7 Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость

Диэлектрики – материалы с удельным сопротивлением 108 Ом*м при t=20ºC и нормальном атмосферном давлении. Важным свойством диэлектрика является его способность к поляризации.

Поляризация – процесс ограниченного смещения или ориентации связанных электрических зарядов (или ориентация дипольных молекул) в теле под действием электрического поля, который происходит в объеме и сопровождается появлением зарядов на поверхности материала у электронов

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, вклю­ченный в электрическую цепь, может рассматриваться как конден­сатор определенной емкости (рис. а)

Заряд всякого конденсатора, как известно, равен Q=CU, (1) где C- емкость конденсатора, U-приложенное к нему напряжение.

Количество электричества Q при заданном значении приложен­ного напряжения слагается из двух составляющих: , которое присутствовало бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и , которое обусловлено поляризацией диэлектрика, фактически разделяющего электроды: , (2). Одной из важнейших характеристик диэлектрика, имеющей особое значение для техники, является его относительная диэлек­трическая проницаемость . Эта величина представляет собой отношение заряда Q, получен­ного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду Q₀, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

, (3).

Из выражений (3) следует, что относительная диэлектриче­ская проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума.

Значение относительной диэлектрической проницаемости вся­кого вещества не зависит от выбора системы единиц. В дальнейшем для характеристики качества диэлектриков используется именно это значение диэлектрической проницаемости, причем слово «отно­сительная» для краткости, опускается. Соотношение (1) может быть представлено в форме: => Из этого видно, что диэлектрическую проницаемость вещества можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум. При нормальных условиях у твердых образцов с неполярными молекулами (неполярными диэлектриками) E = 2- 5, а у полярных диэлектриков E = 10-40

8 Виды поляризации в диэлектриках.

К первому виду относится поляризация, совершающаяся в ди­электрике под воздействием электрического поля практически мгно­венно, вполне упруго, без рассеяния энергии, т. е. без выделения тепла. Второй вид поляризации не совершается мгновенно, а На­растает и убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. его нагреванием. Такой вид поляризации назы­вают релаксационной поляризацией.

К первому виду поляризации относятся электронная и ионная, остальные механизмы принадлежат к релаксационной поляризации. Эквивалентная схема диэлектрика, в котором существуют раз­личные механизмы поляризации, содержит ряд емкостей, вклю­ченных параллельно источнику напряжения U, как это показано на рис.б. Емкость С₀ и заряд Q₀ соответствуют собственному полю электродов, если между ними нет диэлектрика (вакуум). Величины С_э и Q_э соответствуют электронной поляризации.

Электронная поляризация представляет собой упругое смеще­ние и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около 10~¹⁵ с). Смещение и деформация электронных орбит атомов или ионов не зависит от температуры, однако электронная поляри­зация вещества уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. рей энергии.

Ионная поляризация (С_и, Q_И на рис. б) характерна для твердых тел с ионным строением и обусловливается смещением упруго связанных ионов. С повышением температуры она усилива­ется в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении, и в большинстве случаев температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.

Время установления ионной поляризации — порядка 10~¹³ с.

Дипольно-релаксационная поляризация (С_д__р, Q_Д~_Р, r_д__р), для кратности называемая дипольной, отличается от электронной и ионной тем, что она связана с тепловым, движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причи­ной поляризации.

Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, что должно усиливать дипольную поляризацию, од­нако в то же время возрастает энергия теплового движения моле­кул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. В связи с этим дипольная поляризация с увеличением температуры сначала воз­растает — пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения. Затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать.

Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поля­ризация связана с потерями энергии. Это отражено на рис. б и виде последовательно включенного с емкостью активного сопро­тивления r д-р. В вязких жидкостях сопротивление поворотам моле­кул настолько велико, что в быстропеременных полях диполи не успевают ориентироваться в направлении поля и дипольная поля­ризация при повышенных частотах приложенного напряжения может полностью исключаться.

Ионно-релаксационная поляризация (С_и-_р, Q_и-_р. r_и-_р) наблюда­ется в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов. В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направ­лении поля.

После снятия электрического поля смещение ионов постепенно ослабевает по экспоненциальному закону. С повышением темпе­ратуры ионно-релаксационная поляризация заметно усиливается.

Электронно-релаксационная поляризация (С_э-_р, Q_э-р, r_э-р) от­личается от электронной и ионной и возникает за счет возбужден­ных тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок.

Электронно-релаксационная поляризация характерна главным образом для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокиси титана, загрязненной примесями МЪ⁺⁵, Са^+а, Ва⁺²; дву­окиси титана с анионными вакансиями и примесью ионов Т1⁺³; ряда соединений на основе окислов металлов переменной валент­ности — титана, ниобия, висмута.

Миграционная поляризация (С_м, Q_м, r_м) понимается как допол­нительный механизм поляризации, проявляющийся в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т. д. Все емкости эквивалентной схемы на рис. б шунтированы сопротивлением К_ИЗ, представляющим собой сопротивление изо­ляции сквозному току через диэлектрик.

На рис.б штриховыми линиями показаны также С_сп, Q_СП и r_сп, относящиеся к механизму самопроизвольной, или спонтанной, поля­ризации. Этот вид поляризации существует у сегнетоэлектриков.

В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдель­ные области (домены), обладающие электрическим моментом еще в отсутствие внешнего поля. Однако при этом ориентация электри­ческих моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень силь­ной поляризации. В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает на­сыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возраста­ния интенсивности поляризации. Поэтому диэлектрическая прони­цаемость при спонтанной поляризации зависит от напряженности электрического поля.