Под воздействием электрического поля в диэлектрике происходит поляризация, т.е. ограниченное перемещение зарядов в теле диэлектриков.

Существует несколько видов поляризации отличающиеся своим механизмом и свойствами.

1. Электронная поляризация(рис. 17.3).

Рис. 17.3.

Это взаимное смещение электронов и ионов внутри атома. Центр орбиты электрона смещается на расстояние, которое зависит от напряженности поля E, m_e и резонансной частоты атома. Электронная поляризация вызывается деформацией электронных оболочек атомов. Электроны смещаются почти мгновенно время установления поляризации ничтожно мало (10^-15 с), и поэтому она не зависит от частоты.

e = 1 + 4pna

где n – концентрация частиц ( атомов и молекул) в диэлектрике, a - электронная поляризуемость – зависит от структуры молекулы или атома.

Свойства:

1. Электронная поляризация зависит от T^o К (т.к. при нагреве тела

ТК_ε = de/dT*1/e

расширяются, падает концентрация зарядов);

2. Электронная поляризация не зависит от частоты (т.к. смещение зарядов происходит за t_n=10^-15 с, поэтому запаздывания поляризации по отношению к изменению электрического поля не наблюдается).

3. Электронная поляризация происходит без потерь энергии (как бы упругая деформация), в диэлектрике имеется только емкостная составляющая тока.

2. Ионная поляризация - это смещение ионов в пределах кристаллической решетки. Наблюдается в твердых телах с ионной кристаллической решеткой. Смещение токов происходит по малым расстояниям за счет упругой деформации решетки. Ионная поляризация возникает при упругом смещении ионов на расстояния, не превышающие межионные. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные ионы - в сторону отрицательного. Время установления ионной поляризации очень мало ( 10^-13 с), и ε также не зависит от частоты.

Свойства ионной поляризации

o TKe при ионной поляризации положителен, т.к. связи между ионами ослабевают с ростом температуры, что облегчает их смещение в электрическом поле;

o не зависит от частоты, т.к. t_n=10^-13 сек;

o происходит без потерь.

3. Дипольная поляризация

Во многих веществах молекулы обладают дипольным моментом в отсутствие электрического поля, но сориентированы моменты хаотично и сумма моментов диполя = 0.

В газе или жидкости при E¹0 диполи начинают ориентироваться в поле. Кроме того, поле растягивает диполи. В твердых диэлектриках поворот молекул невозможен, во входящих в состав молекул дипольные группы могут ориентироваться без отрыва от молекул. Все закономерности дипольной поляризации при этом сохраняются.

Свойства дипольной поляризации:

o вектор поляризации пропорционален квадрату дипольного момента молекулы P:;

o

o дипольная поляризация зависит от T^o К (из-за тепловой подвижности молекул);

o сильно зависит от частоты, т.к. диполи имеют определенную инерцию;

o на дипольную поляризацию затрачивается энергия.

Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных диэлектриках. Повороты диполей существенно меняют ε. У неполярных диэлектриков ε немного больше 2, у полярных - в несколько раз больше. Повороты диполей при наложении поля и возвращение диполей к неупорядоченному состоянию после снятия поля требуют преодоления некоторого сопротивления молекулярных сил. Эта поляризация появляется и исчезает значительно медленнее электронной или ионной поляризации.

4.Ионно-релаксационная поляризация.

Это переброс в твердом диэлектрике на другое место слабо закрепленных в решетке ионов. Это происходит при достаточной тепловой подвижности ионов, когда они отрываются от своего места в решетке и закрепляются в другом, недалеко от своего места. Свойства ионно-релаксационной поляризации близки к свойствам дипольной поляризации.

При нагреве диэлектрическая проницаемость ε изменяется, температурный коэффициент ε (ТКε ) принимает значения от-1300 до +3000*10^{-6 0}C^-1. Отрицательный Ткε имеют диэлектрики с электронной поляризацией, при нагреве увеличивается их объем и соответственно уменьшается плотность зарядов. Диэлектрики с ионной поляризацией имеют положительный Ткε. При нагреве поляризация увеличивается вплоть до верхней границы рабочего интервала температур. Это объясняется ослаблением притяжения между ионами и увеличением их смещения. Особенно сильно повышается поляризация, когда ионы начинают смещаться на расстояния больше межионных. В этом случае поляризация зависит от частоты, устанавливается медленно - за 10^-5 – 10^-3 с и называется ионно-релаксационной.

Изменения дипольно-релаксационной поляризации при нагреве определяются соотношением межмолекулярного притяжения и теплового движения. Ослабление притяжения облегчает ориентацию диполей, а усиление теплового движения ей мешает. В связи с этим поляризация сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается.

5.Миграционная поляризация.

Имеет место в двух- и многослойных диэлектриках, обладающих разными e. Характеризуется большой инертностью и потерями.

6. Доменная поляризация (самопроизвольная поляризация) наблюдается только у одного класса диэлектриков - сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже определенной температуры, которую называют точкой Кюри, самопроизвольно, без внешних воздействий, возникает поляризация. Объем сегнетоэлектрика разбивается на домены, в каждом из которых вещество сильно поляризовано. В отсутствие поля домены расположены беспорядочно, и суммарная поляризация равна нулю. При наложении поля поляризация увеличивается нелинейно благодаря переориентации поляризации доменов. При циклическом изменении поля от + Е до - Е возникает петля гистерезиса. Когда напряженность поля возрастает, поляризация достигает насыщения; при этом ε увеличивается до максимального значения и вновь уменьшается. По аналогии с ферромагнетиками напряженность поля Е_с, при которой меняется направление поляризации, называется коэрцитивной силой. Когда Е_с, < 1 МВ/м, сегнетоэлектрик является мягким; когда Ес > 1 МВ/м, материал жесткий. Известно около 500 сегнетоэлектриков. Они принадлежат к классу активных диэлектриков, которые используются для генерации и преобразования электрических сигналов. Между электрическими, механическими, тепловыми и другими свойствами сегнетоэлектриков существуют нелинейные зависимости. Значения свойств вблизи точки Кюри имеют максимумы или минимумы. В частности, максимальное значение εдостигается около точки Кюри.

Доменная поляризация характерная для твердых диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками у которых имеются области - домены, представляющих собой диполи (сегнетовая соль, титанат бария BaTiO₃ и др. из них изготавливают специальную конденсаторную керамику)

При поляризации зависимость P=aE имеет интересную особенность: a является функцией поляризации и возрастает с увеличением поляризации, т.е. если растет поле, растет a, а в свою очередь поляризация и т.д. e у сегнетоэлектриков до 10³ ¸ 10⁴.

Рис. 17.4.

Свойства:

o e зависит от T^o К;

o e = f(E);

o e = f(частоты);

o потери при доменной поляризации весьма велики.

7. Остаточная поляризация.

Характерна для веществ, называемых электретами. Эти вещества способны сохранять поляризованное состояние и при снятии электрического поля.

8.Высоковольтная поляризация характеризуется очень высокими временами установления (несколько часов) и созданием в диэлектрике сильных локальных зарядов и против - ЭДС диэлектрика. Это поляризация не проявляется на высоких частотах и при повышенных температурах.

Электропроводность.

Электропроводимость твердых диэлектриков связана с появлением в них свободных ионов или электронов. В диэлектриках электропроводность в основном обусловлена перемещением ионов основного материала и ионов примесей. Основное значение имеет ионная проводимость, обусловленная примесями. Электропроводимость диэлектрика подразделяют на объемную (сквозную) и поверхностную. Каждая из них характеризуется своим удельным электрическим сопротивлением - объемным ρ_v (Ом*м) и поверхностным p_s (Ом).

Примесная проводимость имеет место в при низких температурах, а собственная – при высоких. Общая электропроводность диэлектрика будет складываться из примесной и собственной проводимостей.

Диэлектрики имеют высокое удельное объемное электрическое сопротивление (ρ_v = >10¹² Ом*м). При нагреве оно понижается в результате роста подвижности ионов. Поверхностное электрическое сопротивление p_s зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и состояния его поверхности и влажности среды. Поверхностная проводимость тока тем меньше, чем чище поверхность и меньше полярность вещества. По своему отношению к влаге диэлектрики подразделяются на гидрофильные – смачивающиеся водой ( слюда, керамика, канифоль) и гидрофобные – несмачивающиеся водой ( парафин, полистирол, церезин, каучук и др.).

Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую плёнку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его объемное электрическое сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностного электрического сопротивления поверхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, применяют разнообразную обработку поверхности диэлектрика – промывку растворителями; прокаливание при 700^о с, пропитывают поверхность парафином, покрывают поверхность , используя для этого покрытия – лаки ( например, кремнийорганические лаки ) и эмали.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: