Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.pdf
)(ε tf
r
=
Рис. 1.4. Зависимости поляризованности и относительной
диэлектрической проницаемости диэлектриков
с электронной поляризацией
Из зависимости
видно, что с ростом температуры относитель-
ная диэлектрическая проницаемость уменьшается (рис. 1.4в). Это явление связано с уменьшением количества поляризуемых атомов в единице объема диэлектрика из-за его теплового объемного расширения.
Электронная поляризация наблюдается во всех без исключения диэлектриках, подвергающихся воздействию электрического поля.
1.3.2. Ионная поляризация
Ионной называется поляризация, возникающая под действием внешнего
электрического поля и обусловленная смещением ионов относительно положения равновесия на расстояния, меньшие постоянной кристаллической решетки.
Данная поляризация характерна для диэлектриков с ионной структурой
строения и плотной упаковкой ионов. Длительность протекания ионной поляризации составляет около 10
-13
с. Этот вид поляризации осуществляется, как и
электронная поляризация, упруго и без затрат анергии. Зависимости поляризованности и относительной диэлектрической проницаемости от напряженности
электрического поля аналогичны таким же зависимостям при электронной поляризации (рис. 1.4а и 1.4б). Относительная диэлектрическая проницаемость
21
диэлектриков с ионной поляризацией не зависит от частоты электрического по-
r
ε
Ct °,
0=p
ля (рис. 1.4г) и растет с ростом температуры (рис. 1.5).
Возрастание относительной диэлектрической проницаемости с увеличением температуры объясняется ослаблением электрической связи между разноименно заряженными ионами молекул из-за объемного расширения диэлектрика.
Рис. 1.5. Зависимость диэлектрической проницаемости
диэлектрика с ионной поляризацией от температуры
1.3.3. Дипольно-релаксационная поляризация
Дипольно-релаксационная поляризация характерна для диэлектриков,
молекулы которых обладают собственным электрическим дипольным моментом. Механизм поляризации заключается в преимущественной ориентации
электрических моментов диполей диэлектрика в направлении напряженности
внешнего электрического поля.
В отсутствии внешнего электрического поля электрические моменты молекул диэлектрика ориентируются в пространстве хаотично, вследствие чего
его поляризованность
.
Под воздействием электрического поля молекулы начинают поворачиваться в таких направлениях, чтобы их электрические моменты оказались ориентированными по направлению напряженности поля. При повороте молекулы
диэлектрика трутся одна о другую. В результате трения часть энергии поля
преобразуется в тепловую и излучается в окружающее пространство.
Таким образом, дипольно-релаксационная поляризация сопровождается
потерями энергии. Дипольно-релаксационная поляризация связана с передвижением достаточно массивных частиц, обладающих определенной инерционностью. Поэтому она протекает замедленно.
22
Данный вид поляризации относится к числу упругих. После прекращения
P
E
a
r
ε
б
E
r
ε
г
Ct °,
f
r
ε
в
f
0
действия электрического поля поляризованность диэлектрика через определенный промежуток времени уменьшится до нуля, так как тепловое движение молекул приводит к тому, что их электрические моменты окажутся ориентированными хаотически.
Зависимость поляризованности диэлектрика с дипольно-релаксационной
поляризацией от напряженности поля имеет форму, близкую к эллипсу, площадь которого пропорциональна потерям энергии в диэлектрике при его поляризации (рис. 1.6а).
Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков с этим видом поляризации также не зависит от напряженности поля. Это объясняется
тем, что относительная диэлектрическая восприимчивость молекул к дипольнорелаксационной поляризации остается постоянной величиной, не зависящей
от напряженности поля (рис. 1.6б).
Рис. 1.6. Зависимости поляризованности и относительной
диэлектрической проницаемости диэлектриков
с дипольно-релаксационной поляризацией
В области низких частот относительная диэлектрическая проницаемость
остается постоянной и не зависит от частоты поля f. Когда частота поля f превысит значение f
уменьшается. Поворот диполей, обладающих большой массой и инерционно-
, относительная диэлектрическая проницаемость резко
0
стью, требует значительных затрат времени. Если период переменного поля
меньше длительности дипольно-релаксационной поляризации, то молекулы
23
не успевают ориентироваться в направлении действия поля, и процесс поляри-
r
ε
r
ε
зации прекращается (рис. 1.6в). В области высоких частот (f > f
) значение ди-
0
электрической проницаемости в диэлектриках с этим видом поляризации приближается к величине, обусловленной электронной поляризацией.
В температурной зависимости относительной диэлектрической проницаемости наблюдается максимум. Наличие его можно объяснить следующим.
С возрастанием температуры ослабляются молекулярные связи, что облегчает
ориентацию молекул под воздействием поля и способствует увеличению относительной диэлектрической проницаемости. С другой стороны, растет энергия
теплового движения молекул, которая затрудняет поляризацию и вызывает
уменьшение
. В диапазоне низких температур ослабление молекулярных свя-
зей преобладает над увеличением энергии теплового движения, и относительная диэлектрическая проницаемость растет. В области высоких температур решающее влияние на характер изменениям
оказывает увеличение энергии
теплового движения, приводящее к падению значения относительной диэлектрической проницаемости (рис. 1.6г).
1.3.4. Миграционная поляризация
Миграционная поляризация характерна для диэлектриков с неоднородной
структурой строения, у которых имеются вкрапления проводящих и полупроводящих веществ. Механизм поляризации заключается в перераспределении
свободных носителей зарядов и концентрации их на границах раздела диэлектрика и областей с проводящими и полупроводящими веществами.
Этот вид поляризации проявляется в области низких частот и сопровождается интенсивным рассеянием анергии электрического поля.
1.3.5. Электронно-релаксационная поляризация
Наблюдается в диэлектриках с высоким показателем преломления света,
сильным внутренним полем и электронной электропроводностью. К таким диэлектрикам относится двуокись титана, загрязненная примесями Nb+5, Са+2,
Ва+2 и ряд других соединений. При образовании молекулы двуокиси титана
(
TiО2) атом титана вступает в ковалентную связь с двумя атомами кислорода,
отдавая последним по два электрона. Если двуокись титана загрязнена ниобием
+5
(Nb
), то у атома ниобия остается один избыточный электрон после вступления
в ковалентную связь с атомами кислорода. Под воздействием энергии электри-
24
ческого поля избыточный электрон покидает атом ниобия и движется в сторону
положительного электрода. Движущийся электрон захватывается одним
из атомов кислорода, который при этом превращается в отрицательно заряженный анион. Атом ниобия, потерявший электрон, становится положительно заряженным катионом. Таким образом, в результате действия внешнего электрического поля у отрицательно заряженного электрода образуется избыток катионов, а у положительного электрода — избыток анионов, и в диэлектрике
возникает внутреннее электрическое поле.
Зависимости поляризованности и относительной диэлектрической проницаемости от напряженности, частоты поля и температуры такие же, как и
при дипольно-релаксационной поляризации (рис. 1.6).
1.3.6. Ионно-релаксационная поляризация
Суть ионно-релаксационной поляризации заключается в следующем.
В веществах с ионной структурой строения и неплотной упаковкой ионов между ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, существует слабая связь из-за больших расстояний между узлами. Слабо связанные ионы вещества находятся в состоянии теплового хаотического движения. Под воздействием электрического поля они начинают перемещаться в направлении поля.
Зависимости поляризованности и относительной проницаемости при этом
виде поляризации такие же, как и на рис. 1.6. Относительная диэлектрическая
проницаемость увеличивается с ростом температуры вследствие ослабления
межионных связей, вызванного тепловым объемным расширением диэлектрика.
1.3.7. Спонтанная (остаточная) поляризация
Это вид поляризации возникает в диэлектриках, имеющих доменную
структуру строения. Доменом называется область, в пределах которой направление электрических моментов заряженных частиц одинаково и которая обладает собственным электрическим моментом в отсутствии внешнего поля.
Сущность спонтанной поляризации заключается в следующем. При отсутствии поля диэлектрик самопроизвольно разбивается на ряд областей (доменов). Направление электрических моментов доменов такое, что дипольный момент диэлектрика равен нулю.
25
Под воздействием внешнего электрического поля вначале наблюдается
рост объема домена, у которого собственный электрический момент направлен
под наименьшим углом к напряженности этого поля.
Рост домена продолжается до тех пор, пока диэлектрик не приобретет однодоменную структуру строения. При дальнейшем росте напряженности электрического поля начинается процесс ориентации электрических моментов в
направлении действия поля. После окончания ориентации молекул прекращается рост поляризованности диэлектрика с увеличением напряженности поля.
Наступает режим насыщения.
Если теперь уменьшить напряженность поля до нуля, то диэлектрик
не вернется в исходное до начала поляризации состояние. В нем сохранится
остаточная поляризованность (рис. 1.7а).
Остаточная поляризация совершается замедленно и с затратами энергии.
Зависимость поляризованности от напряженности электрического поля
приведена на рис. 1.7а.
Из рисунка видно, что диэлектрикам со спонтанной поляризацией присуще явление гистерезиса, заключающееся в том, что изменение поляризованности диэлектрика отстает от изменения напряженности поля (рис. 1.7а, кривая 1). Площадь петли гистерезиса пропорциональна потерям энергии при поляризации диэлектрика за полный цикл изменения напряженности поля (от Е
до Е
и обратно от –Ет до Ет).
т
т
Нелинейная зависимость поляризованности диэлектрика от напряженности электрического поля (рис. 1.7а, кривая 2) свидетельствует о том, что относительная диэлектрическая проницаемость является функцией напряженности
поля (рис. 1.7б).
Относительная диэлектрическая проницаемость имеет максимальное значение при напряженности поля, соответствующей началу ориентации электрических моментов диэлектрика (рис. 1.7а и 1.7б).
26
P
E
a
r
ε
в
T
f
r
ε
б
f
n
1
2
T
K
r
ε
Рис. 1.7. Зависимости поляризованности и относительной
диэлектрической проницаемости диэлектрика
со спонтанной поляризацией
Из рис. 1.7в видно, что относительная диэлектрическая проницаемость
имеет максимум при температуре, называемой точкой Кюри. В области температур выше точки Кюри наблюдается резкое уменьшение
из-за разрушения
доменной структуры. При этом в диэлектрике сохраняется только электронная
и ионная поляризации.
1.4. Обобщенная схема замещения диэлектрика
В реальном диэлектрике могут существовать несколько видов поляризации одновременно в зависимости от его химического состава, структуры строения и наличия примесей проводящего и полупроводящего характера. Поэтому
при анализе процессов, происходящих в диэлектрике, последний представляют
в виде электрической схемы замещения (комбинации определенным образом
соединенных активных сопротивлений и емкостей). Условием эквивалентности
схемы замещения и реального диэлектрика является равенство активной мощности и суммарной емкости схемы мощности потерь и емкости реального диэлектрика.
Если условно принять, что в диэлектрике существуют все возможные виды поляризации, а также, что через него протекают токи сквозной проводимости, то схема замещения имеет вид, изображенный на рис. 1.8. Схема замеще-
27
ния состоит из ряда параллельных ветвей. Каждая из них учитывает потери
C
0
R
СП
C
g
C
И
R
gп
C
gп
R
эр
C
эр
R
ИР
C
ИР
R
П
C
М
R
С
C
С
энергии и емкость, создаваемую за счет поляризации определенного вида.
Рис. 1.8. Обобщенная схема замещения диэлектрика
В этой схеме:
С
— емкость в вакууме;
0
R
— активное сопротивление, учитывающее потери в диэлектрике
сп
за счет тока сквозной проводимости, возникающего в нем из-за наличия примесей проводящего и полупроводящего характера;
С
— емкость, обусловленная электронной поляризацией;
э
С
— то же при ионной поляризации;
И
С
, Rдр — емкость и сопротивление, учитывающие наличие рассеяния
др
энергии при дипольно-релаксационной поляризации;
С
, Rэр — то же при электронно-релаксационной поляризации;
эр
С
, Rир — то же при ионно-релаксационной поляризации;
ир
, RM — емкость и сопротивление, обусловленное наличием рассеяния
С
т
энергии за счет миграционной поляризации;
С
, Rс — то же при спонтанной поляризации.
с
Отсутствие активных сопротивлений в ветвях, содержащих емкости С
С
, объясняется тем, что электронная и ионная поляризации осуществляются
и
э
и
без потерь энергии [10].
На основе обобщенной схемы замещения могут быть получены схемы
замещения любого реального диэлектрика. С этой целью в схеме замещения
сохраняются только те параллельные ветви, в которых содержатся емкости и
сопротивления, обусловленные теми видами поляризации, которые протекают
в диэлектрике под воздействием электрического поля.
28
1.5. Относительная диэлектрическая проницаемость
,1
ε
ε
0
+
⋅⋅
⋅
=
Tk
xp
r
r
r
ε
r
TK
ε
1.5.1. Относительная диэлектрическая проницаемость
газообразных диэлектриков
Газообразные диэлектрики характеризуются весьма малыми плотностями, т.е. малым количеством молекул, поляризуемых в единице объема. По этой
причине относительная диэлектрическая проницаемость газообразных диэлектриков невелика и близка по значению к единице. Газообразные диэлектрики
делятся на нейтральные и полярные.
У нейтральных газообразных диэлектриков наблюдается только электронная поляризация.
У полярных диэлектриков, помимо электронной, существует еще и дипольно-релаксационная поляризация. Необходимо отметить, что у полярных
газов наблюдается преобладание электронной поляризации над дипольнорелаксационной. Поэтому значение относительной диэлектрической проницаемости незначительно отличается от относительной диэлектрической проницаемости нейтральных газов.
Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от различных внешних факторов описывается уравнением:
(1.8)
где х
мость прямо пропорциональна давлению газа и обратно пропорциональна его
температуре.
— диэлектрическая восприимчивость газа к электронной поляризации;
r
k — постоянная Больцмана;
p — давление газа, Па;
T — температура, К.
Из равенства (1.8) видно, что относительная диэлектрическая проницае-
Для оценки температурной зависимости
кой, называемой температурным коэффициентом диэлектрической проницае-
:
29
мости
пользуются характеристи-
.
ε
ε
ε
r
r
dТ
d
ТК
r
=
После подстановки из (1.8) в (1.9) значения и дифференцирования
.
1ε
ε
2
0
e
ε
Т
Тk
pх
ТК
r
r
−
−=
⋅⋅
⋅−
=
r
ε
по температуре Т получим:
Из формулы (1.10) видно, что температурный коэффициент относитель-
(1.9)
(1.10)
ной диэлектрической проницаемости отрицателен. Следовательно, величина ε
газообразного диэлектрика с ростом температуры уменьшается. Относительная
диэлектрическая проницаемость газов зависит от влажности. Это объясняется
тем, что вода является сильно полярным диэлектриком с большим значением
ε
≈ 80. Поэтому наличие паров влаги в газе приводит и к существенному воз-
r
растанию его ε
Жидкие диэлектрики, как и газообразные, можно подразделить на
нейтральные и полярные.
В нейтральных жидких диэлектриках наблюдается только электронная
поляризация. Из-за большей, чем у газов, плотности относительная диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков несколько выше, чем у газообраз-
, особенно при повышенной температуре.
r
1.5.2. Относительная диэлектрическая проницаемость
жидких диэлектриков
r
ных диэлектриков, но не превышает значения, равного 2,5. С возрастанием
температуры величина
Когда температура достигает значения, равного температуре кипения t
го диэлектрика, относительная диэлектрическая проницаемость уменьшается.
Это явление связано с переходом диэлектрика из жидкого агрегатного состояния в газообразное, сопровождающимся уменьшением плотности (уменьшение
числа поляризующихся молекул в единице объема вещества). Так как в
нейтральных жидких диэлектриках возможна только электронная поляризация,
то зависимости относительной диэлектрической проницаемости неполярного
нейтрального жидкого диэлектрика уменьшается.
жидко-
к
30