6 Физические процессы в диэлектриках Основные определения:
Поляризация – это состояние диэлектрика, характеризующееся наличием диэлектрического момента у любого элемента объема. Различают:
поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля,
спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствие поля.
В некоторых случаях поляризация диэлектриков появляется под действием механических напряжений.
Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью:
,
(6.1)
– емкость
конденсатора с данным диэлектриком,
– емкость
того же конденсатора в вакууме.
Абсолютная диэлектрическая проницаемость:
,
(6.2)
.
Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества. Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика.
Поляризованность
– векторная величина, равная отношению
электрического момента
элемента
диэлектрика к объему этого элемента
:
.
(6.3)
Поляризованность однородного плоского диэлектрика в равномерном электрическом поле равна поверхностной плотности связанных зарядов. Для большинства диэлектриков в слабых электрических полях:
,
(6.4)
– диэлектрическая
восприимчивость.
В
изотропных диэлектриках направления
векторов
и
совпадают. Для анизотропных сред
направления векторов
и
не совпадают.
Классификация диэлектриков по механизмам поляризации:
В
зависимости от влияния напряженности
электрического поля Е на значение
относительной диэлектрической
проницаемости
все диэлектрики делят на:
Линейные
Нелинейные
!Емкость конденсатора с линейным диэлектриком зависит только от его геометрических размеров.
!Емкость конденсатора с нелинейным диэлектриком управляется электрическим полем.
(Нелинейные диэлектрики ≡ активные диэлектрики ≡ управляемые диэлектрики.)
В настоящее время принято следующее разделение линейных диэлектриков по механизмам поляризации молекул:
1 Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно, неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент равен нулю.
Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.
2 Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. При замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или не углеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др. Примеры молекул неполярных и полярных веществ показаны на рис. 7.3.
|
рис. 7.3 |
3 Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны, кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций — электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризацию. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд, двуокись титана (рутил) и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке имеют также и ионно - релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.