Поляризация диэлектриков. Виды поляризации

Все известные в природе вещества, в соответствии с их способностью проводить электрический ток, делятся на три основных класса : диэлектрики , полупроводники и проводники. Если удельное сопротивление у проводников равно , то у диэлектриков , а полупроводники занимают промежуточную область

В идеальном диэлектрике свободных зарядов , то есть способных перемещаться на значительные расстояния (превосходящие расстояния между атомами), нет . Но это не значит, что диэлектрик, помещенный в электростатическое поле, не реагирует на него, что в нем ничего не происходит.

Любое вещество состоит из атомов, образованных положительными ядрами и отрицательными электронами. Поэтому в диэлектриках происходит поляризация .

Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией .Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков.

Видов поляризации много.

Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную , ионную и ориентационную (дипольную). Рис. 4.1 иллюстрирует механизм этих видов поляризуемости.

Электронная поляризуемость обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра. Ионная поляризуемость вызвана смещением заряженных ионов по отношению к другим ионам. Ориентационная (дипольная) поляризуемость возникает, когда вещество состоит из молекул, обладающих постоянными электрическими дипольными моментами, которые могут более или менее свободно изменять свою ориентацию во внешнем электрическом поле.

Есть и другие виды поляризации. Главное в поляризации – смещение зарядов в электростатическом поле. В результате, каждая молекула или атом образует электрический момент p (рис. 4.2):

(4.1.1)

Ясно, что электрический момент p пропорционален напряженности Е – напряженности электростатического поля в месте нахождения молекулы, то есть внутри вещества.

К чему приводит поляризация? Рассмотрим рис. 4.3.

Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но на внешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются заряды противоположного знака (поверхностно связанные заряды).

Обозначим – электростатическое поле связанных зарядов . Оно направлено всегда против внешнего поля . Следовательно, результирующее электростатическое поле внутри диэлектрика

(4.1.2)

Итак, электростатическое поле внутри диэлектрика всегда меньше внешнего поля. Во сколько раз?

Рассмотрим некоторые количественные соотношения.

Поместим диэлектрик в виде параллелепипеда в электростатическое поле (рис. 4.4).

Электрический момент тела , можно найти по формуле:

(4.1.3)

где – поверхностная плотность связанных зарядов.

Введем новое понятие – вектор поляризации – электрический момент единичного объема.

(т.к. – объем параллелепипеда).

Приравняем (4.1.3.) и (4.1.5) и учтем, что – проекция на направление – вектора нормали, тогда

(4.1.6)

Поверхностная плотность поляризационных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности.

Отсюда следует, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E" будет влиять только на нормальную составляющую вектора напряженности электростатического поля .

Вектор поляризации можно представить так:

(4.1.7)

где α – поляризуемость молекул, – диэлектрическая восприимчивость – макроскопическая безразмерная величина, характеризующая поляризацию единицы объема.

Следовательно, и у результирующего поля изменяется, по сравнению с ,только нормальная составляющая. Тангенциальная составляющая поля остается без изменения.

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники (n 0 ~10 28 ÷ 10 29 м -3), полупроводники (n 0 ~10 17 ÷ 10 19 м -3) и диэлектрики (n 0 ~10 9 ÷ 10 13 м -3).

Диэлектрики, как и любое другое вещество, состоят из нейтральных атомов и молекул. Если заменить весь положительный заряд молекулы одним точечным зарядом, помещенным в центре его распределения и аналогичным образом поступить с электронами, то каждую молекулу в этом случае можно рассматривать как электрический диполь. По этому признаку все диэлектрики можно разделить на три группы:

Первую группу образуют вещества с симметричным распределением как положительных, так и отрицательных зарядов в молекуле. Для таких молекул центры распределения положительных зарядов и электронов совпадают. Они называются неполярными. Их дипольный момент . Под воздействием внешнего поля разноименные заряды таких молекул смещаются вдоль силовых линий в противоположные стороны. При этом возникает дипольный момент, направленный по полю (N 2 , H 2 , O 2 , CO 2 , CH 4).

Вторую группу составляют материалы, молекулы которых имеют ассиметричное распределение зарядов. Такие молекулы называются полярными. Они обладают собственным электрическим дипольным моментом . В обычных условиях вектора дипольных моментов отдельных молекул из-за теплового движения ориентированы хаотично. По этой причине суммарный момент тела равен нулю. Внешнее электрическое поле стремится сориентировать дипольные моменты таких молекул вдоль силовых линий поля. Это приведет к возникновению результирующего, не равного нулю, электрического момента всего диэлектрика. Примеры: Н 2 О, NН 3. SO 2 , CО.

К третьему типу относятся диэлектрики, имеющие кристаллическое строение с правильным чередованием ионов разных знаков. Их структуру можно рассматривать как систему двух, вдвинутых одна в другую, ионных подрешеток. Под воздействием поля происходит небольшое встречное смещение кристаллографических плоскостей: плоскости, содержащие положительно заряженные ионы, смещаются по полю, а плоскости, образованные отрицательными ионами, - против поля. Это приводит к возникновению некоторого результирующего дипольного момента всего кристалла.

Процесс ориентации дипольных моментов или их появление под воздействием внешнего электрического поля, что приводит к возникновению электрического момента у каждого элемента объема диэлектрика, называется поляризацией диэлектриков.

Различают три вида такой поляризации:

1. Электронная или деформационная – заключается в возникновении индуцированных дипольных моментов атомов вследствие деформации электронных оболочек, т.е. смещении электронных орбиталей относительно ядер.

2. Ориентационная или дипольная – упорядочение в расположении существующих дипольных моментов.

3. Ионная – возникает в результате встречного смещения кристаллических подрешёток: состоящей из положительно заряженных ионы по полю, а образованной отрицательными ионами – против поля. Количественно поляризация характеризуется поляризованностью (вектором поляризации)– векторной величиной, определяемой как суммарный дипольный момент единицы объёма диэлектрика:

, (21)

где р i – дипольный момент одной молекулы; р v – суммарный дипольный момент всего диэлектрика.

Из опыта известно, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков) поляризованность линейно зависит от напряжённости внешнего поля :

где – напряжённость электрического поля в точке, для которой определяется ; χ (хи) – диэлектрическая восприимчивость вещества;

χ – всегда положительная, безразмерная величина. Для большинства диэлектриков (твёрдых и жидких) χ составляет всего несколько единиц (хотя, например, для спирта χ ≈ 25, а для воды χ = 80).

Для установления количественных за­кономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электростатическое поле Е 0 (создается двумя параллельными разноименно заряженны­ми плоскостями) пластинку из однородно­го диэлектрика, расположив ее перпендикулярно силовым линиям поля. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т.е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные – против поля. В результате этого на грани диэлектрика, обращенной к отрицатель­ной плоскости, будет избыток положитель­ного заряда с поверхностной плотностью +σ, на левой – отрицательного заряда с поверхностной плотностью –σ. Эти не-скомпенсированные заряды, появляющие­ся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными. Так как их по­верхностная плотность σ меньше плотно­

В результате поляризации на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды (рис.). Вектор напряжённости поля связанных зарядов направлен внутри диэлектрика противоположно вектору напряжённости внешнего поля, вызвавшего поляризацию (рис.). Теперь, в соответствии с принципом суперпозиции, напряжённость поля внутри диэлектрика.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

Классификация и общие свойства диэлектриков. Температурные зависимости.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

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

Носители заряда в диэлектриках:

1. В газах

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

2) Электроны в сильных полях.

2. В жидкостях

1) Ионы. Причина: диссоциация молекул жидкости.

2) Коллоидные заряженные частицы в эмульсиях и суспензиях.

3. В твердых

2) Дефекты кристаллической решетки.

3) Электроны или дырки проводимости.

Бывают полярные и неполярные.

Рисунок 50.

Основные электрические свойства диэлектриков:

1. Поляризация

2. Электропроводность

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:

	(1.2)
	(1.2)

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

(1.2)

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

от температуры

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:

	(1.2)

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 q 1 и q 2 – объемные концентрации(доли) компонентов.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

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.

Рисунок 51.

Поляризация – причина появления электрической емкости.

Диэлектрики:

1) линейные – изоляция, кондесы постоянной емкости

2)нелинейные – датчики, кондесы управляемого напряжения

Рисунок 52.

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

Виды поляризации:

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.

2. Релаксационная

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

Разновидности:

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

Рисунок 54.

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.

Рисунок 55.

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.

Рисунок 56.

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.

Диэлектрическая проницаемость смеси.

Явление, при котором происходит в диэлектрике ограниченное по величине смещение связанных зарядов, или же наблюдается поворот получило в физике название поляризация диэлектриков. Течение этого процесса может происходить или спонтанно, в силу внутренних причин, или же под воздействием внешних сил, прежде всего, электрических полей.

Физико-математическое отражение процесса характеризуется вектором поляризации, представляющим собой который рассматривается в отношении к величине объема диэлектрика. Довольно часто в физическом контексте используют упрощенный термин - поляризация. Этот параметр используется не только для отражения макроскопического состояния. Его можно применять для описания любых явлений, обладающих свойствами, которыми характеризуется и поляризация диэлектриков.

Исходя из этого утверждения, можно сформулировать общий признак явления. Такое состояние диэлектрика, при котором в нем обнаруживается наличие дипольного момента в каждой точке его объема, и характеризует поляризация диэлектриков.

Рассматриваемое явление неоднозначно по своей природе. Различают такие виды поляризации диэлектриков как наведенная, то есть возникающая под воздействием внешних электрических полей, спонтанная, образующаяся при отсутствии внешних возбудителей поляризации, механическая (сегнетоэлектрика), формирующаяся при действии механических возбудителей, термическая, возникающая под действием колебаний температуры.

Особенностью поляризации как является то, что она практически не влияет на величину суммарного заряда однородного диэлектрика, какую бы точку его объема не выбрали. В то же время, при поляризации происходит формирование связанных зарядов на поверхности диэлектрика. Вот эти заряды и являются источниками дополнительного поля с некоторой напряженностью, вектор которой направлен против вектора действия внешнего поля.

Важным в рассматриваемом вопросе выступает и классификация поляризации диэлектриков в зависимости от самих ее механизмов. В этом аспекте выделяются такие ее типы:

Миграционная характерна для материалов, в структуре которых имеются четко различимые слои, обладающие различной проводимостью. Такая поляризация характеризуется замедленным действием;

Электронная поляризация состоит в перемещении оболочек атомов под влиянием внешних электрических полей. Это - самый быстрый тип поляризации;

Ионная характеризуется теми же факторами, что и электронная, только в этом случае происходит не смещение оболочек атомов, а перемещение узлов структуры веществ;

Дипольная, или как ее еще называют ориентационная поляризация характеризуется значительными потерями, причина которых состоит в больших затратах энергии на преодоление внутренних связей в диэлектрике. Для ориентационной поляризации диэлектриков характерно явление строго определенной ориентации диполей;

Электронно-релаксационная характеризуется наличием такой же определенной ориентации дефектных электронов;

Ионно-релаксационная поляризация диэлектриков проявляется в перемещении ионов, которые обладают слабыми внутренними связями и не закреплены устойчиво в узлах кристаллических решеток структуры вещества;

Структурная проявляется также в определенной ориентации элементов диэлектрика, но в этом случае этими элементами выступают различные примеси, которые содержит вещество диэлектрика. Эта поляризация протекает наиболее медленно;

Самопроизвольная (спонтанная) наблюдается у диэлектриков с очень высокими параметрами проницаемости, их называют сегнетоэлектриками;

Резонансная характеризуется совпадением частот электронов диэлектрика с частотами воздействующего на него поля, отсюда, собственно, и такое название.

Как правило, во всех случаях, кроме резонансной поляризации, ее величина достигает максимальных значений в статических полях.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Бийский технологический институт

(филиал) ФГБОУ ВПО

«Алтайский государственный

технический университет

им. И.И. Ползунова»

(БТИ АлтГТУ)

На тему: Поляризация диэлектриков

Выполнил:

студент группы ПС-11

Комарова.А.В.

Проверил:

Шалунов А. В.

ВВЕДЕНИЕ 3

1 Понятие поляризации 3

2 Механизмы поляризации 4

3 Виды поляризации 5

3.1 Электронная поляризация 5

3.2 Ионная поляризация 6

3.3 Упруго-дипольная поляризация 7

3.4 Ионно-релаксационная поляризация 8

3.5 Дипольно-релаксационная поляризация 9

3.6 Миграционная (межслоевая) поляризация 11

3.7 Электронно-релаксационная поляризация 11

3.8 Поляризация ядерного смещения 12

3.9 Остаточная (электретная) поляризация 12

3.10 Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация 13

3.11 Пьезоэлектрическая поляризация 14

4 Классификации диэлектриков 15

5 Виды поляризации по скорости протекания процесса 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 20

ВВЕДЕНИЕ

Суть явления поляризации заключается в том, что под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля.

Свое применение в электротехнических приборах диэлектрики нашли за счет способности поляризоваться .

Диэлектриком называют "вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле" и в котором возможно существование электростатического поля, так как электрические заряды его атомов, молекул или ионов связаны

Используемые же на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обуславливают электропроводность на постоянном токе .

1. Понятие поляризации

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул, возникающая в любом диэлектрике при воздействии электрического поля.

Выделяют два определения поляризации:

Свойство световых и электромагнитных колебаний размещаться в одной определенной плоскости. Плоскость поляризации падающего луча.

Отложение на электродах различных веществ, ослабляющих силу тока. Поляризация электродов.

В зависимости от механизма или порядка смещения электрических зарядов различают следующие виды поляризации:

Электронная поляризация;

Ионная поляризация;

Упруго-дипольная поляризация;

Ионно-релаксационная поляризация;

Дипольно-релаксационная поляризация;

Миграционная (межслоевая) поляризация;

Электронно-релаксационная поляризация;

Поляризация ядерного смещения;

Остаточная (электретная) поляризация;

Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация;

Пьезоэлектрическая поляризация .

1. Механизмы поляризации

Значение емкости конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд обусловлены несколькими механизмами поляризации, которые различны у разных диэлектриков и могут иметь место одновременно у одного и того же материала.

На рисунке 1 представлена эквивалентная схема диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, можно представить в виде ряда подключенных параллельно к источнику напряжения конденсаторов.

В зависимости от характера химической связи различают следующие 3 основные механизмы поляризации диэлектриков: электронную, ионную и дипольную (ориентационную).

Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и превалирует в кристаллах с ковалентной связью. Под действием внешнего электрического поля P происходит смещение электронов атома относительно его ядра (деформация его электронной оболочки) и возникают индуцированные диполи. Диэлектрические свойства индуцированных диполей относятся к числу резонансных явлений.

Электронный механизм поляризации является наименее инерционным, т.к. масса электрона значительно меньше массы частиц, участвующих в процессе поляризации. Время установления электронной поляризации составляет ≈ 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний .

1. Виды поляризации

3.1 Электронная поляризация

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации. Время восстановления составляет 10 -13 сек.

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерями энергии до резонансных частот. Значение диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией численно равно квадрату показателя преломления света. Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Кривая зависимости от температуры подобна кривой изменения плотности; причем наиболее резкие снижения наблюдаются при переходах вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Переход вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное

а) под напряжением; б) без напряжения;

Рисунок 3 – Поляризация атомов

На рисунке 3 показано графическое изображение поляризации атомов.

Как мы видим орбиты электронов вытягиваются под действием напряжения .

3.2 Ионная поляризация

Ионная поляризация - наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время электронной поляризации весьма мало - на 2 - 3 порядка больше электронной поляризации.

В диэлектриках с ионным типом химической связи под действием электрического поля происходит смещение положительных ионов относительно отрицательных. Время установления ионной поляризации составляет обычно 10 -14 – 10 -15 с. Это означает, что данная поляризация полностью успевает устанавливаться в переменных полях, включая сверхвысокочастотные (10 10 - 10 11 Гц). В то же время в инфракрасной области спектра наблюдается запаздывание в установлении ионной поляризации.

Диэлектрическая проницаемость увеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для керамического материала - электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы .

Рисунок 4 – Ионная поляризация молекулы

На рисунке 4 представлена схема ионной поляризации молекулы.

3.3 Упруго-дипольная поляризация

Во многих диэлектриках имеются молекулы, которые обладают собственным электрическим моментом. При изменении направления ориентации диполей во внешнем электрическом поле возникают упругие возвращающие силы.

В газах и жидкостях полярные молекулы разориентированы за счет теплового движения, так что результирующая поляризация равна нулю. Под действием внешнего поля устанавливается некоторая преимущественная ориентация диполей в направлении поля.

Во внешнем электрическом поле имеет место упругое отклонение дипольных моментов от равновесной ориентации, как это показано на рисунке 5.

Рисунок 5 – Упругий поворот диполя во внешнем поле

Когда диполи связаны достаточно жестко, при наложении внешнего электрического поля происходят упругие изменения в их направлении.

Поляризуемость зависит от электрического момента каждой молекулы, энергии межмолекулярных связей и направления электрического поля. Когда внутреннее и внешнее поля параллельны, поляризуемость равна нулю. Поэтому вклад упругой дипольной поляризации может обуславливать анизотропию диэлектрической проницаемости .

3.4 Ионно-релаксационная поляризация

Наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных веществах с неплотной упаковкой ионов. В этих случаях слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля получают избыточные перебросы в направлении поля, как показано на рисунке 6.

С повышением температуры поляризация значительно увеличивается.

Рисунок 6 – Зависимость потенциальной энергии иона от расстояния при внешнем электрическом поле

В отсутствие внешнего электрического поля все направления перебросов ионов через потенциальный барьер равновероятны. Поэтому распределение ионов равномерно.

Контрольная работа >> Биология

Определяются процессами как электропроводности, так и поляризации . Диэлектрики в электрическом поле Установим метровую деревянную... тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика , т. е. смещение в противоположные стороны разноименных...

Потенциал электростатического поля. Диэлектрики в электростатическом поле

Лекция >> Физика

Поверхности. Диполь в электрическом поле. Поляризация диэлектриков . Напряженность поля в диэлектрике . Электрическое смещение. Работа при... нуля, на поверхности диэлектрика появляются связанные электрические заряды. Поляризация диэлектрика означает, что...

Определение электрической прочности газообразных диэлектриков

Лабораторная работа >> Промышленность, производство

Электроизоляционных материалов. Что называют поляризацией диэлектрика . Какие виды поляризации можно считать мгновенными, а какие...

Расчет электрического поля в диэлектрике

Лекция >> Физика

Раз поле ослабляется за счет поляризации диэлектрика . 3. Условия для E и D на границе двух... , что в целом дипольный момент диэлектрика равен нулю. Поляризация сегнетоэлектрика во внешнем электрическом...