Поляризация диэлектриков

Поляризация представляет собой ограниченное обратимое смещение электрически заряженных частиц, входящих в состав диэлектрика, при приложении к нему электрического поля.

 

Рис.4.1. Классификация видов поляризации диэлектриков.

 

 

Поляризация происходит под действием электрического поля (рис.4.1). Может вызываться неэлектрическими воздействиями (давление, тепло, свет) и происходит самопроизвольно без внешних воздействий.

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектрика связанных электрических зарядов + Q ′ и – Q ′ ′, создающих своё электрическое поле Е _пол., уменьшающее величину внешнего электрического поля Е _вн. (рис. 4.2).

 

Рис.4.2. Поляризация диэлектрика в электрическом поле.

 

Различают два основных механизма поляризации:

§ упругая, мгновенная, не вызывающая выделения теплоты, т.е. потерь энергии;

§ релаксационная, замедленная, тепловая, сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревом.

При отсутствии потерь, при упругих видах поляризации заряд на обкладках конденсатора линейно зависит от приложенного напряжения (рис.4.3 а)

 

Рис.4.3. Зависимость Q (U)для диэлектрика с упругими (а), релаксационными (б) и спонтанными (в) видами поляризации.

 

 

При релаксационной поляризации зависимость Q (U) принимает вид эллипса (рис. 4.3 б), площадь которого пропорциональна количеству энергии, поглощённой диэлектриком за один период изменения напряжения. При спонтанной поляризации зависимость Q (U) приобретает вид петли гистерезиса (рис.4.3 в). Площадь петли пропорциональна потерям за один период изменения электрического поля.

 

4.1.2. Виды поляризации.

Электронная поляризация наблюдается во всех диэлектриках. Под действием электрического поля ядра атомов и электронные орбиты смещаются относительно друг друга. Т.к. масса ядра во много раз больше массы электрона то можно считать, что смещаются только электроны. Время установления электронной упругой поляризации 10^-16÷ 10^-17с, поэтому она успевает устанавливаться в высокочастотных полях.

Ионная поляризация присуща диэлектрикам с ионным строением и представляет собой упругое смещение разноименно заряженных ионов относительно положения равновесия. Она существенна для диэлектриков, ионы которых слабо связаны друг с другом и несут большие заряды. Время установления ~10^-14÷ 10^-15с.

Дипольная поляризация. Во многих диэлектриках молекулы представляют собой диполи, т.е. совокупность двух связанных равных по величине разноимённых электрических зарядов расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Молекулы таких полярных диэлектриков обладают собственным электрическим моментом

,

где ― электрический момент диполя, вектор направлен от центра отрицательных зарядов к центру положительных зарядов;

q ― заряд;

r ― расстояние между зарядами.

В полярных диэлектриках в отсутствии электрического поля в результате теплового движения диполи ориентированы хаотично, суммарная поляризация равна нулю. При наличии поля под действием его сил часть диполей ориентируется по полю. С ростом напряжённости Е поля увеличивается количество диполей поворачивающихся в направлении поля. Когда подавляющаяся часть диполей повернётся, вдоль поля наступает насыщение. Поворот диполей связан с энергетическими затратами, является инерционным процессом, и называется релаксационной поляризацией.

Время релаксации зависит от температуры. При комнатной температуре для различных диэлектриков оно составляет 10^-10÷ 10^-4с. Дипольная поляризация происходит в жидких, газообразных и твёрдых диэлектриках с неплотной упаковкой молекул.

Миграционная поляризация возникает в неоднородных твёрдых диэлектриках с проводящими и полупроводящими включениями и обусловлена перераспределением свободных зарядов в его объёме. В электрическом поле происходит перемещение (миграция) и накопление электрических зарядов на границах раздела разнородных включений.

Миграционная поляризация проявляется при низких частотах электрического поля и зависит от температуры.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация характерна для сегнетоэлектриков, структура которых состоит из доменов ― областей, обладающих электрическим моментом в отсутствии внешнего поля. Ориентация моментов в различных доменах различна. Внешнее электрическое поле приводит к ориентации моментов доменов в направлении поля, что приводит к очень сильной поляризации. При некотором значении напряжённости внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее увеличение поля не приводит к росту поляризации. Поэтому диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков зависит от напряжённости электрического поля и достигает значения десятков тысяч. В переменных полях сегнетоэлектрики характеризуются значительными диэлектрическими потерями.

 

4.1.3. Диэлектрическая проницаемость.

Заряд конденсатора, диэлектриком которого является вакуум, определяется выражением

,

где С ₀ ― ёмкость вакуумного конденсатора. Ёмкость конденсатора с диэлектриком между обкладками возрастает до величины

,

где относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. ― абсолютная диэлектрическая проницаемость. ― диэлектрическая проницаемость вакуума.

Таким образом, диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика к поляризации в электрическом поле.

В газах проницаемость близка к единице.

В неполярных жидких диэлектриках .

В полярных жидких диэлектриках ε = 3, 5÷ 5. .

В неполярных твёрдых диэлектриках ε = 2÷ 6.

В ионных кристаллических диэлектриках ε = 6÷ 150. В сегнетоэлектриках ε = 600÷ 100000.

 

4.1.4. Проводимость диэлектриков. Проводимость твёрдых диэлектриков.

Твёрдые диэлектрики обладают некоторой небольшой электропроводимостью, которая связана с перемещением заряженных частиц (электронов, ионов). Ионная проводимость существует за счёт отрыва иона от кристаллической решётки.

Составляющие тока диэлектрика:

1) ток смещения ― кратковременный ток (~ 10^-15с) электронной и ионной поляризации;

2) ток абсорбции ― ток замедленной релаксационной поляризации;

3) ток сквозной проводимости;

4) суммарный ток утечки (рис. 4.4).

 

Рис.4.4. Ток утечки.

 

Постоянный во времени сквозной ток проводимости существует в постоянном и переменном электрических полях и определяет важный параметр электроизоляционных материалов ― сопротивление изоляции.

,

где U ― напряжение, под действием которого протекает ток утечки.

Проводимость твёрдых диэлектриков характеризуется объёмной и поверхностной проводимостью.

Удельное объёмное электрическое сопротивление ρ _v определяет свойства изоляции, когда ток утечки протекает через объём материала.

ρ _v = R _v ; R _v = ρ _v ,

где S ― площадь электродов, м²; h ― толщина образца, м.

В системе СИ ρ _v численно равно R куба из исследуемого материала с ребром 1м, через который проходит ток от одной грани к противоположной.

Удельное поверхностное сопротивление ρ _s численно равно сопротивлению образца материала в виде квадрата со стороной 1м при прохождении тока через две его противоположные стороны

; ,

где d ― длина электродов, м; l ― расстояние между электродами, м (рис.4.5).

 

Рис. 4.5. Определение ρ _V, ρ _S.

 

 

Удельное сопротивление ρ _S является важной характеристикой изоляционных свойств линейных изоляторов. Удельные сопротивления ρ _V, ρ _S зависят от температуры, приложенного напряжения, содержания примесей. Примеси уменьшают ρ. Загрязнение и увлажнение заметно ухудшают изоляционные свойства диэлектриков.

Присутствие влаги существенно уменьшает сопротивление изоляции. Растворимые в воде примеси диссоциируют на ионы, это же может происходить и с веществом диэлектрика. Влага может просачиваться по волокнам волокнистых материалов. По отношению к воде изоляционные материалы подразделяют на гидрофобные (не смачиваются) и гидрофильные (смачиваются, интенсивно взаимодействуют с водой).

Проводимость жидких диэлектриков.

Носителями зарядов могут быть ионы или молионы. Ионы в жидких диэлектриках образуются в результате электролитической диссоциации. Молионы ― относительно крупные заряжённые частицы (группы молекул). Молионная, электрофоретическая проводимость существует в коллоидных системах (эмульсиях, суспензиях). В электрическом поле при движении молионов (при электрофорезе) в коллоидных системах меняется концентрация дисперсной фазы).