2.3. Виды поляризации

В зависимости от строения диэлектрика различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную, ионно-релак-сационную, дипольно-релаксационную, миграционную, электронно-релаксационную, самопроизвольную (спонтанную), резонансную. Наиболее часто встречаются первые пять видов поляризации.

Вид поляризации в первую очередь зависит от того, какие части­цы диэлектрика, смещаясь, вызывают поляризацию, а также на ка­кие расстояния они смещаются. Все частицы диэлектрика, способ­ные смещаться (заряженные частицы) или ориентироваться (диполи) под действием внешнего электрического поля, вызывая при этом по­ляризацию, можно объединить в две группы: упруго (сильно) связан­ные и слабо связанные.

Упруго связанные частицы (заряды) имеют одно положение рав­новесия, около которого они совершают тепловые колебания, и под действием приложенного поля они смещаются на небольшие рас­стояния: электроны смещаются в пределах атома (иона), атомы — в пределах молекулы, ионы — в пределах элементарной ячейки и т.д.

Слабо связанные частицы (например, ионы в неплотно упакован­ной кристаллической решетке, в аморфном теле или на дефектах, а также диполи) имеют несколько положений равновесия, в которых они в отсутствие электрического поля могут находиться равноверо­ятно. Переход слабо связанных частиц из одного равновесного поло­жения в другое осуществляется под действием флуктуации теплового движения. Слабо связанная частица какое-то время колеблется око-52

оложения равновесия, затем под действием флуктуации скачком ^Л° яет это положение равновесия на другое. Время нахождения час-^МС ы в определенном положении равновесия зависит от высоты по-™ пиального барьера между данными положениями равновесия. Электрическое поле придает направленный характер этим перехо-

. положительно заряженные частицы смещаются по полю, а от-иц'ательно заряженные — против поля. Смещение слабо связанных частиц происходит на гораздо ббльшие расстояния, чем смещение упруго связанных частиц (зарядов).

Все виды поляризации подразделяются на упругие (деформацион-_ные\ _ обусловленные упруго связанными частицами (зарядами), и релаксационные — обусловленные слабо связанными частицами (за­рядами).

К деформационным видам поляризации относятся электронная и ионная. Они устанавливаются упруго, практически мгновенно и без рассеяния энергии приложенного электрического поля — без ди­электрических потерь (см. гл. 4.1).

Электронная поляризация заключается в упругом смещении (де­формации) электронных оболочек атомов (ионов) относительно ядра (рис. 2.5) и имеет место во всех диэлектриках. Время установ­ления этой поляризации чрезвычайно мало (т = 10~¹⁴—10~¹⁵ с), по­этому она наблюдается на всех частотах, включая оптические (т = 10'²—10¹⁵ Гц). Электронная поляризуемость ос_э не зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного напряжения (а_э ф (p(T,f)), a с увеличением размера атома (иона) возрастает; а_э = л³, где г — радиус атома (иона).

Ионная поляризация наблюдается в кристаллических и аморф­ных телах ионного строения (в кварце, слюде, асбесте, стекле и т.п.) и заключается в смещении упруго связанных ионов под дейст­вием приложенного поля на расстояния, меньшие постоянной ре­шетки, т.е. в упругой деформации решетки (у аморфных веществ — апериодической сетки). На рис. 2.6 схематически показана ионная поляризация NaCl, имеющего кубическую решетку. Время установ­ления ионной поляризации порядка 10~¹²— 10~¹³с, поэтому она име­ет место на всех частотах до оптических включительно. Ионная по­ляризуемость а_и не зависит от частоты приложенного напряжения,

^с- 2.5. Схематическое изображение электронной поляризации

Рис. 2.6. Механизм ионной поляриза­ции на примере NaCl (схематически)

53

'-2 '

Рис. 2.7. Зависимость ионной а_и (2) и ионно-релаксационной а_ир (/) поляризуемости от тем­пературы (схематически)

Рис. 2.8. Схематическое изображение

ионно-релаксационной поляризации на

примере CsCI:

/ — подрешетка ионов цезия Cs⁺; 2 — подре-шетка ионов хлора С1~

но с повышением температуры линейно возрастает (рис. 2.7, 2), так как происходит ослабление упругой связи между ионами; а_и = 2q²/k_CB,rac q — заряд иона; /с_св — коэффициент упругой связи между ионами. Чем слабее связь между ионами и чем выше их заряд (валентность), тем больше сс_и.

Ионную поляризацию можно рассматривать как частный случай атомной поляризации. Наиболее часто молекула диэлектрика состоит из атомов различных химических элементов, имеющих соответствен­но различную электроотрицательность. Образующиеся ковалентные связи между этими атомами имеют различную полярность, а сами атомы фактически несут на себе положительный или отрицательный заряд той или иной величины (см. гл. 1.4). Поэтому под действием внешнего электрического поля все атомы молекулы смещаются из своих равновесных положений в пределах молекулы, обусловливая атомную поляризацию.

Релаксационными видами поляризации являются: ионно-релак­сационная, дипольно-релаксационная, миграционная, электронно-релаксационная, самопроизвольная (спонтанная) и резонансная. Они протекают замедленно и с поглощением энергии приложенного поля, обусловливая тем самым диэлектрические потери (см. гл. 4.1).

Ионно-релаксационная поляризация имеет место в неорганических стеклах и в ионных кристаллах с неплотной упаковкой решетки ио­нами (в электротехнической керамике, асбесте, мраморе и т.п.). Этот вид поляризации заключается в некотором упорядочении, вносимом электрическим полем в хаотический тепловой переброс слабо свя­занных ионов. Слабо связанными ионами являются собственные ионы диэлектрика, находящиеся в узлах решетки вблизи вакансий, ионы примеси и т.п. На рис. 2.8 схематически изображена ионно-релаксационная поляризация на примере CsCI, имеющего неплотно упакованную решетку ионами. Одним из видов теплового движения слабо связанных ионов является их переброс из узлов решетки в ва­кансии.

54

В отсутствие электрического поля слабо связанные ионы, со­ тая тепловые колебания, временах ~ "" ~—-— "явновесного положения в другое. При

шихся в одном направлении, будет равно числу ионов, перемес-

пщая тепловые колебания, временами перескакивают из одного вновесного положения в другое. При этом число ионов, перемес­тившихся в одном направлении, б; тившихся в обратном направлении. Если к диэлектрику приложить

электрическое поле, то переброс слабо связанных ионов приобретет направленный характер: положительные ионы начнут перемещаться по полю, а отрицательные — против поля. Ионы, перемещаясь на расстояния, превышающие постоянную решетки, не становятся сво­бодными и, следовательно, не обусловливают электропроводности. Закрепляясь на некотором расстоянии друг от друга, они образуют в диэлектрике положительный и отрицательный пространственные за­ряды, которые обусловливают ионно-релаксационную поляризацию. Поляризуемость а_ир, присущая этому виду поляризации, в первом приближении равна а_ир = q²A²/l2kT, где q — заряд иона; А — рас­стояние, на которое в среднем перемещаются ионы. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам рав­новесия (обычно к новым).

Ионно-релаксационная поляризация проявляется в диапазоне частот от постоянного напряжения до 10⁶—10¹⁰ Гц. С увеличением температуры ионно-релаксационная поляризуемость <х_ир нелинейно возрастает (см. рис. 2.7, 1) в результате ослабления связи между ио­нами и, главным образом, увеличения числа ионов, участвующих в этом виде поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается только в ди­электриках молекулярного строения (газообразных, жидких и твер­дых) полярных, т.е. в таких диэлектриках, молекулы которых в отсут­ствие внешнего поля имеют постоянный дипольный момент ц (например, в полихлордифениле, канифоли, ПВХ и т.п.). Соответст­вующая поляризуемость а_др описывается формулой а_др = \х^г/(ЪкТ).

Дипольно-релаксационная поляризация заключается в том, что под действием внешнего электрического поля становится более упо­рядоченным положение полярных молекул (диполей), непрерывно совершающих хаотическое тепловое движение (рис. 2.9). Этот вид поляризации зависит от температуры и частоты приложенного на­пряжения. С повышением температуры в результате ослабления межмолекулярных связей увеличивается ориентация диполей в на-Равлении электрического поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризуемость а_др возрастает (рис. 2.10, участок 1-2). Однако с по-'Шением температуры возрастает и энергия хаотического теплового ижения диполей, и выше некоторой температуры Т_м дезориенти-УЮщее действие теплового движения начинает преобладать над _н^?^ентиРУющим действием электрического поля. Поэтому при даль-₃ ^Шем нагревании (при Т> Т_и) дипольно-релаксационная поляри-

мость а_др уменьшается (участок 2-3). Таким образом, при нагрева-_Сн % возрастает, проходит через температурный максимум и далее

55

а

А

•др

Рис. 2.9. Схематическое изображение Рис. 2.10. Зависимость дипольно-релак-дипольно-релаксационной поляризации сационной поляризуемости а_др от тем­пературы Т

Положение температурного максимума дипольно-релаксаци­онной поляризуемости а_др с увеличением частоты напряжения сме­щается в область более высоких температур (возрастает Т_ы).

Дипольно-релаксационная поляризация имеет место в полярных диэлектриках, находящихся в газообразном, жидком или твердом аморфном состоянии. В диэлек­триках кристаллических ос,™ может наблюдаться только при температурах выше темпе­ратуры плавления. При Т<Т_пл в кристаллах диполи настолько прочно закреплены на своих местах, что ориентация их в электрическом поле затруднена и поэтому а_др не наблюдается в обычном виде. В кристаллических телах с неплотной упаковкой молекул (например, у льда — лед плавает в воде) а_др наблюдается. Дипольно-релак­сационная поляризация существует также в кристаллизующихся полимерах за счет ре­лаксации сегментов в аморфных областях и полярных групп.

Продолжительность установления дипольно-релаксационной по­ляризации называется временем релаксации т диэлектрика и опреде­ляется из формулы

(2.28)1

т = т₀ ехр^Ж,/кТ),

где т₀ — период теплового колебания молекулы; fV_p — энергия акти-1 вации процесса релаксации. '

Если т больше, чем время полупериода приложенного перемен­ного напряжения, то диполи не успевают ориентироваться вслед за изменяющимся полем, и дипольно-релаксационная поляризация соответственно не наблюдается (подробно см. гл. 4.3.2.). Так как т₀ полярных диэлектриков обычно имеет значение 10~⁶— 10~^1Ос, то ди­польно-релаксационная поляризация проявляется только на часто­тах ниже 10⁶—10¹⁰ Гц. При более строгом определении под т следует понимать время, в течение которого после внезапного снятия внеш­него поля электрический момент единицы объема диэлектрика уменьшается в е (~2,7) раз.

В полимерах в результате особенностей их строения и поведения в электрическом поле дипольно-релаксационная поляризация мо­ жет проявляться в виде двух основных разновидностей: дипольно- сегментальной и дипольно-групповой. я,

56

Дипольно-сегментальная поляризация обусловлена подвижностью гментов — отрезков молекулярных цепей, состоящих из десятков и ^се'_е сотен и тысяч химических звеньев, и заключается в создании ^д _еКТрическим полем некоторой упорядоченности в положении сег­ментов, непрерывно совершающих хаотическое тепловое движение. Этот вид поляризации наблюдается при температурах выше темпера­туры стеклования Т_с в полимерах как полярных, так и неполярных; у последних — в результате наличия дефектов в молекулярных цепях (карбонильных групп, ответвлений цепей и т.п.). Дипольно-сегментальная поляризация имеет место в аморфных полимерах, а У кристаллизующихся — в аморфных областях, в результате сегмен­тального движения в длинных петлях, свободных концах и проход­ных макромолекулах (см. рис. 1.12, 2).

Дипольно-групповая поляризация наблюдается в полярных полиме­рах и обусловлена ориентацией полярных групп и боковых ответвле­ний молекулярных цепей под действием приложенного напряжения. Под полярными группами понимают атомы или группы атомов: — С1, -F, -ОН, >СО, -СОН, -СООН, -NH₂, -NO₂ -О-О- и т.п., -имеющие неуравновешенную ковалентную полярную связь и вызы­вающие возникновение дипольного момента в макромолекулах по­лимеров. Боковые ответвления участвуют в поляризации, так как имеющиеся концевые метальные группы —СН₃ обладают дипольным моментом (см. табл. 1.2). Время релаксации т полярных групп и боко­вых ответвлений меньше т сегментов, поэтому они сохраняют под­вижность при температурах, ниже температуры стеклования T_Q, когда сегментальное движение отсутствует. В результате меньшего значения т дипольно-групповая поляризация проявляется при более высоких частотах, чем дипольно-сегментальная, поэтому эти виды поляризации иногда называют соответственно высокочастотной и низкочастотной. Характер зависимости поляризуемостей дипольно-сегментальной (а_дс) и дипольно-групповой (а_дг) от температуры и частоты приложенного напряжения такой же, как и у дипольно-Релаксационной поляризуемости а , разновидностью которой они являются.

С увеличением частоты напряжения максимум а_дг более интен­сивно смещается в сторону высоких температур, чем максимум а_лс. Поэтому в области высоких температур (сверхвысоких частот) мак­симумы а_дг и а_дс сближаются вплотную, и на кривых г(Т), е(/) будет Роявляться один релаксационный максимум.

Миграционная поляризация наблюдается в твердых диэлектриках с

^акРоскопически неоднородной структурой (например, в слоистых

_л^^{ериалах}), а также в диэлектриках, содержащих проводящие и по-

УПроводящие включения (например, поры, заполненные влагой).

сто ^{ВНесении в} электрическое поле диэлектрика, имеющего слои-

_Эл ^{е Ст}Роение (например, гетинакс, текстолит), в результате разной

_Пр ^Ропроводности различных слоев, на границе их раздела и в

д_в ^Электродных объемах, начнут накапливаться заряды медленно

^УЩихся ионов, и возникнет межслойная поляризация. Аналогич-

57

Рис. 2.11. Модель миграционной поляризации

ная картина имеет место в поликристаллических телах, когда на гра­ницах кристаллитов (зерен) образуются пространственные заряды (рис. 2.11). Перемещение электронов и ионов в пределах каждого проводящего и полупроводящего включения под действием прило­женного поля образует большие поляризационные области, Межслойная поляризация и образовавшиеся поляризационные области и обусловливают миграционную поляризацию.

У миграционной поляризуемости а_м время релаксации т до­вольно большое, поэтому соответствующая ей поляризация прояв­ляется на весьма низких частотах (до 0,5 кГц) и вызывает у мате­риала увеличение диэлектрической проницаемости и особенно диэлектрических потерь tg5. С уменьшением частоты напряжения, а также с увеличением температуры а_м возрастает. Увлажнение ди­электрика приводит к существенному возрастанию его емкости на низких частотах (например, 2 Гц) в результате возникновения и роста миграционной поляризации. Путем измерения значений ем­кости электроизоляционных конструкций на различных частотах (или при различных температурах) можно определить степень их увлажнения.

На частотах в несколько герц и при постоянном напряжении миграционная по­ляризация сильно возрастает, и значения е и С изоляции достигают больших значе­ний. На этом принципе основан метод диагностики степени увлажненности изоля­ции различных электротехнических изделий (кабелей, сухих и маслонаполненньв трансформаторов и т.д.). Согласно этому методу, емкость изделий измеряют, напри­мер, на частотах 2 и 50 Гц и находят соответственно емкости Cj/C^. Установлено, что у сухой изоляции C₂/C_so близко к единице (меньше 1,2). Если С₂/С₅₀ > (1,2—1,3). значит изоляция увлажнена, и требуется ее сушка. Отношение С₂/С₅о зависит от тем­пературы: с понижением температуры — уменьшается. Поэтому измерение значений С₂ и С₅о нужно производить при 20°С. Если измерить емкость на частоте 50 Гц пр* 20'С (С₂₀) и 70°С (С₇₀), то по отношению С_7О/С₂о можно судить о степени увлажне­ния. У относительно сухой изоляции отношение С₇₀/С_м 2 1,1, а у недопустимо S* лажненной — >1,1.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбУ' жденных тепловой энергией избыточных электронов или дырок, рас положенных на дефектах. В некоторых диэлектриках электроны СП"' собны перемещаться вблизи дефектов (с которыми они связаны) $ расстояния, равные одному или нескольким межатомным расстоЯ' ниям. Этот вид поляризации обычно наблюдается в диэлектриках' большим внутренним полем и электронной проводимостью (напри' мер, у многих видов титаносодержащей керамики). У диэлектрик^

58

лектронно-релаксационной поляризуемостью ос_эр и соответствую-^С им видом поляризации диэлектрическая проницаемость обыч-

имеет высокое значение, которое уменьшается с увеличением ^н _тоТЫ напряжения. На температурной зависимости проявляется максимум.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует только в нелинейных диэлектриках — сегнетоэлектриках и рассматривается в

^гл- ^7Л5Л-

Резонансная поляризация наблюдается в диэлектриках в области

СВЧ и оптических частот, когда частота приложенного поля совпа­дает с одной из частот собственных колебаний молекул, атомов, образующих молекулы, их валентных электронов. При резонансе сильно возрастает поглощение энергии, распространяемой электро­магнитной волной. Резонансная поляризация имеет большое значе­ние для теории и практики распространения радиоволн в диапазоне СВЧ и оптических частот. В результате резонансной поляриза­ции молекул кислорода и водяных паров на некоторых дискрет­ных частотах в области от 10¹⁰ до 10¹⁵ Гц наблюдается сильное зату­хание распространяющейся радиоволны вследствие поглощения ее энергии.