Материал: Основы механики

Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость

Под влиянием электрического поля связанные электронные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля. При снятии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. В полярных диэлектриках содержащие дипольные молекулы, воздействие электрического поля вызывает ещё и ориентацию диполей в направлении поля; при отсутствии поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения.

Большинство диэлектриков характеризуются линейной зависимостью электрического смещения от напряженного электрического поля, созданного в диэлектрике.

Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно, обнаруживая насыщение при некотором значении напряженности поля. Нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли, поэтому такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками.

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами включенный в электрическую цепь может рассматриваться как конденсатор определенной емкости. И заряд этого конденсатора будет равен:

(1.1)

где С - емкость конденсатора, U - приложенное напряжение.

Заряд Q при заданном значении приложенного напряжения слагается из заряда Qo , который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и заряда Qд, который обусловлен поляризацией диэлектрика фактически разделяющего электроды:

(1.2)

Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость .

а) б)

Рисунок 2 Диэлектрик сложного состава, с различными механизмами поляризации в электрическом поле (а) и его эквивалентная схема (б)

Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного на конденсаторе содержащий данный диэлектрик, к заряду Qo , который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении если бы между электродами находился вакуум.

(1.3)

Из этого следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума. Относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества не зависит от выбора системы единиц.

Для характеристики качества диэлектрика используется именно эта величина.

Соотношение (1.1) может быть представлено в виде:

, (1.4)

где Со - ёмкость, которую имел бы конденсатор, если бы его разделял вакуум.

Из формулы (**) видно, что диэлектрическая проницаемость вещества е можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум.

Основные виды поляризации диэлектриков

Существует два основных вида поляризации диэлектриков:

• 1) поляризация под воздействием электрического поля практически мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения теплоты;
• 2) поляризация, совершаемая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревание. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией.

К первому виду поляризации относится электронная и ионная, остальные механизмы принадлежат к релаксационной поляризации. Особым механизмом поляризации является резонансная, наблюдаемая в диэлектриках при весьма высоких частотах, потому малосущественная для практической электротехники. Емкость конденсатора с диэлектриком и накопленным в нем электрическом заряде обуславливается суммарным воздействием различных механизмов поляризации. Разные виды поляризации могут наблюдаться в разных диэлектриках, а так же могут быть одновременно у одного и того же материала.

Электронная поляризация (Qэ, Cэ) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время установления около 10 -15 сек. Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света n. Смещение и деформация электронных орбит атомов и ионов не зависит от температуры, однако электронная поляризация уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связано с потерей энергий.

Ионная поляризация (Qи, Cи) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго связанных ионов. С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширений. Время установления - порядка 10 -13 сек.

Дипольно-релаксационная поляризация ( С д-р, Q д-р, r д-р ) отличается от электронной и ионной тем, что связано с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении частично ориентируются под действием поля, что и вызывает поляризацию (если молекулярные силы не препятствуют диполям ориентироваться вдоль поля).

С увеличением температуры дипольная поляризация сначала возрастает, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание энергии теплового движения молекул, а затем, когда возрастание энергии теплового движения молекул становится интенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать.

Ионно-релаксационная поляризация (С и-р, Q и-р, r и-р) наблюдается в неорганических стеклах и в неких ионных кристаллических неорганических веществах. В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля. После снятия электрического поля смещение ионов ослабевает по экспоненциальному закон. С повышением температуры ионно-релаксационная поляризация усиливается.

Электронно-релаксационная поляризация (Q э-р, С э-р, r э-р) возникает вследствие возбуждения тепловой энергии избыточных (дефектных) электронов или дырок, характерна главным образом для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью.

Миграционная поляризация (Q м, С м, r м) понимается как дополнительный механизм поляризации, проявляющийся в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Причинами такой поляризации является проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев различной проводимости и т.д., связана со значительным рассеянием электрической энергии.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация (Q сп, С сп, r сп) встречаются у сегнетоэлектриков. В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие определенный электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля не вызывает возрастания интенсивности поляризации. Диэлектрическая проницаемость при спонтанной поляризации зависит от напряженности электрического поля, такие материалы характеризуются значительным рассеиванием энергии.

Контрольные вопросы:

• 1. Основные сведения о материалах. Виды связи.
• 2. Классификация веществ по электрическим свойствам. Классификация веществ по магнитным свойствам.
• 3. Что такое диэлектрики? Поляризация диэлектриков.
• 6. Основные виды поляризации диэлектриков.

Конспект лекции №2. Электропроводность диэлектрика. Основные понятия

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения в диэлектриках. Токи смещения упруго связанных зарядов при ионной и электронной поляризаций столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором.

Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжений абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в момент включения и выключения напряжения; при переменном напряжений они протекают в течений всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого количества свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов, или токов утечки. Ток утечки в технических диэлектриках представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции. Для плотностей токов можно записать:

Jут=Jск+Jаб (1.5)

Как видно из рисунка, после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Токи смещения необходимо принимать во внимание при измерениях проводимости диэлектриков в виду того, что при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости.

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным, но и активными составляющими абсорбционных токов.

Рисунок 3 Зависимость тока утечки от времени

Особенностью электропроводности диэлектриков в большинстве случаев является ее неэлектронный (ионный) характер. Истинное сопротивление диэлектрика Rиз, определяющее величину сквозного тока может быть вычислена по следующей формуле:

Rиз=U/(i-? i аб), (1.6)

где i ут. - наблюдаемый ток, U-напряжение, i аб - суммарный ток абсорбции.

Поскольку определение абсорбционных токов даже замедленных видов поляризации представляет некоторые трудности, сопротивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включения напряжения и принимаемый за сквозной ток