3.1 Поляризация, электропроводность, диэлектрические потери, проницаемость

Диэлектрики – вещества, у которых запрещенная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует.

Подразделяются на электроизоляционные и активные.

Электроизоляционные – применяются для создания электрической изоляции между различными токоведущими частями.

Активные – применяются для усиления, генерации и преобразования сигнала. По агрегатному состоянию подразделяются: жидкие, газообразные и особая группа – твердеющие, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но в процессе изготовления изоляции отверждаются и в период эксплуатации представляют собой твердые вещества, например, лаки.

По химической основе подразделяются: органические, неорганические, элементоорганические (промежуточные). Органические содержат углерод.

Поляризация. Это процесс, состоящий в органичном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него внешнего электрического поля, что приводит к образованию в объеме диэлектрика индуцированного электрического момента, равного векторной сумме дипольных электрических моментов молекул.

Интенсивность поляризации определяется поляризованностью (Р), измеряемой Кл/м². Если электрическое поле однородное, то все молекулы ориентированы параллельно.

Линейные и нелинейные диэлектрики. Линейные – поляризованность пропорциональна напряженности электрического поля. Нелинейные (сегнетоэлектрики) нет прямой пропорциональности.

Виды поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, самопроизвольная и др.

Электронная поляризация. У рода диэлектриков (H₂, N₂, O₂, CH₄) молекулы имеют симметричное строение, т.е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствии внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называют неполярными. Под воздействием электрического поля заряды смещаются в противоположные стороны и молекула приобретает дипольный момент.

Электронная поляризация происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках. Поляризация усиливается за очень короткое время после наложения электрического поля – порядка с, что сравнимо с периодом световых колебаний, т.е. она проявляется во всех частотах, не связана с потерей энергии и не зависит от температуры. При увеличении размеров атома поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки, но и возрастает заряд ядра.

Ионная поляризация. Она возникает вследствие упругого смещения связанных ионов из положения равновесия на расстояние, меньшее постоянной кристаллической решетки.

Центры положительных и отрицательных зарядов ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент. Длительность поляризации больше электронной и составляет с. Ионная проявляется в веществах многовалентных полярных, где ионы слабо связаны друг с другом (NaCl, КСl, КВr).

Дипольно-релаксационная поляризация. Заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении электрического поля.

а) б)

а) – при отсутствии электрического поля; б) – при воздействии электрического поля

Рисунок 2.1 - Схематическое изображение дипольной поляризации

Из рисунка видно, что при воздействии электрического поля дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего электрического поля, создавая эффект поляризации диэлектрика. При снятии поля поляризация нарушается беспорядочным тепловым движением молекул, а поляризованность Р спадает по экспоненциальному закону какое-то время называемое временем релаксации. Это промежуток времени, в течение которого поляризованность уменьшается в 2,7 раза от первоначальной. Обычно время составляет с , т.е. она возможна на низких частотах доГц, при этом возникают потери энергии и процесс зависит от Т°. Данная поляризация свойственна полярным диэлектрикам.

Ионная-релаксационная поляризация. Обусловлена смещением слабо связанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояние, превышающее постоянную кристаллической решетки. Она наблюдается в неорганических кристаллических диэлектриках ионной структуры с неполной упаковкой ионов, процесс происходит с потерей энергии и усиливается с повышением Т°.

Миграционная поляризация. Она наблюдается в некоторых диэлектриках (неоднородных) особенно с полупроводниковыми включениями. Это вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накоплении зарядов на границах раздела.

Эти процессы медленные и могут продолжаться секунды и даже часы, и поэтому поляризация возможна на низких частотах.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация. Такая поляризация свойственна сегнетоэлектрикам.

Классификация диэлектриков по виду поляризации:

Неполярные – не содержащие электрических диполей, способных к неориентации во внешнем электрическом поле. Им свойственна электрическая поляризация. К ним относятся: полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, бензол, воздух и т.п.

Полярные – содержат электрические диполи, которые способны к переориентации. Наблюдается как электронная, так и дипольно-релаксационная поляризации. Они обладают пониженными электрическими свойствами и применяются в качестве электроизоляционных материалов в области низких частот. К ним относятся: органическое стекло, фторопласт –3, лавсан и др.