Виды поляризации в твердых диэлектриках

Электронная поляризация. Это упругое смещение электронных оболочек относительно ядра в атомах диэлектрика под действием внешнего электрического поля (рис.3.3).

Рис. 3.3. Упрощенная схема моделей атомов водорода в отсутствие внешнего электрического поля (а) и при его воздействии (б)

Время установления электронной поляризации

10 -15 с. Электронная поляризация протекает во всех диэлектриках без исключения. Мгновенное смещение электронов в диэлектрике и образование упругих диполей внешне проявляет себя в виде тока смещения в диэлектрике. Также мгновенно упругие диполи исчезают, если с диэлектрика снять напряжение.Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость e уменьшается с ростом температуры, что связано с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема.

Изменение e при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости a_e:

[К -1 ] (3.11)

Ионная поляризация. Это смещение упруго связанных ионов с мест своего закрепления на расстояния меньше периода кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Идеализированная схема расположения ионов каменной соли в узлах решетки в отсутствие внешнего электрического поля (а) и смещенных из узлов на небольшие расстояния при воздействии поля (б)

Имеет место у твердых диэлектриков с ионным строением наряду с электронной поляризацией. Время установления ионной поляризации

10 -13 с. Она больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т.е. являются многовалентными. Величина поляризации с повышением температуры возрастает, что обусловлено ослаблением сил упругой связи вследствие теплового расширения материала и увеличения расстояния между ионами.

Дипольно-релаксационная поляризация.Это частичная ориентациядипольных молекул, находящихся в хаотическом тепловом движении, под действием внешнего электрического поля (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Примерное расположение дипольных молекул в отсутствие электрического поля (а) и при его воздействии на диэлектрик (б)

Процесс установления такой поляризации после включения диэлектрика под напряжение (или процесс ее ликвидации после снятия напряжения) требует относительно большого по сравнению с практически безинерционными явлениями электронной и ионной поляризацией времени. Поляризованность при дипольно-релаксационной поляризации Р_ДР за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

(3.12)

Постоянную времени этого процесса t называют временем релаксации.Если период приложенного переменного напряжения меньше t, то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем и дипольно-релаксационная поляризация не дает вклада в поляризованность диэлектрика. Так как t обычно имеет порядок 10 -6 -10 -10 с, дипольно-релаксационная поляризация проявляется лишь на частотах ниже 10 6 – 10 10 Гц. При понижении температуры t сильно возрастает.

С ростом температуры, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического движения, величина дипольно-релаксационной поляризации увеличивается. Затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, величина поляризации начинает падать. Поэтому температурное изменение e при дипольно-релаксационной поляризации характеризуется наличием максимума.

Дипольно-релаксационная поляризация свойственна полярным жидкостям, а также может наблюдаться и в твердых полярных органических веществах.

Ионно-релаксационная поляризация. Заключается в том, что слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.

Диэлектрическая проницаемость e увеличивается с ростом температуры, но только для твердых диэлектриков, так как в расплавленном состоянии ионные соединения становятся проводниками с электролитической электропроводностью.

Наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стеклах, и в некоторых кристаллических веществах, в частности в хлористом цезии (CsCl).

Электронно-релаксационная поляризация. Возникает за счет возбуждения тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок.

В веществах с такой поляризацией наблюдается относительно высокое значение e и зависимость e от температуры имеет максимум.

Резонансная поляризация. Наблюдается в диэлектриках на оптических частотах, зависит от физико-химических особенностей вещества и определяется собственной частотой электронов или ионов на очень высоких частотах или частотой дефектных электронов при более низких частотах.

Миграционная поляризация. Причинами возникновения являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. Заключается в перемещении (миграции) под воздействием внешнего электрического поля свободных электронов и ионов в таких включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела. В граничных слоях слоистых материалов может происходить накопление зарядов медленно движущихся ионов, что также создает эффект миграционной поляризации.

Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация. Наблюдается в веществах, характеризующихся доменной структурой. Домены – макроскопические области, обладающие самопроизвольной поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике.

В отсутствие внешнего поля электрические моменты доменов ориентируются хаотически. Воздействие электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что создает эффект очень сильной поляризации и высокое значение e.

Данный вид поляризации существует только у группы твердых диэлектриков, обладающих такими же особенностями поляризации, как и сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆×4H₂O), а потому получивших название сегнетоэлектриков.

Дата добавления: 2016-12-06 ; просмотров: 1221 | Нарушение авторских прав

Два основных вида поляризации диэлектриков:

– Мгновенная – поляризация под воздействием электрического поля происходит практически мгновенно, без рассеяния энергии, т. е. без вы­деления теплоты;

– Замедленная – поляризация, совершаемая не мгновенно, а нарастающая и убы­вающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлек­трике, т. е. его нагреванием. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией.

К первому виду поляризации относятся электронная и ионная, остальные механизмы принадлежат к релаксационной поляризации. Особым механизмом поляризации является резонансная, наблю­даемая в диэлектриках при весьма высоких частотах.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время уста­новления электронной поляризации ничтожно мало (около 10 -15 с). Смещение и деформация электронных орбит атомов или ионов не зависит от температуры, однако электронная поляризация вещества уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика с электронной поляризацией при изменении температуры обусловли­вается лишь изменением его плотности. Электронная поляризация наблюдается у всех видов ди­электриков и не связана с потерей энергии.

Ионная поляризация характерна для твер­дых тел с ионным строением и обусловливается 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 расширении.

Время установления ионной поляризации около 10 -13 с.

Дипольно-релаксационная поляризация для краткости называется дипольной, отличается от электронной и ион­ной тем, что она связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причи­ной поляризации.

Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не препятствуют диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, что должно усиливать дипольную поляризацию, однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому с увеличением температуры дипольная поляризация сначала возрастает (пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения), а затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать.

Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поля­ризация связана с потерями энергии. В быстропеременных полях диполи не успевают ориентироваться в направле­нии поля, и дипольная поляризация при повышенных частотах при­ложенного напряжения может полностью исчезать.

Промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориен­тированных полем диполей после его снятия уменьшится вследствие теплового движения в 2,7 раза по сравнению с первоначальным зна­чением, называют временем релаксации.

Дипольная поляризация свойственна полярным газам и жид­костям. Этот вид поляризации может наблюдаться также и в твер­дых полярных органических веществах. В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями возможна ориентация и более крупных частиц.

Ионно-релаксационная поляризация наблю­дается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристал­лических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов. В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотического теплового движения смещаются в направлении поля.

После снятия электрического поля ионно-релаксационная по­ляризация постепенно ослабевает по экспоненциальному закону, а с повышением температуры — заметно усиливается.

Электронно-релаксационная поляризация от­личается от электронной и ионной и возникает вследствие возбуж­дения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок.

Электронно-релаксационная поляризация 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, а также наличие максимума в температурной зависимости .

Миграционная поляризация понимается как допол­нительный механизм поляризации, проявляющийся в твердых те­лах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие к полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т. д.

При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих вклю­чений перемещаются в пределах каждого включения, образуя боль­шие поляризованные области. В слоистых материалах на границах раздела слоев и в прпэлектродных слоях может быть накопление зарядов медленно движущихся ионов.

В веществах с самопроизвольной поляризацией (сегнетоэлектрики) имеются от­дельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. Однако при этом ориентация электри­ческих моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественной 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. Поэтому диэлектрическая проницае­мость при спонтанной поляризации зависит от напряженности элек­трического поля. В температурной зависимости наблюдается один или несколько максимумов. В переменных электрических полях материалы с самопроизвольной поляризацией характеризуются зна­чительным рассеянием энергии, т. е. выделением теплоты.

Можно изобразить эквивалентную электрическую схему замещения диэлектрика с различными видами поляризации в электрическом поле.

Рис.2. Эквивалентная электрическая схема замещения диэлектрика с различными видами поляризации в электрическом поле

Емкость конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд обусловливаются суммарным воздействием различных механизмов поляризации. Разные виды поляризации могут наблюдаться у разных диэлектриков, а также могут быть одновременно у одного и того же материала.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

Классификация и общие свойства диэлектриков. Температурные зависимости.

– вещества, способные поляризоваться в электрическом поле. В них существует внутреннее электрическое поле и равномерное распределение потенциалов.

Носители заряда в диэлектриках:

1) Положительные и отрицательные ионы. Причина: ионизация молекул газа.

2) Электроны в сильных полях.

1) Ионы. Причина: диссоциация молекул жидкости.

2) Коллоидные заряженные частицы в эмульсиях и суспензиях.

2) Дефекты кристаллической решетки.

3) Электроны или дырки проводимости.

Бывают полярные и неполярные.

Основные электрические свойства диэлектриков:

3. Диэлектрические потери

4. Электрическая прочность

При расчетах на постоянном токе учитывают только сквозной ток.

Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.

Поляризация – процесс смещения и упорядочения зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Численной мерой поляризации является поляризованность диэлектрика – количество электрического момента в единице объема диэлектрика:

где dp – электрический момент элемента диэлектрика;

dV – объем элемента диэлектрика

– напряженность внешнего электрического поля, В/м,

– диэлектрическая постоянная,

– относительная диэлектрическая проницаемость.

Поляризация определяет свойство диэлектриков образовывать электрическую емкость. В то же время поляризация диэлектриков, происходящая с затратами энергии и выделением теплоты, вызывает потери электрической энергии в материалах-изоляторах, особенно на высоких частотах, когда процессы поляризации диэлектрика повторяются большее количество циклов в единицу времени. Поэтому поляризацию описывают параметрами диэлектрика и .

Различают несколько видов поляризации.

2.2.1. Упругая поляризация – совершается в диэлектрике без выделения энергии и рассеяния тепла. Различают электронную и ионную упругие поляризации

Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов, приводящая к разделению геометрических центров положительного и отрицательного зарядов в атоме. Для установления требуемся минимальное время – 10 -15 с, т.е. образуется практически мгновенно. Поляризуемость при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость плавно уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением количества атомов в единице объема (рис. 2.2). Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков независимо от их химического состава и внутренней структуры.

Ионная поляризация – упругое смещение ионов – узлов кристаллической решетки, характерна для материалов с ионным строением. С повышением температуры усиливается благодаря ослаблению межионных сил. Время установления поляризации 10 -13 с – больше, чем у электронной поляризации, так как ионы массивнее.

Так как процессы электронной и ионной поляризации происходят практически мгновенно, величина деэлектрической проницаемости материалов с упругой поляризацией постоянна и от частоты не зависит.

2.2.2. Релаксационная (неупругая) поляризация – медленные виды поляризации. Для их осуществления требуется затратить определенную энергию, которая затем выделяется в виде тепла при возвращении диэлектрика в исходное состояние. Различают дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, резонансную и миграционную виды поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация характерна для веществ с дипольным строением и вызывается переориентацией молекул-диполей в приложенном к диэлектрику внешнем электрическом поле. В зависимости от массы, плотности упаковки и размеров диполей время установления поляризации сставляет 10 -10 ..10 -2 с. После снятия поля, вызвавшего поляризацию, они возвращаются в исходное хаотичное состояние под действием теплового движения частиц, при этом поляризованность материала убывает по закону

где – поляризованность диэлектрика в момент снятия внешнего поля, Кл/м 2 ,

– время релаксации (время, за которое количество упорядоченных диполей убывает в е раз), с.

Зависимость дипольной поляризации от температуры изображена на рис. 2.3. Спад графика в области низких температур обусловлен плотной упаковкой ионов и трудностью их переориентации, а в области высоких температур – малым количеством диполей, приходящимся на единицу объема диэлектрика.

Рис. 2.3. Зависимость дипольно-релаксационной поляризации от температуры

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается у всех полярных веществ. У твердых диэлектриков поляризация вызывается не поворотом самой молекулы, а смещением имеющихся в ней полярных радикалов, например, Na + и Cl – в молекуле поваренной соли.

С увеличением частоты дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость убывают, поэтому полярные диэлектрики являются частотно-зависимыми и не применяются на высоких частотах.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в материалах с неплотной упаковкой ионов и вызвана физическим перемещением ионов в вакансии кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля. После снятия поля поляризация постепенно ослабевает. Наблюдается только для твердых веществ (рис. 3.х), так как в расплавленном состоянии ионы становятся свободными и материал становится проводником с электролитической проводимостью.

Рис. 3.х. Зависимость ионно-релаксационной поляризации

Электронно-релаксационная поляризация вызвана перемещением от одного иона к другому (в направлении поля) избыточных (дефектных) электронов и дырок. Характерна для веществ с электронной электропроводностью, имеет центральный максимум в зависимости и уменьшается с ростом частоты.

Резонансная поляризация. Наблюдается в диэлектриках на световых частотах и обусловлена резонансом собственных колебаний (вращения) электронов или ионов и частоты внешнего электромагнитного поля (света). На практике не применяется и практически не влияет на свойства диэлектрика в области частот, используемой электроникой и микроэлектроникой.

Миграционная поляризация – проявляется в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Причинами поляризации являются наличие проводящих и полупроводящих включений в реальных технических диэлектриках(бумага, ткань). При миграционной поляризации электроны и ионы перемещаются в пределах проводящих включений, образуя большие поляризованные области. Данная поляризация связана с большими потерями энергии и наблюдается уже на низких частотах, время релаксации таких диэлектриков – минуты и секунды.

В реальных диэлектриках проявляется несколько видов поляризации одновременно, поэтому частотные и температурные зависимости поляризованности , диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь усложняются. По виду поляризации различают четыре группы диэлектриков:

1. Диэлектрики в основном с электронной поляризацией. Это неполярные и слабополярные вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, полистирол, полиэтилен). Используют в качестве высокочастотных диэлектриков – изоляторов.

2. Диэлектрики с электронной и дипольно-релаксационной поляризацией. Это полярные органические, полужидкие и твердые материалы (смолы, целлюлоза). Используют в качестве низкочастотных диэлектриков – изоляторов и в низкочастотных конденсаторах.

3. Твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и релаксационной поляризацией (слюда, кварц, стекло, керамика, ситаллы). Используются в качестве диэлектриков в высокочастотных конденсаторах и как изоляторы.

4. Сегнетодиэлектрики, обладающие всеми видами поляризации. Используются как активные (управляемые) диэлектрики.

Благодаря поляризации изменяется электрическое поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость характеризует ослабление внешнего поля внутренним:

где – внешнее электрическое поле, В/м,

– внутреннее электрическое поле, В/м,

– электрическое смещение, Кл/м 2 ,

– поверхностная плотность связанных зарядовна пластинах конденсатора при наличии диэлектрика, Кл/м 2 ,

– добавочная поверхностная плотность заряда, возникающая благодаря поляризации диэлектрика, Кл/м 2

– поверхностная плотность заряда на пластинах воздушного конденсатора, Кл/м 2

Для получения необходимых свойств, например, минимума температурного коэффициента емкости ТКЕ, в электрических конденсаторах может применяться сложный диэлектрик, состоящий из смеси простых материалов с разными величинами диэлектрической проницаемости. В случае использования такого диэлектрика его эффективная диэлектрическая проницаемость рассчитывается по формуле Лихтенеккера: для случая хаотического распределения компонентов:

где q₁ и q₂ – объемные концентрации(доли) компонентов.

– процесс смещения и упорядочения носителей заряда под действием электрического поля

– состояние вещества, при котором элементарный его объем приобретает электрический момент

Причины: внешнее электрическое поле, механическое напряжение, освещенность и другие факторы внешней среды, спонтанная поляризация.

Поляризация – причина появления электрической емкости.

1) линейные – изоляция, кондесы постоянной емкости

2)нелинейные – датчики, кондесы управляемого напряжения

Полярные состоят из полярных молекул (вода). Неполярные – из неполярных, у которых электрический момент = 0 (газы, поваренная соль).

1. Быстрая поляризация (упругая) – происходит без рассеяния энергии.

1) Электронная поляризация – смещение электронного облака относительно центра ядра атома. Время возникновения и ликвидации – 10^-14…10^-15 с. Поляризуемость не зависит от температуры, но диэлектрическая проницаемость зависит. Рисунок 53.

2) Резонансная поляризация – возникает при совпадении частот вращения электронов с изменением магнитного поля.

3) Ионная поляризация – смещение друг относительно друга положительных и отрицательных ионов. Время установления – 10^-11 с. Пример: поваренная соль. С ростом температуры параметры растут.

На ее создание тратится энергия, выделяемая в виде тепла, диэлектрические потери на переменном токе.

1) Дипольная релаксационная поляризация – поворот и ориентация молекул диполей по направлению поля.

Время установления: 10^-2…10^-10 с.

Тау – время релаксации.

2) Ионно-релаксационная поляризация – перемещение ионов от одного атома к другому в веществах с неполной упаковкой электронов. Пример: стекло.

В жидком – проводники с электролитической проводимостью.

3) Электронно – релаксационная – переход электрона к другому атому при поляризации.

Время установления: 10^-2…10^-5 с для комнатной температуры.

4) Миграционная – наблюдается в неоднородных диэлектриках с проводящими включениями. Пример: бумага.

Низкочастотная поляризация. Время релаксации: минуты и часы.

5) Спонтанная поляризация. Фаза – состояние кристаллической решетки, ее структура.

В различных веществах возможно изменение фазы без изменения агрегатного состояния. Изменение фазы в диэлектриках может приводить к спонтанной поляризации – сегнетоэлектрики. Диэлектрическая проницаемость – до 10^5. Вид диэлектриков – нелинейные. Используются в датчиках.