ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
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.
Дата добавления: 2020-07-18; просмотров: 316;