Сделай Сам Свою Работу на 5

Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике.





Лекция 17.

Диэлектрические материалы

 

К электроизоляционным материалам или диэлектрикам относятся вещества, имеющие ничтожно малую электропроводность. В радиоэлектронике диэлектрики применяются для изоляции токоведущих частей, создания определённой величины ёмкости в конденсаторах и как конструкционные материалы.

Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры и стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно 1012 – 1020 Ом * м. Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения; при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры.

Диэлектрик состоит из атомов и молекул. Так как положительный заряд всех ядер молекул равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом электрически нейтральна. Если заменить положительные заряды ядер молекул суммарным зарядом - Q, находящимся в центре «тяжести» положительных зарядов, а заряд всех электронов - суммарным отрицательным зарядом -Q, находящимся в центре «тяжести» отрицательных зарядов, то молекулу можно рассматривать как электрический диполь с электрическим моментом.



Первую группу диэлектриков (N2, Н2, 02, С02, СН4, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т.е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды неполярныx молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент.

Вторую группу диэлектриков (Н20, NH3, S02, СО, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т.е.

центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Молекулы таких диэлектриков называют полярными. При отсутствии внешнего поля, однако, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы этого поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент.



Третью группу диэлектриков (NaCI, KC1, КВг,...) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решётки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.

Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, или, иными словами, к поляризации диэлектрика.

Для правильности выбора диэлектрика необходимо знать его электрические, физико-химические и механические характеристики.

Способность диэлектриков изменять свои характеристики в работе под действием влажности, температуры и давления окружающей среды, а также изменения частоты и напряжённости поля, обуславливают нестабильность выходных параметров электронной аппаратуры. Поэтому очень важно знать характеристики диэлектриков и влияние внешних факторов на эти характеристики.



К электрическим характеристикам диэлектриков относятся: диэлектрическая проницаемость, электропроводность или удельное эл. сопротивление, диэлектрические потери, выражаемые тангенсом угла диэлектрических потерь и электрическая прочность. Значения этих характеристик определяются способностью диэлектриков к поляризации.

Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике.

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т.е. приобретает отличный от нуля дипольный момент pv= Σpi, где pi - дипольный момент одной молекулы. Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной –

 

 

поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика:

P= pv /V = Σpi / V.

Из опыта следует, что для большего класса диэлектриков поляризованность Р линейно зависит от напряженности поля Е. Если диэлектрик изотропный и Е не слишком велико, то

P = χ εо Е,.

где χ - диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства диэлектрика; χ - величина безразмерная; притом всегда χ >0 и для большинства диэлектриков (твердых и жидких] составляет несколько

единиц (для спирта χ =25, для воды χ =80).

Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электрическое поле Ео пластину из однородного диэлектрика, расположив ее так, как показано на рис.17.1.

 

 

Рис. 17.1. ???

 

 

?

 

 


 

Под действием поля диэлектрик поляризуется, т.е. происходит смещение зарядов; положительные смещаются по полю, отрицательные - против поля. В результате этого на правой грани диэлектрика, обращенного к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью + σ ', на левой -отрицательного заряда с поверхностной плотностью - σ '. Эти нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика называются

связанными. Так как их поверхностная плотность σ ' меньше плотности σ свободных зарядов плоскостей, то не всё поле Е компенсируется полем зарядов диэлектрика; часть линий напряженности пройдет сквозь диэлектрик, другая же часть - обрывается на связанных зарядах. Следовательно, поляризация диэлектрика вызывает уменьшение в ней поля по сравнению с первоначальным внешним полем. Вне диэлектрика Е=Ео.

Таким образом, появление связанных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля Е', которое направлено против внешнего поля Ео и ослабляет его. Результирующее поле внутри диэлектрика Е = Ео- Е':

Поле Е' = σ ' / εо, поэтому

E = Eo - σ ' / εо

Напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна :

 

Е = Ео/(1 + χ) =Ео / ε.

 

Безразмерная величина: ε = 1 + χ называется диэлектрической проницаемостью среды она показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, и характеризует количественно свойство диэлектрика поляризоваться в электрической поле.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.