3.2.1. Електричне поле Землі

Електричне поле Землі — електричне поле, що існує між поверхнею Землі та іоносферою (рис. 3.5). Напруженість найбільша біля поверхні Землі, де становить приблизно 130 В/м, і швидко спадає з висотою. На висоті 1 км вона становить приблизно 40 В/м, на висоті 50 км практично нульова. Напруженість електричного поля Землі не постійна. Вона коливається в залежності від часу доби, пори року, але бувають також нерегулярні коливання.

Земля заряджена негативно. Заряд Землі приблизно дорівнює 6·10⁵ Кл. Між поверхнею Землі та іоносферою протікає електричний струм з густиною приблизно 10⁻⁶ мкА/м². Цей струм намагається розрядити Землю. Обернений процес зарядки Землі зумовлений блискавками.

Загалом Землю можна собі уявити, як сферичний конденсатор, обкладки якого два провідні шари — світовий океан та йоносфера.

Рис. 3.5. Електричне поле Землі

20. 3.2.2. Поляризація діелектрика [4]

Поляризація - це процес, що складається в обмеженому зсуві чи орієнтації зв'язаних зарядів у діелектрику під час впливу на нього зовнішнього електричного поля. Позитивні заряди зміщуються в напрямку вектора напруженості поля , у зворотному напрямку (рис. 3.6).

Поляризація приводить до утворення в обсязі діелектрика індукованого електричного моменту, рівного векторній сумі дипольних електричних моментів молекул діелектрика.

Рис. 3.6. Розташування зарядів у поляризованому діелектрику плоского конденсатора:

S – площина обкладки (електрода);

h – відстань між обгортками (товщина шару діелектрика).

Основні види поляризації

1. Електронна поляризація являє собою зсув центра заряду електронної хмари щодо центра позитивно зарядженого ядра під дією зовнішнього електричного поля (рис. 3.7), зміщенню протидіє кулонівське притягання електронів до ядра. Час встановлення електродної поляризації дуже малий (біля 10-15 с), тому вона практично не залежить від частоти електромагнітного поля, не зв'язана з втратою енергії і не залежить від температури. Електронна поляризація спостерігається в усіх видах діелектриків.

Pис. 3.7. Схематичне зображення електронної поляризації: а – неполярний атом за відсутності електричного поля; б – полярний атом за дії електричного поля.

2. Іонна поляризація виникає внаслідок пружного зсуву зв'язаних іонів з положення рівноваги на відстань, менша постійних кристалічних ґрат (рис. 3.8). З підвищенням температури поляризація зростає, оскільки теплове розширення, видаляючи іони друг від друга, послабляє діючі між ними сили взаємодії. Час встановлення іонної поляризації біля 10-13 с. Вона, так само як і електронна, не зв'язана з втратами енергії і не залежить від частоти, аж до частот інфрачервоного діапазону. Іонна поляризація характерна для кристалічних діелектриків іонної структури з щільним упакуванням іонів.

Рис. 3.8. Схематичне зображення іонної поляризації.

Іонна кристалічне решітка:

а – за відсутності електричного поля;

б – за дії електричного поля.

3. Дипольно-релаксаційна поляризація полягає в повороті (орієнтації) дипольних молекул у напрямку зовнішнього електричного поля. Дипольні молекули, що знаходяться в хаотичному тепловому русі, орієнтуються в напрямку зовнішнього електричного поля, створюючи ефект поляризації діелектрика (рис. 3.9). За умови зняття поля, поляризація порушується хаотичним тепловим рухом молекул, а поляризація Р спадає за експонентним законом: , де Р₀ — поляризація у момент зняття напруги, τ_о - постійна часу цього процесу, називаний часом релаксації дипольної поляризації.

Час релаксації — це проміжок часу, протягом якого поляризація діелектрика після зняття поля зменшується внаслідок теплового руху молекул у е >> 2,72 рази від первісної.

Звичайно t має порядок 10^-6-10^-10 с, отже, дипольна поляризація виявляється лише на частотах нижче 10⁶-10¹⁰ Гц. Дипольно-релаксаційна поляризація зв'язана з втратою енергії, оскільки поворот диполів у напрямку поля вимагає подолання деякого опору й істотно залежить від температури.

Рис. 3.9. Схематичне зображення дипольно-релаксаційної поляризації. Розташування дипольних молекул: а – за відсутності електричного поля; б – за дії електричного поля

4. Іонно-релаксаційна поляризація обумовлена зсувом слабко зв'язаних іонів під дією зовнішнього електричного поля на відстань, що перевищує постійну кристалічних ґрат. У цьому виді поляризації виникають втрати енергії і поляризація помітно підсилюється з підвищенням температури. Іонно-релаксаційна поляризація спостерігається в неорганічних кристалічних діелектриках іонної структури з нещільним упакуванням іонів.

5. Міграційна поляризація обумовлена наявністю в технічних діелектриках провідних і напівпровідних включень, шарів з різною провідністю і т.п. За умов внесення неоднорідних матеріалів в електричне поле, вільні електрони й іони, які проводяться і напівпровідникові включення, починають переміщатися в межах кожного включення, утворюючи поляризовані області. Процеси встановлення й зняття міграційної поляризації порівняно повільні і можуть продовжуватися секунди, хвилини і навіть години. Цей вид поляризації звичайно можливий лише на низьких частотах.

6. Мимовільна (спонтанна) поляризація, яка властива сегнетоелектрикам, електронно-релаксаційна поляризація й ін.

Класифікація діелектриків за видом поляризації

Розходження в механізмах поляризації дають можливість підрозділити всі діелектрики на кілька груп.

1. Неполярні діелектрики. До цієї групи відносять діелектрики, що не містять електричних диполів, здатних до переорієнтації в зовнішнім електричному полі. Неполярним діелектрикам властива в основному електронна поляризація. Вони застосовуються як високоякісні електроізоляційні матеріали в техніці високих і надвисоких частот. До них відносять полістирол, поліетилен, бензол, повітря й ін.

2. Полярні діелектрики. У цю групу входять діелектрики, що містять електричні диполі, що здатні до переорієнтації в зовнішнім електричному полі. У полярних діелектриках крім електронної спостерігають і дипольно-релаксаційну поляризацію. Вони мають трохи знижені електричні властивості в порівнянні з неполярними діелектриками і застосовуються як електроізоляційні матеріали в області низьких частот. До них можна віднести полівінілхлорид, епоксидні смоли, лавсан, органічне скло і ін.

3. Діелектрики з іонною структурою. У цю групу входять тверді неорганічні діелектрики з електронною, іонної і іонно-електронно-релаксаційною поляризаціями. Тут виділяють дві підгрупи матеріалів у залежності від величини втрат електричної енергії, що витрачається на поляризацію: а) діелектрики з електронним і іонним видами поляризації, за яких втрат електричної енергії практично немає. До них відносять кварц, слюду та ін.; б) діелектрики з електронним, іонним і релаксаційним видами поляризації, за умови існування яких, є істотні втрати електричної енергії. Наприклад, неорганічне скло, кераміка, мікалекс і ін.

4. Сегнетоелектрики. У цю групу входять матеріали, що володіють насамперед спонтанною поляризацією. До них можна віднести сегнетову сіль, титанат барію (ВаТіО_з) і ін.