Билет №5. Спонтанная поляризация. Точка Кюри.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация наблюдает­ся у ceгнетоэлектриков (по названию сегнетовой соли NaKC₄H₄O₆4H₂O – первого вещества, в котором было обнаружено это явление).

В сегнетоэлектриках имеются отдельные области (домены), обладающие элект­рическим моментом в отсутствии внешнего поля. Однако ори­ентация электрических моментов в разных доменах различная, и результирующий момент равен нулю (рис. 2.10, а). Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических момен­тов отдельных доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации (рис. 2.10, б).

а) б)

Рис 2.10 Ориентация электрических моментов в доменах в отсутствии

электрического поля (а) и при его приложении (б).

Одним из основных параметров сегнетоэлектриков является сегнетоэлектрическая точка Кюри (Т_к)– температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагреве) спонтанная поляризация. Выше точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического в пароэлектрическое состояние (рис. 2.11).

Рис 2.11 Температурная зависимость диэлектрической проницаемости

в сегнетоэлектриках.

Билет №6. Поляризация. Эквивалентная схема замещения технического диэлектрика.

Технические диэлектрики, применяемые в современных сис­темах изоляции, обладают, как правило, не одним, а одновремен­но несколькими видами поляризации. Следовательно, емкость конденсатора с диэлектриком обусловливается суммой различных механизмов поляризации. На рис. 2.12 показана схема замещения технического диэлектрика, обладающего различными механизма­ми поляризации в электрическом поле.

Рис 2.12 Эквивалентная схема технического диэлектрика.

Схема состоит из параллельно включенных емкостных (С) и ак­тивно-емкостных (R-С) цепочек. Емкость С_о и накопленный на ней заряд Q_о соответствуют геометрической емкости и заряду электродов (когда между ними нет диэлектрика, т.е. емкости и заряду электродов в вакууме). Емкости С_э и С_и соответствуют электронной и ионной поляризациям соответственно.

Емкость С_др и сопротивление R_др соответ­ствуют дипольно-релаксационной поляризации. Этот вид поляризации связан с потерей энергии поля, что отражено включенным последовательно с емкостью С_др активным сопротивлением R_др.

Емкость С_ир и сопротивление R_ир соответствуют ионно-­релаксационной поляризации, а С_эр и R_эр - электронно-релак­сационной поляризации. Емкость С_м и сопротивление R_м соот­ветствуют миграционной поляризации, а С_с и R_с - спонтан­ной поляризации (цепочка R_сп-C_сп изображена пунктиром – что показывает, что данный вид поляризации возможен только в сегнетоэлектриках).

Все емкости эквивалентной схемы зашунтированы сопротивлением R_из, представляющим собой сопротивление изоляции сквозной составляющей тока утечки I_скв через диэлектрик. Как правило ток I_скв очень мал и сопротивление изоляции R_из состав­ляет десятки и сотни МОм.

Билет №7. Ток утечки и его составляющие. График зависимости тока утечки от времени.

В идеальном случае диэлектрики, при приложении напряжения, не должны пропускать электрический ток (т.е. удельное сопротивление их должно быть бесконечно большим). Однако применяемые на практике технические диэлектрики пропускают некоторый, обычно незначительный, ток называемый током утечки I_ут. Этот ток представляет собой сумму 2-х токов: сквозного тока I_скв и тока абсорбции I_абс:

. (3.1)

Сквозной ток I_скв представляет собой направленное перемещение, под действием приложенного напряжения, свободных заряженных частиц и обусловлен, главным образом, передвижением ионов. У некоторых материалов при определенных условиях он может быть вызван, также, наличием свободных электронов (электронная проводимость наиболее заметна при сильных электрических полях).

Величина I_скв в сильной степени зависит от качества изоляционного материала и наличия в нем примесей. Очень малые количества примесей заметно влияют на электропроводность, поэтому в процессе производства электроизоляционных материалов важна исключительная чистота исходных материалов и технологических процессов.

Ток абсорбции I_абс можно представить как результат протекающих в диэлектрике медленных видов поляризации:

, (3.2)

где I_i - активная составляющая тока, обусловленная -м видом поляризации, N- количество медленных видов поляризации в рассматриваемом диэлектрике.

При работе диэлектрика на постоянном напряжении поляризационные токи (I_абс) протекают лишь в короткие промежутки времени после включения и выключения напряжения (рис. 3.1). У большинства диэлектриков время существования тока абсорбции не превышает долей секунды, но в некоторых случаях оно может достигать десятков секунд и больше. На практике, в ходе электрических измерений, время протекания поляризационных процессов принимают равным одной минуте, после чего считается, что в диэлектрике остается лишь I_скв.

Рис. 3.1. Зависимость тока утечки I_ут от времени воздействия постоянного

напряжения.

При переменном напряжении ток в диэлектрике обычно на несколько порядков превышает ток сквозной электропроводности (I_ут >> I_скв), так как при изменении полярности приложенного напряжения основную роль играют поляризационные процессы (I_абс). Вследствие этого может создаться ошибочное представление о высокой проводимости изоляционного материала. Чтобы это исключить, в большинстве инженерных задач измерение сопротивления изоляции R_из проводят на постоянном напряжении.

, (3.3)

где U – приложенное к диэлектрику напряжение, I_ут – ток утечки, измеренный через 1 минуту после подачи напряжения.

Иногда, если диэлектрик длительно находится под напряжением, то ток утечки I_ут с течением времени может уменьшаться или увеличиваться (рис. 3.1, кривые 1, 2). Уменьшение тока утечки (кривая 1) свидетельствует о том, что электропроводность материала была в большой степени обусловлена ионами посторонних примесей, которые нейтрализовались вблизи электродов. Это явление носит название электрической очистки образца. Увеличение тока со временем (кривая 2) свидетельствует об участии в нем зарядов, являющихся структурными элементами самого материала, и о протекающем в диэлектрике необратимом процессе электрического старения, которое постепенно может привести к разрушению диэлектрика - его пробою.