – питома поляризація діелектрика.

Рівняння Клаузіуса - Мосотті встановлює зв'язок між практичною характеристикою матеріалу - діелектричною проникністю , фізичною постійною матеріалом і числом частинок , що поляризуються в одиниці обсягу діелектрика .

Електронна поляризація є процес пружного зміщення електронів (електронних орбіт) щодо ядра у всіх атомах діелектрика. Процес електронної поляризації є миттєвим процесом. Він відбувається за час с. Електронна поляризація має місце у всіх діелектриках.

Електронна поляризація залежить від структури частинки. Чим більший радіус молекули або іона, тим більша і величина цього діелектрика.

У пропорційній залежності від кількості частинок в одиниці об'єму діелектрика знаходиться і величина. З нагріванням, коли щільність діелектрика зменшується, спостерігається зменшення нейтрального діелектрика ε (рис. 5-1, крива 1).

У діелектриків із суто електронною поляризацією величина чисельно дорівнює квадрату показника заломлення світла.

Процес іонної поляризації є пружним зміщенням під дією електричного поля іонів щодо центрів їх рівноваги. Поляризація іонного зміщення відбувається за час, який можна порівняти з часом власних коливань іонів, і становить с.

Інтенсивність процесу іонної поляризації в рівнянні Клаузіуса-Мосотті враховується величиною іонної поляризуемості:

де е – заряд іона; b – коефіцієнт пружного зв'язку між іонами.

З підвищенням температури іонного діелектрика величина аі зростає у зв'язку з ослабленням пружних сил в іонному ді-електрику та збільшенням амплітуди коливань іона. Тому інтенсивність процесу іонної поляризації зростає із підвищенням температури. В іонних діелектриках одночасно з поляризацією іонного зміщення розвивається також процес електронної поляризації - явище, яке з нагріванням та розширенням діелектрика знижується, але сумарний ефект поляризації у більшості іонних діелектриків зростає (рис. 5-2) з підвищенням їхньої температури.

Мал. 5.2 Залежність e від температури іонного кристалічного діелектрика.

Електронна та іонна поляризації є видами деформаційної поляризації, що не викликають втрат енергії в діелектриках. Дипольна (дипольно-релаксаційна) поляризація протікає у полярних діелектриках під дією електричного поля. Цей вид поляризації є орієнтацією - поворот полярних молекул у напрямку діючого електричного поля.

Поляризованість полярних молекул ао визначається виразом

де - Початковий електричний момент полярної молекули; k – постійна Больцмана; Т – абсолютна температура.

При підвищенні температури діелектрика інтенсивність дипольної поляризації зростає у зв'язку з послабленням міжмолекулярних сил і зниженням коефіцієнта внутрішнього тертя. Тому з підвищенням температури спочатку полярних діелектриків збільшується (рис. 5-1), З подальшим зростанням температури інтенсивність хаотичного теплового руху полярних молекул починає переважати над орієнтовною дією електричного поля та ефект дипольної поляризації знижується. Це своє чергу викликає зменшення полярних діелектриків.

Для орієнтації полярних молекул у процесі дипольної поляризації потрібні проміжки часів, значно більші порівняно з часом для деформаційних поляризацій. Звичайно, діелектрична проникність полярних діелектриків сильно залежить від частоти електричного поля (рис. 5-3).

Мал. 5.3 Залежність e від частоти електроізоляційних рідин.
1-нейтральна рідина; 2-полярна рідина.

У початковому діапазоні частот полярні молекули встигають зробити свій поворот під час одного напівперіоду. При цьому практично дорівнює при постійній напрузі. З подальшим зростанням частоти час одного напівперіоду скорочується і ряд молекул випадає із процесу дипольної поляризації. При цьому діелектрична проникність діелектрика різко знижується, досягаючи (при дуже великих частотах) значення обумовленого тільки електронною поляризацією молекул діелектрика. Критична частота, з якої починається різке зниження ефекту дипольної поляризації, може бути визначена за формулою

де – радіус полярної молекули; - Абсолютна в'язкість; - Постійна Больцмана; - Абсолютна температура.

Дипольна поляризація яскраво виражена у полярних газів та рідин (касторове масло, совол та ін). У твердих полярних діелектриках дипольна поляризація є не орієнтацією самих полярних молекул, а поворот наявних в молекулах полярних радикалів, наприклад гідроксильних групу молекулах целюлози, бакеліту та інших. Цей вид дипольно-релаксаційної поляризації іноді називається структурної поляризацією. На рис. 5-4 представлена ​​залежність твердого полярного діелектрика - галовакс від температури при різних частотах.

Мал. 5.4 Залежність e галоваксу від температури при різних частотах.

Значення діелектричної проникності полярних діелектриків залежить від розмірів полярних молекул і їх початкового електричного моменту. Чим менший розмір полярної молекули - диполя і більша величина її початкового моменту, тим більше даного діелектрика. У полярних діелектриків одночасно мають місце дипольна та електронна поляризації. Внаслідок цього сумарний ефект поляризації полярних діелектриків, отже, і значення їх діелектричних проникностей набагато вище, ніж в нейтральних діелектриків (табл. 5-1).

Дипольно-релаксаційні поляризації спричиняють втрати енергії в діелектриках, оскільки електричне поле витрачає енергію на поворот полярних молекул (диполів). Ця енергія розсіюється у полярних діелектриках у вигляді тепла, що викликає нагрівання останніх. Втрати потужності в діелектриках, що працюють у змінному полі, оцінюються тангенсом кута діелектричних втрат. На рис. 5-5 показані залежності цієї характеристики від температури для нейтральної та црлярної рідин.

Мал. 5.5 Залежність температури для електроізоляційних рідин.
1-нейтральна рідина;
2-полярна рідина.

У ретельно очищених нейтральних діелектриків діелектричні втрати обумовлені переважно струмами провідності, величини яких зростають із підвищенням температури діелектрика. У зв'язку з цим зростає та . У полярних діелектриків спостерігається максимум при такій величині в'язкості діелектрика, коли в процесі дипольної поляризації бере участь Велика кількістьполярних молекул. Зниження величини з подальшим підвищенням температури обумовлено зростанням інтенсивності безладного теплового руху полярних молекул. Вторинне піднесення викликане збільшенням струму провідності в діелектриці.

На рис. 5-6 представлена ​​частотна залежність для полярної рідини. Максимум тут відповідає частоті , З якої починається зниження величини (рис. 5-3) і . Це тим, що більшість полярних молекул виходить із процесу дипольної поляризації у зв'язку з зменшенням часу одного напівперіоду при подальшому збільшенні частоти електричного поля.

Мал. 5.6 Залежність частоти для полярної електроізоляційної рідини.

Ще один вид релаксаційної поляризації спостерігається в неорганічних шибках, а також в іонних кристалічних діелектриках з нещільною упаковкою іонів (мулліт у фарфорі та ін.). У цих діелектриках слабко пов'язані іони, що у стані хаотичних теплових коливань, перекидаються електричним полем. Цей процес отримав назву іонно-релаксаційної поляризації. Перекидання слабко пов'язаних іонів викликає додаткові втрати енергії.

Мимовільна (спонтанна поляризація) являє собою процес мимовільної орієнтації диполів, що спостерігається всередині окремих областей (доменів) діелектрика без електричного поля. Мимовільна поляризація має місце у матеріалів, званих сегнетоелектриками.

Без електричного поля електричні моменти окремих областей (доменів) діелектрика спрямовані безладно, але вони взаємно врівноважують один одного. Накладення на діелектрик електричного поля викликає орієнтацію диполів у бік поля. У цьому інтенсивність поляризації різко зростає, унаслідок чого спостерігається сильне зростання діелектричної проникності сегнетоэлектрика. Цей процес продовжується до певної напруженості електричного поля, а потім настає насичення (рис. 5-7).

Мал. 5.7 Залежність e сегнетоелектрика від напруженості електричного поля

Подальше підвищення напруженості не збільшує інтенсивності поляризації і зростання припиняється. Діелектрична проникність сегнетоелектричних матеріалів має також яскраво виражений максимум за цілком певної температури (рис. 5-8).

Мал. 5.8 Залежність e сегнетоелектрика (ВaTiО3) від температури.

Ця температура називається сегнетоелектричною температурою Кюрі (). Наявність спонтанної поляризації обумовлює аномально більші значення у сегнетоелектриків (сегнетова сіль, титанат барію та ін.). Процес мимовільної поляризації супроводжується витратою енергії, що розсіюється в діелектриках як тепла.

Основні поняття

Електричною поляризацією називають процес усунення пружно пов'язаних електричних зарядів або орієнтацію диполів у напрямку прикладеного електричного поля. Інакше кажучи, електрична поляризація – це стан речовини, у якому електричний момент деякого обсягу цієї речовини відмінний від нуля.

При описі електричних явищ (у тому числі і поляризації) зазвичай розглядають систему, що складається з електродів, між якими є діелектрик. До зазначених електродів підводиться напруга, тобто. розглядається деяка ділянка конструкції, якою може бути електричний конденсатор, кабель, обмотка електричної машини або трансформатора тощо, а також зразок діелектричного матеріалу, спеціально підготовлений для вимірювання параметрів лабораторії. У будь-якій речовині, незалежно від наявності чи відсутності у ньому вільних електричних зарядів (носіїв заряду), завжди є пов'язані заряди: електрони оболонок атомів, іони.

Під дією зовнішнього електричного поля пов'язані заряди в діелектриці зміщуються зі своїх рівноважних станів: позитивні заряди – у напрямку вектора напруженості поля Е, негативні заряди – у зворотному напрямку (рис. 4.8). В результаті цього кожен елементарний об'єм діелектрика (dV) набуває індукованого електричного моменту (dP). Освіта індукованого електричного моменту (Р) у діелектриці і є явищем поляризації.

Мірою поляризації діелектрика є вектор поляризації (поляризованість, інтенсивність поляризації), який дорівнює відношенню індукованого електричного моменту обсягу діелектрика до цього обсягу, коли останній прагнути до нуля:

Для однорідного діелектрика з неполярними молекулами, що знаходяться в однорідному електричному полі, вектор поляризації дорівнює:

де – індукований момент однієї молекули (атома); N 0 - Число молекул (атомів) в одиниці об'єму.

Значення індукованого електричного моменту () залежить від напруженості зовнішнього електричного поля:

де Ф/м – діелектрична стала; - Поляризованість частинки (характеризує здатність частинки до поляризації), м 3 .

Використовуючи вирази (4.20) та (4.21) отримаємо:

, (4.22)

де – безрозмірний параметр – діелектрична сприйнятливість речовини, або поляризується одиниці об'єму діелектрика.

Для однорідного діелектрика з полярними молекулами, вміщеного в однорідне електричне поле:

де - Середнє значення складової вздовж поля вектора постійного дипольного моменту молекули; обчислюється з використанням розподілу Больцмана для частинок у силовому полі:

, (4.24)

де - класична функція Ланжевена.

При а<< 1 имеем . Но в этом случае вычисляется по формуле Дебая-Ланжевена:

де К - постійна Больцмана (Дж/К при K); N 0 - Число молекул в одиниці об'єму; µ =3∙10 29 Кл∙м – електричний (дипольний) момент молекули Дебая.

Власний електричний момент молекули дорівнює:

де q – сумарний позитивний (чи чисельно рівний йому сумарний негативний) електричний заряд молекули; l – відстань між центрами тяжкості сумарних позитивних (+q) та негативних (-q) зарядів (плечо диполя) (рис. 4.9).

Однією з найважливіших характеристик діелектрика, що має особливе значення для техніки, є його відносна діелектрична проникність (ε). Значення ε представляє відношення заряду (Q), отриманого при певній напрузі на конденсаторі з даним діелектриком, до заряду (Q 0), який можна отримати в конденсаторі тих же геометричних розмірів і при тій же напрузі, якщо між електродами знаходився вакуум:

. (4.27)

З виразу (4.27) випливає, що значення ε не може бути менше 1 .

Значення відносної діелектричної проникності будь-якого діелектрика залежить від вибору системи одиниць. Надалі оцінки властивостей діелектриків використовується саме відносну діелектричну проникність, причому слово «відносна» для стислості опускається.

Величина заряду (Q) може бути знайдена з виразу:

де З – ємність конденсатора; U – прикладена до нього напруга.

Вираз (4.28) може бути поданий у вигляді:

де 0 – ємність вакуумного конденсатора (геометрична ємність).

Аналізуючи вираз (4.29), можна дати таке визначення відносної діелектричної проникності. Величина відносної діелектричної

проникності (ε) показує, у скільки разів ємність конденсатора з діелектриком більша за ємність конденсатора такої ж геометричної конфігурації, у якого між обкладками знаходиться вакуум .

Отже, величина діелектрика ε визначає величину ємності (С) електро- і радіотехнічних конструкцій:

де - геометричний фактор.

Між діелектричною проникністю (ε), поляризацією (α) і діелектричною сприйнятливістю () існує наступна залежність:

але так як

Поведінка діелектрика в електричному полі може також характеризуватись абсолютною діелектричною проникністю:

де - Абсолютна діелектрична проникність, Ф/м; Д – електричне усунення (електрична індукція). Для вакууму Д = Е; для діелектрика.

В даний час загальноприйнятий поділ більшої частини діелектриків на два класи:

1) неполярні діелектрики;

2) полярні діелектрики.

У неполярних молекул l = 0 у виразі (4.26) отже, і µ = 0, тобто. неполярні молекули не мають власного електричного моменту. У той самий час у полярних молекул. Про наявність у молекул власного електричного моменту можна судити з хімічної будови цих молекул.

Постійний електричний момент полярної молекули, як і будь-який електричний момент є векторною величиною. Прийматимемо за напрямок вектора напрямок від негативного заряду до позитивного (див. рис. 4.9).

Незалежно від результатів, які можуть бути отримані щодо електричних властивостей речовини, про наявність у молекул цієї речовини власного електричного моменту можна судити з хімічної будови його молекул. І навпаки, експериментальне визначення дипольного моменту (µ) дає можливість робити дуже важливі висновки про структуру молекул речовини. Очевидно, що молекули, які побудовані симетрично (за наявності центру симетрії), є неполярними, тому що в цьому випадку центри тяжкості як позитивних, так і негативних зарядів молекули збігаються з центром симетрії молекули, а отже, і один з одним (при цьому можемо навіть не цікавитися знаком заряду окремих атомів та іонів, з яких побудовано молекулу). Навпаки, несиметричні молекули є твердими диполями.

Так, одноатомні молекули (Не, Ne, Ar, Кг, Хе) і молекули, що складаються з двох однакових атомів, з'єднаних один з одним гомеополярним зв'язком (H 2 , N 2 , Cl 2 і т.п.) неполярні. А молекули такого типового іонного (з гетерополярним зв'язком) з'єднання, як йодистий калій KI (рис. 4.10, а), полярні і мають дуже великий по

стійкий електричний момент Клм. Направлено цей момент від негативно зарядженого іона () до позитивно зарядженого іона ().

Чим більше відрізняються один від одного електронегативності атомів, що утворюють двоатомну молекулу, тобто чим сильніше зміщена у бік одного з атомів їх загальна електронна пара, тим більший електричний момент такої молекули. Наприклад, у міру зменшення електронегативності галогенів у ряді від фтору до йоду зменшується дипольний момент молекул галогеноводородів:

Дуже важливо зауважити, що при судженні про полярність молекули за її будовою необхідно враховувати не лише умовне написання хімічної формули речовини, а й фактичне розташування зарядів у просторі. Так, формули вугільного ангідриду і води в записах СО 2 і Н 2 Про схожі, але насправді молекула вугільного ангідриду має симетричну будову з центром симетрії (рис. 4.10, 6) і тому вугільний ангідрид неполярний. А молекула води має вигляд рівнобедреного трикутника (рис. 4.10, в) і тому вода має різко виражені полярні властивості (для молекули води µ = 6,1·1030 Кл·м).

Всі вуглеводні є речовини неполярні або слабополярні (µ = 0 або дуже мало). Однак при заміні окремих атомів водню атомами галогенів F, Cl, Вr або I або групами -ОН, -N0 2 та ін. (Тобто діелектрофор Вальдена) утворюються несиметричні молекули, що володіють µ > 0.

Розглянемо найпростіший вуглеводень – метан СН 4 та продукти заміщення у ньому водню хлором: хлористий метил (СН 3 С1), двохлористий метилен (CH 2 Cl 2), хлороформ (СНС1 3) та чотирихлористий вуглець (тетраформ) (СС1 4). Молекула метану у просторі має вигляд тетраедра, у центрі якого розташований атом С, а по вершинах атоми Н (див. рис. 4.10, г). Очевидно, що для метану µ = 0.

Молекули СНС13, СН2С12 і СНС13 асиметричні і для них відповідно; 5,17 · 10 -30 і 3,8 · 10 -30 Кл · м. Але молекула ССl 4 знову симетрична і має µ=0.

Бензол С6Н6 - речовина неполярна; при заміщенні одного атома водню в бензолі іншим елементом або групою одержуємо полярні речовини:

1) монохлорбензол (µ = 5,17 · 10 -30 Кл · м);

2) монойодбензол (µ = 4,3 · 10 -30 Кл · м);

3) фенол (µ = 5,2 · 10 -30 Кл · м);

4) анілін (µ = 5,1 · 10 -30 Кл · м);

5) нітробензол (µ = 13,2 · 10 -30 Кл · м) і т.д.

Ацетон внаслідок наявності у молекулі групи СО полярний; для нього, µ = 9,7 · 10 -30 Кл · м.

До неорганічних речовин з високим значенням відносяться:

· йодид алюмінію АlI 3 (µ = 16,5 · 10 -30 Кл · м);

· Хлорид олова SnCl 4 (µ = 17,0 · 10 -30 Кл · м).

З-поміж застосовуваних в електроізоляційній техніці органічних матеріалів практично неполярними є такі речовини вуглеводневого складу, як поліетилен – полімер, що має таку будову (спрощено):

,

а також парафін, церезин, поліізобутилен, поліпропілен, полістирол, невулканізований каучук, ескапон, нафтові електроізоляційні олії та ін.

Сильно полярними є: полівінілхлорид, який має таку будову:

,

полівініловий спирт та його похідні, целюлоза та її похідні, фенолформальдегідні смоли тощо.

Політетрафторетилен (фторлон-4), що має таку будову:

,

можна розглядати як полімерний вуглеводень (поліетилен), в якому атоми водню повністю заміщені атомами фтору, завдяки симетричній структурі кожної ланки молекулярного ланцюжка неполярний; Проте політрифторхлоретилен (фторлон-3) має несиметричну будову і тому полярний.

Основні види поляризації

Залежно від агрегатного стану та структури діелектриків розрізняють такі основні види поляризації: електронну, іонну, іонно-релаксаційну, дипольно-релаксаційну, міграційну, мимовільну.

Сумарний електричний заряд, що індукується під дією прикладеного електричного поля, обумовлюється сумою. різних видівполяризації. Механізми поляризації можуть спостерігатися у різних діелектриках, проте кілька механізмів поляризації можуть спостерігатися одночасно в одного діелектрика. Гіпотетичний діелектрик, що має всі механізми поляризації, може бути

представлений еквівалентною схемою, в якій кожному механізму поляризації відповідає включена паралельно джерелу напруги (U) ємність (С) (рис. 4.11).

Місткість С 0 і заряд Q 0 відповідають геометричній ємності та заряду тобто, якщо між електродами знаходиться вакуум. Місткість С е і заряд Q е (рис. 4.11) характеризують електронну поляризацію . Електронна поляризація є зміщення центру заряду електронної хмари щодо позитивно зарядженого ядра атома під дією зовнішнього електричного поля (рис. 4.12). Зміщення протидіє кулонівське тяжіння електронів до ядра. Час встановлення електронної поляризації дуже мало (близько 10-15 с), тому вона практично не залежить від частоти електромагнітного поля(Рис 4 13), але пов'язана зі втратою енергії і не залежить від температури. Однак величина ε діелектриків, які мають тільки електронну поляризацію, зменшується зі зростанням температури у зв'язку з тепловим розширенням діелектрика та зменшенням кількості поляризованих частинок в одиниці об'єму (рис. 4.14).

Електронна поляризація спостерігається у всіх видів діелектриків. При збільшенні розмірів атомів електронна поляризованість збільшується, оскільки слабшає зв'язок зовнішніх електронних оболонок з ядром атома і збільшується зміщення оболонки (l), а й зростає заряд (q).

Для зручної та наочної оцінки електронної поляризованості атома або іона (α) введено поняття геометричної поляризації , що дорівнює відношенню α до постійної діелектричної (ε 0), що вимірюється в одиницях об'єму. Геометрична поляризуемість (α/ε 0) має порядок обсягу атома, тобто. 10 -30 ... 10 -29 м3. Наприклад, значення α/ε 0 атомів галогенів (у порядку зростання їхньої атомної маси) рівні:

· Для F - 0,4 · 10 -30;

· Для Сl - 2,4 · 10 -30;

· Для Br - 23,6 · 10 -30;

· Для J - 5.8 · 10 -30 м3.

Для речовин іонної будови істотною є поляризація не атомів, а іонів. Різні іони мають значення, що помітно розрізняються, відношення електронної геометричної поляризуемості () до куба радіуса іона ().

Наприклад, відношення для наступних іонів дорівнює:

		4) для Zr++++
5) для Са++		6) для Рb++
7) для Ti++++

Наявність іонів із великим значенням сприяє поляризації. Деякі речовини, що містять такі іони, мають дуже високе значення, наприклад, у рутила (TiO 2) ε = 110.

Місткість С та і заряд Q u (рис. 4.15) характеризують іонну поляризацію. Іонна поляризація виникає внаслідок пружного зміщення зв'язаних іонів з положення рівноваги на відстані, що не перевищують постійну кристалічну ґрати. З підвищенням температури поляризованість зростає, за рахунок теплового поля слабшають сили міжіонної взаємодії, теплове розширення видаляє іони один від одного (рис. 4.14). Час встановлення іонної поляризації близько 10-13 с. Вона так само, як і електронна, не пов'язана із втратами енергії та не залежить від частоти, аж до частот інфрачервоного діапазону (рис. 4.13). Іонна поляризація характерна для кристалічних діелектриків іонної будови із щільною упаковкою іонів (NaCl та ін.).

Місткість С та заряд Q ін (див. рис. 4.11) характеризують дипольно-релаксаційну поляризацію. Дипольно-релаксаційна поляризація полягає у повороті (орієнтації) дипольних молекул у напрямку зовнішнього електричного поля. Дипольні молекули, що у хаотичному тепловому русі, орієнтуються у бік зовнішнього електричного поля, створюючи ефект поляризації діелектрика (рис.4.16).

Дипольно-релаксаційна поляризація можлива, якщо молекулярні сили не заважають диполям орієнтуватися вздовж поля. Зі збільшенням температури молекулярні сили послаблюються, що має посилювати дипольно-релаксаційну поляризацію; однак у той же час зростає енергія теплового руху молекул, що зменшує вплив поля, що орієнтує. У зв'язку з цим дипольно-релаксаційна поляризація зі збільшенням температури спочатку зростає, поки ослаблення сил міжмолекулярної взаємодії переважає зростання хаотичного теплового руху молекул. Потім, коли інтенсивність теплового руху молекул переважатиме (теплова енергія «розкидає» диполі), дипольно-релаксаційна поляризація буде зменшується (рис. 4.14). При знятті прикладеного електричного поля дипольно-релаксаційна поляризація порушується хаотичним тепловим рухом молекул, а поляризованість (Р) спадає за експоненційним законом:

де Р 0 - Поляризованість в момент зняття напруги; - Постійна часу цього процесу, що називається часом релаксації дипольної поляризації.

Релаксація – це проміжок часу, протягом якого поляризованість діелектрика після зняття поля зменшується внаслідок теплового руху молекул у рази від початкової. Між часом релаксації (), енергією активації (W) та частотою власних коливань релаксуючої частинки (f) існує така залежність:

(4.34)

Зазвичай має порядок 10 -6 …10 -10 з, отже, дипольна поляризація проявляється лише з частотах нижче 10 6 …10 10 Гц. Дипольно-релаксаційна поляризація пов'язана зі втратою енергії, оскільки поворот диполів у напрям поля вимагає подолання деякого опору. Це відображено (див. рис. 4.11) у вигляді послідовно включеного з ємністю ін активного опору R д p . У разі збільшення частоти значення ε ін знижується, оскільки проявляється інерційність процесу орієнтації, тобто. дипольні молекули за іонізаційний напівперіод зміни напруги не встигають повністю переорієнтуватися у напрямку поля.

Дипольно-релаксаційна поляризація проявляється у полярних газах, рідинах. Поляризація цього виду може спостерігатися також у твердих діелектриках. Однак у деяких твердих, здебільшого органічних, діелектриках дипольно-релаксаційна поляризація зазвичай зумовлена ​​не орієнтацією самої молекули, а орієнтацією наявних у ній полярних радикалів стосовно молекули. Таку поляризацію називають дипольно-радикальною. Прикладом речовин із поляризацією цього виду є целюлоза, полярність якої пояснюється наявністю гідроксильних груп (ОН) та кисню. У кристалах з молекулярними гратами та слабкими Ван-Дер-Вальсовськими зв'язками можлива орієнтація і більших частинок.

Місткість Сір і заряд Q up (див. рис 4.11) характеризують іонно-релаксаційну поляризацію. Іонно-релаксаційна поляризація обумовлена ​​усуненням слабозв'язаних іонів під дією зовнішнього електричного поля на відстані, що перевищують амплітуду ангармонічних теплових коливань. Поляризація помітно посилюється із підвищенням температури (див. рис. 4.14) за рахунок ослаблення сил взаємодії. У разі збільшення частоти значення ε ір знижується за рахунок інерційності процесу переорієнтації (див. рис. 4.13). Поляризація цього виду пов'язана з втратами енергії, що відображено (див. рис. 4.11) у вигляді послідовно включеного з ємністю Сір активного опору R up .

Іонно-релаксаційна поляризація спостерігається в іонних діелектриках аморфної будови (скла, кераміки тощо), а також у неорганічних кристалічних діелектриках з нещільною упаковкою іонів (пухкої будови).

Місткість С ер, і заряд Q е p (див. рис. 4.11) характеризують електронно-релаксаційну поляризацію. Електронно-релаксаційна поляризація виникає у зв'язку з орієнтацією збуджених тепловою енергією надлишкових «дефектних» електронів чи «дірок». Електронно-релаксаційна поляризація характерна головним чином для діелектриків з високим показником заломлення, великим внутрішнім електричним полем та наявністю електронної складової провідності. Характерним представником цієї групи матеріалів є: двоокис титану «забруднення» з домішкою Nb+5; Ca +2; +2; двоокис титану з аніонними вакансіями та домішкою іонів Ti+3. а також ряд сполук на основі оксидів металів із змінною валентністю – титану, ніобію, вісмуту.

Ці діелектрики можуть мати виключно високе значення діелектричної проникності (CaTiO 2 – титаніт кальцію має ε = 150; і т.д.). Крім того, у цих діелектриків спостерігається максимум в температурній залежності. Цей вид поляризації пов'язаний із втратами енергії, що відображено на рис. 4.11 у вигляді послідовно включеного з ємністю ер активного опору R е p .

Місткість С m і заряд Q m (рис. 4.11) характеризують міграційну поляризацію. Міграційна (структурна ) поляризація обумовлена ​​наявністю в технічних діелектриках провідних та напівпровідних включень, шарів з різною провідністю тощо, а також у композиційних діелектриках. При внесенні неоднорідних матеріалів в електричне поле вільні електрони та іони провідних та напівпровідних включень починають переміщатися в межах кожного включення, утворюючи поляризовані області на межі розділу середовищ (рис. 4.17). Процеси встановлення та зняття міграційної поляризації порівняно повільні і можуть тривати секунди, хвилини і навіть годинник. Поляризація цього виду зазвичай можлива лише з низьких частотах.

Поляризація цього виду пов'язана з втратами енергії, що відображено (див. рис 4.11) у вигляді послідовно включеного з ємністю m активного опору R m .

Місткість С рез і заряд Q pe з (див. рис. 4.11) характеризують резонансну поляризацію. Резонансна поляризація проявляється у діелектриках при оптичних частотах. Вона залежить від фізико-хімічних особливостей діелектриків, може відноситися до власної частоти електронів або іонів (за дуже високих частот) або до характеристичної частоти дефектних електронів (за більш низьких частот). Резонансні зміни показано на рис. 4.18.

Резонансна електронна поляризація пов'язана з аномальною дисперсією світла та ще недостатньо вивчена. При аномальній дисперсії показник заломлення речовини для певної частоти зростає через те, що за рахунок резонансу з власними коливаннями частинок зменшується фазова швидкістьпоширення коливань, і матеріал для цієї хвилі стає «в'язким»:

де – показник заломлення певної частоти; – фазова швидкість поширення коливань цієї частоти у діелектриці; с = 3·10 8 м/с – швидкість хвиль всіх частот у вакуумі.

При резонансі зростає поглинання енергії хвилі. Зі збільшенням

частоти значення ε різко падає через «вимикання» даного механізму поляризації.

Всі ємності еквівалентної схеми (див. рис.4.11) шунтовані R і є опір діелектрика струму наскрізної провідності. Місткість З n і заряд Q cn і активний опір R cn (див. рис.4.11) характеризують спонтанну поляризацію. Спонтанна (мимовільна ) поляризація - Поляризація, що виникає під впливом внутрішніх процесіву діелектриках без зовнішніх впливів. Поляризація цього типу нелінійно залежить від напруженості електричного поля (рис. 4.19) і при циклічній зміні має вигляд характерної замкнутої кривої — петлі гістерезису (рис. 4.20).

Діелектрики, які мають спонтанну поляризацію, отримали назву сегнетоелектриків (Сегнетова сіль NaKC 4 H 4 O 6 ·4H 2 O; титанат барію BaTiO 3 , нітрит натрію NaNO 2 і т.д.). Особливістю будови сегнетоелектриків є наявність у них доменної структури (подібно до структури феро- і ферримагнетиків). Отже, накладання зовнішнього електричного поля сприяє переважній орієнтації електричних моментів у напрямі поля, що дає ефект дуже сильної поляризації.

Одним із основних параметрів сегнетоелектриків є сегнетоелектрична точка Кюрі (На відміну від магнітної). Це температура, коли він виникає (при охолодженні) чи зникає (при нагріванні) спонтанна поляризація. Після досягнення точки Кюрі, під час підйому температури або зниження, відбувається фазовий перехідречовини із сегнетоелектричного стану в пароелектричний (рис.4.21). Спонтанна поляризація супроводжується значним розсіюванням енергії.

Як і інші електричні параметри діелектриків, діелектрична проникність (ε) залежить від змінних зовнішніх факторів: частоти доданого до діелектрика електричного поля, температури, тиску, вологості і т.п.

Залежність від частоти ε

Як зазначалося, час встановлення електронної чи іонної поляризації дуже мало проти часом зміни знака напруги (тобто. з напівперіодом зміни напруги) навіть найбільш високих практично застосовуваних в електротехніці і радіотехніці частот. Тому поляризація діелектриків, для яких характерний лише деформаційний механізм поляризації, встигає повністю встановитися за час, надзвичайно малий у порівнянні з напівперіодом напруги, і немає підстав для того, щоб з'явилася практично суттєва залежність від частоти ε від таких діелектриків.

Діелектрична проникність неполярних діелектриків не залежить від частоти у надзвичайно широких межах (рис. 4.22). Інша справа у разі дипольної поляризації. При підвищенні частоти змінної напруги значення полярного діелектрика ε спочатку також залишається незмінним, але, починаючи з деякої критичної частоти (f 0), коли поляризація вже не встигає повністю встановитися за один напівперіод, ε знижується, наближаючись при дуже високих частотах до значень, характерних для неполярних діелектриків Значення f 0 може приблизно отримано з виразу:

де – динамічна в'язкість рідини; r – радіус молекули.

Так, для води, для якої було знайдено значення f 0 має бути приблизно 10 11 Гц, тобто. 100 ГГц. При підвищенні температури, крім збільшення Т у чисельнику формули (4.36), зменшується і в знаменнику, тому f 0 має зростати. Це ілюструє рис. 4.24.

У різко неоднорідних діелектриках, зокрема діелектриках із включенням води, спостерігається явище міграційної поляризації. Міграційна поляризація (інші, нестандартні її назви: високовольтна, міжшарова, об'ємна) є накопиченням електричних зарядів на межах розділу різних діелектриків (у разі зволоженого діелектрика – на поверхні включень води). Процеси встановлення міграційної поляризації порівняно дуже повільні і можуть протікати протягом хвилин і годин. Тому збільшення ємності ізоляції внаслідок зволоження останньої тим більше, що нижча частота прикладеного до ізоляції змінної напруги.

Сказане дає підставу для оцінки ступеня зволоження деяких видів ізоляції, зокрема волокнистої, за способом «ємність – частота»: ємність ізоляції вимірюється при одній і тій же температурі, але при різних частотах – дуже низькій (2Гц) та звичайній промисловій (50 Гц) . Відношення цих двох значень ємності (рис. 4.25) є критерієм зволоженості ізоляції: у цілком сухої ізоляції це відношення близьке до одиниці, а чим більше відношення, тим більша вологість ізоляції. Спосіб «ємність – частота» не завжди може вважатися надійним способом оцінки зволоженості ізоляції, але сам факт наявності різних частотних залежностей діелектрика ε при різних вологості представляє значний інтерес.

Як правило, ми не розглядаємо тут явища резонансної поляризації, що викликає появу максимумів у залежностях при дуже високих значеннях частоти (f), при підвищенні f може спостерігатися або практична незалежність від частоти або зниження її, але не підвищення.

За одночасної наявності в діелектриці кількох фізичних механізмів повільної (релакційної) поляризації (дипольних – за рахунок орієнтації) різних групмолекул або орієнтації молекул різних компонентів змішаного діелектрика, міграційних і т.п.) з різними часами релаксації (набір часів релаксації) картина залежності може бути ускладненою. Так, у цьому випадку при підвищенні f у графіку може спостерігатися не одне, а кілька знижень.

Залежність з аналогії з дисперсією світла, тобто. наявністю залежності показника заломлення від частоти коливань, називається дисперсією діелектричної проникності . Різниця значень діелектричної проникності, визначених (при підвищенні f) на початок спаду, викликаного тим чи іншим механізмом релаксаційної поляризації, і після цього спаду називається глибиною релаксації для цього механізму поляризації. Очевидно, що найбільше значення ε діелектрика є ε , виміряне на постійній напрузі (або за інфранізкою частотою); це – так звана статична діелектрична проникність (ε с), а найменше – ε, виміряне на надзвичайно високій частоті, що наближається до частоти світлових коливань; це – оптична діелектрична проникність (). Різниця цих значень називається інкрементом діелектричної проникності.

ДІЕЛЕКТРИЧНІ МАТЕРІАЛИ.

Класифікація та загальні властивостідіелектриків. Температурні залежності.

ДІЕЛЕКТРИЧНІ МАТЕРІАЛИ.

Речовини, здатні поляризуватися в електричному полі. У них існує внутрішнє електричне поле та рівномірний розподілпотенціалів.

Носії заряду в діелектриках:

1. У газах

1) Позитивні та негативні іони. Причина: іонізація молекул газу.

2) Електрони у сильних полях.

2. У рідинах

1) Іони. Причина: дисоціація молекул рідини.

2) Колоїдні заряджені частинки в емульсіях та суспензіях.

3. У твердих

2) Дефекти кристалічних ґрат.

3) Електрони чи дірки провідності.

Бувають полярні та неполярні.

Малюнок 50.

Основні електричні властивості діелектриків:

1. Поляризація

2. Електропровідність

3. Діелектричні втрати

4. Електрична міцність

При розрахунках постійному струмі враховують лише наскрізний струм.

Поляризація діелектриків. Види поляризації.

Поляризація – процес зміщення та впорядкування зарядів у діелектриці під дією зовнішнього електричного поля. Чисельним заходом поляризації є поляризованість діелектрика - кількість електричного моменту в одиниці об'єму діелектрика:

	(1.2)
	(1.2)

де dp- Електричний момент елемента діелектрика;

dV – об'єм елемента діелектрика

Напруженість зовнішнього електричного поля, В/м,

- діелектрична постійна,

Відносна діелектрична проникність.

Поляризація визначає властивість діелектриків утворювати електричну ємність. У той же час поляризація діелектриків, що відбувається з витратами енергії та виділенням теплоти, спричиняє втрати електричної енергіїу матеріалах-ізоляторах, особливо на високих частотах, коли процеси поляризації діелектрика повторюються більше циклів в одиницю часу. Тому поляризацію описують параметрами діелектрика та .

Розрізняють кілька видів поляризації.

2.2.1. Пружна поляризація – відбувається у діелектриці без виділення енергії та розсіювання тепла. Розрізняють електронну та іонну пружні поляризації

Електронна поляризація – пружне зміщення та деформація електронних оболонок атомів, що призводить до поділу геометричних центрів позитивного та негативного зарядів в атомі. Для встановлення потрібно мінімальний час – 10 -15 з, тобто. утворюється практично миттєво. Поляризованість при електронній поляризації не залежить від температури, а діелектрична проникність плавно зменшується з підвищенням температури у зв'язку з тепловим розширенням діелектрика та зменшенням кількості атомів в одиниці об'єму (рис. 2.2). Електронна поляризація спостерігається у всіх діелектриків незалежно від їх хімічного складута внутрішньої структури.

Іонна поляризація – пружне зміщення іонів – вузлів кристалічних ґрат, характерна для матеріалів з іонною будовою. З підвищенням температури посилюється завдяки ослабленню міжіонних сил. Час встановлення поляризації 10 -13 с – більше, ніж в електронної поляризації, оскільки іони більш масивні.

Так як процеси електронної та іонної поляризації відбуваються практично миттєво, величина деелектричної проникності матеріалів з пружною поляризацією стала і від частоти не залежить.

2.2.2. Релаксаційна (непружна) поляризація – повільні види поляризації. Для їх здійснення потрібно витратити певну енергію, яка потім виділяється у вигляді тепла при поверненні діелектрика у вихідний стан. Розрізняють дипольно-релаксаційну, іонно-релаксаційну, електронно-релаксаційну, резонансну та міграційну види поляризації.

Дипольно-релаксаційна поляризація характерна для речовин з дипольною будовою та викликається переорієнтацією молекул-диполів у доданому до діелектрика зовнішньому електричному полі. Залежно від маси, щільності упаковки та розмірів диполів час встановлення поляризації становить 10 -10 ..10 -2 с. Після зняття поля, що викликало поляризацію, вони повертаються у вихідний хаотичний стан під дією теплового руху частинок, при цьому поляризованість матеріалу зменшується за законом

(1.2)

де - поляризованість діелектрика в момент зняття зовнішнього поля, Кл/м 2

Час релаксації (час, протягом якого кількість упорядкованих диполів зменшується раз), з.

Залежність дипольної поляризації від температури зображено на рис. 2.3. Спад графіка в області низьких температур обумовлений щільною упаковкою іонів і труднощами їхньої переорієнтації, а в області високих температур – малою кількістю диполів, що припадає на одиницю об'єму діелектрика.

Мал. 2.3. Залежність дипольно-релаксаційної поляризації від температури

Дипольно-релаксаційна поляризація спостерігається у всіх полярних речовин. У твердих діелектриків поляризація викликається не поворотом самої молекули, а зміщенням полярних радикалів, що є в ній, наприклад, Na + і Cl - в молекулі кухонної солі.

Зі збільшенням частоти дипольна поляризація та діелектрична проникність зменшуються, тому полярні діелектрики є частотно-залежними та не застосовуються на високих частотах.

Іонно-релаксаційна поляризація спостерігається в матеріалах з нещільною упаковкою іонів та викликана фізичним переміщенням іонів у вакансії кристалічних ґрат під дією зовнішнього електричного поля. Після зняття поля поляризація поступово слабшає. Спостерігається лише твердих речовин (рис. 3.х), оскільки у розплавленому стані іони стають вільними і матеріал стає провідником з електролітичної провідністю.

Мал. 3.х. Залежність іонно-релаксаційної поляризації

від температури

Електронно-релаксаційна поляризація викликана переміщенням від одного іона до іншого (у напрямку поля) надлишкових (дефектних) електронів та дірок. Характерна для речовин з електронною електропровідністю, має центральний максимум залежно та зменшується зі зростанням частоти.

Резонансна поляризація. Спостерігається в діелектриках на світлових частотах та обумовлена ​​резонансом власних коливань (обертання) електронів чи іонів та частоти зовнішнього електромагнітного поля (світла). Насправді не застосовується і мало впливає властивості діелектрика у сфері частот, використовуваної електронікою і мікроелектронікою.

Міграційна поляризація – проявляється у твердих тілахнеоднорідної структури при макроскопічних неоднорідностях та наявності домішок. Причинами поляризації є наявність провідних та напівпровідних включень у реальних технічних діелектриках (папір, тканина). При міграційній поляризації електрони та іони переміщуються в межах провідних включень, утворюючи великі поляризовані області. Ця поляризація пов'язана з великими втратами енергії та спостерігається вже на низьких частотах, час релаксації таких діелектриків – хвилини та секунди.

У реальних діелектриках проявляється кілька видів поляризації одночасно, тому частотні та температурні залежності поляризованості, діелектричної проникності та тангенсу кута діелектричних втрат ускладнюються. По виду поляризації розрізняють чотири групи діелектриків:

1. Діелектрики переважно з електронною поляризацією. Це неполярні та слабополярні речовини в кристалічному та аморфному станах (парафін, полістирол, поліетилен). Використовують як високочастотні діелектрики - ізолятори.

2. Діелектрики з електронною та дипольно-релаксаційною поляризацією. Це полярні органічні, напіврідкі та тверді матеріали (смоли, целюлоза). Використовують як низькочастотні діелектрики - ізолятори і в низькочастотних конденсаторах.

3. Тверді неорганічні діелектрики з електронною, іонною та релаксаційною поляризацією (слюда, кварц, скло, кераміка, ситали). Використовуються як діелектрики у високочастотних конденсаторах і як ізолятори.

4. Сегнетодиелектрики, що мають усі види поляризації. Використовуються як активні (керовані) діелектрики.

Завдяки поляризації змінюється електричне поле усередині діелектрика. Діелектрична проникність характеризує ослаблення зовнішнього поля внутрішнім:

	(1.2)

де - зовнішнє електричне поле, В/м,

Внутрішнє електричне поле, В/м,

Електричне зміщення, Кл/м 2 ,

Поверхнева щільність зв'язаних зарядів на пластинах конденсатора за наявності діелектрика, Кл/м 2 ,

Додаткова поверхнева щільність заряду, що виникає завдяки поляризації діелектрика, Кл/м 2

Поверхнева густина заряду на пластинах повітряного конденсатора, Кл/м 2

Для отримання необхідних властивостей, наприклад, мінімуму температурного коефіцієнта ємності ТКЕ, електричних конденсаторахможе застосовуватися складний діелектрик, що складається із суміші простих матеріалів з різними величинами діелектричної проникності. У разі використання такого діелектрика його ефективна діелектрична проникність розраховується за формулою Ліхтенеккера: для хаотичного розподілу компонентів:

,

де q 1і q 2- Об'ємні концентрації (частки) компонентів.

ПОЛЯРИЗАЦІЯ ДІЕЛЕКТРИКІВ.

Процес зміщення та впорядкування носіїв заряду під дією електричного поля

Стан речовини, при якому елементарний його обсяг набуває електричного моменту.

Причини: зовнішнє електричне поле, механічна напруга, освітленість та інші фактори довкілля, спонтанна поляризація.

Малюнок 51.

Поляризація – причина появи електричної ємності.

Діелектрики:

1) лінійні – ізоляція, кондеси постійної ємності

2) нелінійні – датчики, кондеси керованої напруги

Малюнок 52.

Полярні складаються із полярних молекул (вода). Неполярні – з неполярних, які мають електричний момент = 0 (гази, кухонна сіль).

Види поляризації:

1. Швидка поляризація (пружна) відбувається без розсіювання енергії.

1) Електронна поляризація – усунення електронної хмари щодо центру ядра атома. Час виникнення та ліквідації – 10^-14…10^-15 с. Поляризуемість не залежить від температури, але діелектрична проникність залежить. Малюнок 53.

2) Резонансна поляризація – виникає при збігу частот обертання електронів із зміною магнітного поля.

3) Іонна поляризація – зміщення один щодо одного позитивних та негативних іонів. Час встановлення – 10^-11 с. Приклад: кухонна сіль. Зі зростанням температури параметри зростають.

2. Релаксаційна

На її створення витрачається енергія, що виділяється у вигляді тепла, діелектричні втрати на змінному струмі.

Різновиди:

1) Дипольна релаксаційна поляризація – поворот та орієнтація молекул диполів у напрямку поля.

Малюнок 54.

Час встановлення: 10^-2…10^-10 с.

Тау – час релаксації.

2) Іонно-релаксаційна поляризація - переміщення іонів від одного атома до іншого в речовинах з неповною упаковкою електронів. приклад: скло.

Малюнок 55.

У рідкому – провідники з електролітичною провідністю.

3) Електронно – релаксаційна – перехід електрона до іншого атома під час поляризації.

Час встановлення: 10^-2…10^-5 з для кімнатної температури.

4) Міграційна – спостерігається у неоднорідних діелектриках із провідними включеннями. приклад: папір.

Малюнок 56.

Низькочастотна поляризація. Час релаксації: хвилини та години.

5) Спонтанна поляризація. Фаза – стан кристалічних ґрат, її структура.

У різних речовинахможлива зміна фази без зміни агрегатного стану. Зміна фази в діелектриках може призводити до спонтанної поляризації – сегнетоелектрики. Діелектрична проникність – до 10^5. Вигляд діелектриків – нелінійні. Використовуються у датчиках.

Діелектрична проникність суміші.