Снятие поляризационной характеристики диэлектрика и её зависимости от температуры

Цель работы: Снять экспериментально кулон-вольтовую характеристику нелинейного конденсатора q(u) при различных температурах. При одном из значений температуры рассчитать и построить поляризационную характеристику диэлектрика Р(Е), и зависимость относительной диэлектрической проницаемости от напряжённости электрического поля (Е).

Общие сведения:

Обратимое поглощение энергии диэлектриком при создании электрического поля связано с определенным состоянием, которое характеризуется изменением формы орбит электронов в атомах или ионах (в зависимости от структуры диэлектрика). В электрическом поле электроны будут испытывать притяжение со стороны положительных зарядов одного из электродов и отталкивание со стороны отрицательных зарядов другого, в силу чего произойдет некоторое смещение их по направлению к положительному электроду. Это смещение электронов внутри атомов или ионов называется электронной поляризацией. Она превращает каждый атом или ион в диполь, так как центры положительного и отрицательного зарядов уже не будут совпадать и между ними появится некоторое расстояние l.

Большинство диэлектриков характеризуется линейной зависимостью электрического смещения от напряженности электрического поля, созданного в диэлектрике. Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно, обнаруживая насыщение при некотором значении напряженности поля. Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками. Наименование «сегнетоэлектрик» связано с тем, что нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли.

Поляризованная частица будет обладать элементарным электрическим моментом, определяющим уравнением:

µ=q∙l (4.9)

где q- элементарный заряд

Сумма элементарных электрических моментов в единице объема данного поляризованного диэлектрика численно определяет собой так называемую интенсивность поляризации или поляризованность, которая в большей степени зависит от плотности тела.

В газах обладающих очень малой плотностью, электронная поляризация сравнительно слаба. Этим объясняется тот факт, что у всех газов диэлектрическая проницаемость очень мало отличается от единицы и в небольшой степени зависит от плотности. В жидких и твердых телах интенсивность электронной поляризации значительно выше.

С увеличением температуры поляризованность при электронной поляризации уменьшается за счет расширения тела.

Диэлектрическая проницаемость при электронной поляризации не зависит от частоты: даже при очень малой продолжительности половины периода электроны успевают сместиться до предела, поэтому для завершения поляризации требуется очень небольшое время, порядка 10^-15-10^-16 сек. Смещение электронов при электронной поляризации носит чисто упругий характер, и при исчезновении электрического поля – при разрядке конденсатора – электроны возвращаются в свое исходное состояние, причем весь процесс происходит без необратимого поглощения энергии. Энергия, израсходованная при создании электрического поля за счет электронной поляризации, т.е. энергия заряженного конденсатора, вся освобождается в процессе разряда – в процессе распада электрического поля.

Кроме электронной поляризации, в некоторых твердых диэлектриках может быть и другой вид поляризации – ионная характерна для ионных кристаллов. Сущность данной поляризации заключается в смещении ионов электрическим полем: положительных в сторону отрицательного электрода, отрицательных – в сторону положительного иона. Это смещение происходит на незначительные расстояния от положения равновесия при отсутствии электрического поля и носит упругий характер. Однако, в ионных кристаллах с рыхлой структурой, т.е. с неплотной упаковкой частиц, когда расстояние между ионами в узлах кристаллической решетки велики по сравнению с радиусами самих ионов, смещение последних может быть довольно велико. При этом возникают значительные суммарные электрические моменты в единице объема и наблюдается значительное возрастание емкости. Следовательно, такой диэлектрик будет иметь диэлектрическую проницаемость, намного превосходящую ее значение, обусловленное одной электронной поляризацией. Г.И. Сканави, изучая явление ионной поляризации, обнаружил у минирала перовскита диэлектрическую проницаемость, равную 160. Позднее им же были получены керамические материалы, у которых вследствие интенсивной поляризации ионного смещения диэлектрическая проницаемость имеет еще большее значение. Указанные материалы представляют большой интерес для практики, так как дают возможность получать конденсаторы с большой удельной емкостью в единице объема.

Время установления ионной поляризации несколько больше, чем электронной, что объясняется большей массой ионов. Однако оно достаточно мало, чтобы обеспечить практическую независимость соответствующей диэлектрической проницаемости от частоты.