Основные понятия
Электрической поляризацией называют процесс смещения упруго связанных электрических зарядов или ориентацию диполей в направлении приложенного электрического поля. Другими словами, электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля.
При описании электрических явлений (в том числе и поляризации) обычно рассматривают систему, состоящую из электродов, между которыми находится диэлектрик. К указанным электродам подводится напряжение, т.е. рассматривается некоторый участок конструкции, которой может быть электрический конденсатор, кабель, обмотка электрической машины или трансформатора и т.п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его параметров в лаборатории. В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов (носителей заряда), всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, ионы.
Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные заряды — в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные заряды — в обратном направлении (рис. 4.8). В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика (dV) приобретает индуцированный электрический момент (dP). Образование индуцированного электрического момента (Р) в диэлектрике и представляет собой явление поляризации.
Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованностъ, интенсивность поляризации), который равен отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремиться к нулю:
Для однородного диэлектрика с неполярными молекулами, находящимися в однородном электрическом поле, вектор поляризации равен:
где – индуцированный момент одной молекулы (атома); N 0 – число молекул (атомов) в единице объема.
Значение индуцированного электрического момента () зависит от напряженности внешнего электрического поля:
где Ф/м – диэлектрическая постоянная; – поляризуемость частицы (характеризует способность частицы к поляризации), м 3 .
Используя выражения (4.20) и (4.21) получим:
, (4.22)
где – безразмерный параметр – диэлектрическая восприимчивость вещества, или поляризуемость единицы объема диэлектрика.
Для однородного диэлектрика с полярными молекулами, помещенного в однородное электрическое поле:
где – среднее значение составляющей вдоль поля вектора постоянного дипольного момента молекулы; вычисляется с использованием распределения Больцмана для частиц в силовом поле:
, (4.24)
где – классическая функция Ланжевена .
При а << 1 имеем . Но в этом случае вычисляется по формуле Дебая-Ланжевена:
где К – постоянная Больцмана ( Дж/К при K); N 0 – число молекул в единице объема; µ =3∙10 29 Кл∙м – электрический (дипольный) момент молекулы Дебая.
Собственный электрический момент молекулы равен:
где q – суммарный положительный (или численно равный ему суммарный отрицательный) электрический заряд молекулы; l – расстояние между центрами тяжести суммарных положительных (+q) и отрицательных (-q) зарядов (плечо диполя) (рис. 4.9).
Одной из важнейших характеристик диэлектрика, имеющей особое значение для техники, является его относительная диэлектрическая проницаемость (ε). Значение ε представляет отношение заряда (Q), полученного при некотором напряжении на конденсаторе с данным диэлектриком, к заряду (Q 0), который можно получить в конденсаторе тех же геометрических размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:
. (4.27)
Из выражения (4.27) следует, что значение ε не может быть меньше 1 .
Значение относительной диэлектрической проницаемости любого диэлектрика не зависит от выбора системы единиц. В дальнейшем для оценки свойств диэлектриков используется именно относительную диэлектрическую проницаемость, причем слово «относительная» для краткости опускается.
Величина заряда (Q) может быть найдена из выражения:
где С – емкость конденсатора; U – приложенное к нему напряжение.
Выражение (4.28) может быть представлено в виде:
где С 0 – емкость вакуумного конденсатора (геометрическая емкость).
Анализируя выражение (4.29), можно дать следующее определение относительной диэлектрической проницаемости. Величина относительной диэлектрической
проницаемости (ε) показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора такой же геометрической конфигурации, у которого между обкладками находится вакуум .
Следовательно, величина ε диэлектрика определяет величину емкости (С) электро- и радиотехнических конструкций:
где Δ – геометрический фактор.
Между диэлектрической проницаемостью (ε), поляризуемостью (α) и диэлектрической восприимчивостью () существует следующая зависимость:
но так как
Поведение диэлектрика в электрическом поле может также характеризоваться абсолютной диэлектрической проницаемостью:
где — абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м; Д – электрическое смещение (электрическая индукция). Для вакуума Д = Е; для диэлектрика .
В настоящее время общепринято разделение большей части диэлектриков на два класса:
1)неполярные диэлектрики;
2)полярные диэлектрики.
У неполярных молекул l = 0 в выражении (4.26) следовательно, и µ = 0, т.е. неполярные молекулы не обладают собственным электрическим моментом. В то же время у полярных молекул . О наличии у молекул собственного электрического момента можно судить по химическому строению этих молекул.
Постоянный электрический момент полярной молекулы, как и всякий электрический момент, является векторной величиной. Будем принимать за направление вектора направление от отрицательного заряда к положительному (см. рис. 4.9).
Независимо от результатов, которые могут быть получены при изучении электрических свойств вещества, о наличии у молекул этого вещества собственного электрического момента можно судить по химическому строению его молекул. И, наоборот, экспериментальное определение дипольного момента (µ) дает возможность делать весьма важные заключения о структуре молекул вещества. Очевидно, что молекулы, которые построены симметрично (при наличии центра симметрии), являются неполярными, так как в этом случае центры тяжести как положительных, так и отрицательных зарядов молекулы совпадают с центром симметрии молекулы, а следовательно, и друг с другом (при этом можем даже не интересоваться знаком заряда отдельных атомов и ионов, из которых построена молекула). Наоборот, несимметричные молекулы являются жесткими диполями.
Так, одноатомные молекулы (Не, Ne, Ar, Кг, Хе) и молекулы, состоящие из двух одинаковых атомов, соединенных друг с другом гомеополярной связью (H 2 , N 2 , Cl 2 и т.п.), неполярны. А молекулы такого типичного ионного (с гетерополярной связью) соединения, как йодистый калий KI (рис. 4.10, а), полярны и имеют весьма большой по
стоянный электрический момент Кл·м. Направлен этот момент от отрицательно заряженного иона () к положительно заряженному иону ().
Чем больше отличаются друг от друга электроотрицательности атомов, образующих двухатомную молекулу, т. е, чем сильнее смещена в сторону одного из атомов их общая электронная пара, тем больше электрический момент такой молекулы. Например, по мере уменьшения электроотрицательности галогенов в ряду от фтора к йоду уменьшается дипольный момент молекул галогеноводородов:
Очень важно заметить, что при суждении о полярности молекулы по ее строению необходимо учитывать не только условное написание химической формулы вещества, но и фактическое расположение зарядов в пространстве. Так, формулы угольного ангидрида и воды в записях СО 2 и Н 2 О похожи, но в действительности, молекула угольного ангидрида имеет симметричное строение с центром симметрии (рис. 4.10, 6) и потому угольный ангидрид неполярен. А молекула воды имеет вид равнобедренного треугольника (рис. 4.10, в) и потому вода имеет резко выраженные полярные свойства (для молекулы воды µ = 6,1·10 30 Кл·м).
Все углеводороды представляют собой вещества неполярые или слабополярные (µ = 0 или весьма мало). Однако при замене отдельных атомов водорода атомами галогенов F, Cl, Вr или I либо группами -ОН, -N0 2 и пр. (т.е. диэлектрофорами Вальдена) образуются несимметричные молекулы, обладающие µ > 0.
Рассмотрим простейший углеводород – метан СН 4 и продукты замещения в нем водорода хлором: хлористый метил (СН 3 С1), двуххлористый метилен (CH 2 Cl 2), хлороформ (СНС1 3) и четыреххлористый углерод (тетраформ) (СС1 4). Молекула метана в пространстве имеет вид тетраэдра, в центре которого расположен атом С, а по вершинам атомы Н (см. рис. 4.10, г).Очевидно, что для метана µ = 0.
Молекулы СНС1 3 , СН 2 С1 2 и СНС1 3 асимметричны и для них соответственно ; 5,17·10 -30 и 3,8·10 -30 Кл·м. Но молекула ССl 4 вновь симметрична и имеет µ= 0.
Бензол С 6 Н 6 – вещество неполярное; при замещении одного атома водорода в бензоле другим элементом или группой получаем полярные вещества:
1) монохлорбензол (µ = 5,17·10 -30 Кл·м);
2) монойодбензол (µ = 4,3·10 -30 Кл·м);
3) фенол (µ = 5,2·10 -30 Кл·м);
4) анилин (µ = 5,1·10 -30 Кл·м);
5) нитробензол (µ = 13,2·10 -30 Кл·м) и т.д.
Ацетон 
вследствие наличия в молекуле группы СО полярен; для него, µ = 9,7·10 -30 Кл·м.
К неорганическим веществам с высоким значением µ относятся:
· йодид алюминия АlI 3 (µ = 16,5·10 -30 Кл·м);
· хлорид олова SnCl 4 (µ = 17,0·10 -30 Кл·м).
Из числа применяемых в электроизоляционной технике органических материалов практически неполярными являются такие вещества углеводородного состава, как полиэтилен – полимер, имеющий следующее строение (упрощенно):
,
а также парафин, церезин, полиизобутилен, полипропилен, полистирол, невулканизированный каучук, эскапон, нефтяные электроизоляционные масла и др.
Сильно полярными являются: поливинилхлорид, который имеет следующее строение:
,
поливиниловый спирт и его производные, целлюлоза и ее производные, фенолформальдегидные смолы и т.п.
Политетрафторэтилен (фторлон-4), имеющий следующее строение:
,
можно рассматривать как полимерный углеводород (полиэтилен), в котором атомы водорода полностью замещены атомами фтора, благодаря симметричной структуре каждого звена молекулярной цепочки неполярен; но политрифторхлорэтилен (фторлон-3) имеет несимметричное строение и потому полярен.
Основные виды поляризации
В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектриков различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную, ионно-релаксационную, дипольно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную.
Индуцированный под действием приложенного электрического поля суммарный электрический заряд обусловливается суммой различных видов поляризации. Механизмы поляризации могут наблюдаться в различных диэлектриках, однако несколько механизмов поляризации могут наблюдаться одновременно у одного диэлектрика. Гипотетический диэлектрик, обладающий всеми механизмами поляризации, может быть
представлен эквивалентной схемой, в которой каждому механизму поляризации соответствует включенная параллельно источнику напряжения (U) емкость (С) (рис. 4.11).
Емкость С 0 и заряд Q 0 соответствуют геометрической емкости и заряду т.е., если между электродами находится вакуум. Емкость С э и заряд Q э (рис. 4.11) характеризуют электронную поляризацию
. Электронная поляризация представляет собой смещение центра заряда электронного облака относительно положительно заряженного ядра атома под действием внешнего электрического поля (рис. 4.12). Смещению противодействует кулоновское притяжение электронов к ядру. Время установления электронной поляризации очень мало (около 10 -15 с), поэтому она практически не зависит от частоты электромагнитного поля (рис 4 13), но связана с потерей энергии и не зависит от температуры. Однако величина ε диэлектриков, обладающих только электронной поляризацией, уменьшается с ростом температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа поляризованных частиц в единице объема (рис. 4.14).
Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. При увеличении размеров атомов электронная поляризуемость увеличивается, так как ослабевает связь внешних электронных оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки (l), но и возрастает заряд (q).
Для удобной и наглядной оценки электронной поляризуемости атома или иона (α) введено понятие геометрической поляризации
, равной отношению α к диэлектрической постоянной (ε 0), измеряемой в единицах объема. Геометрическая поляризуемость (α/ε 0) имеет порядок объема атома, т.е. 10 -30… 10 -29 м3 . Например, значения α/ε 0 атомов галогенов (в порядке возрастания их атомной массы) равны:
· для F – 0,4·10 -30 ;
· для Сl – 2,4·10 -30 ;
· для Br – 23,6·10 -30 ;
· для J – 5.8·10 -30 м3 .
Для веществ ионного строения существенна поляризация не атомов, а ионов. Различные ионы обладают заметно различающимися значениями отношения электронной геометрической поляризуемости () к кубу радиуса иона ().
|
4) для Zr ++++ |
|||
|
5) для Са ++ |
6) для Рb ++ |
||
|
7) для Ti ++++ |
 |
Наличие ионов с большим значением способствует поляризации. Некоторые вещества, содержащие такие ионы, имеют весьма высокое значение , например, у рутила (TiO 2) ε = 110.
Емкость С и и заряд Q u (рис. 4.15) характеризуют ионную поляризацию. Ионная поляризация возникает вследствие упругого смещения связанных ионов из положения равновесия на расстояния, не превышающие постоянную кристаллической решетки. С повышением температуры поляризованность возрастает, за счет теплового поля ослабевают силы межионного взаимодействия, тепловое расширение удаляет ионы друг от друга (рис. 4.14). Время установления ионной поляризации около 10 -13 с. Она так же, как и электронная, не связана с потерями энергии и не зависит от частоты, вплоть до частот инфракрасного диапазона (рис. 4.13). Ионная поляризация характерна для кристаллических диэлектриков ионного строения с плотной упаковкой ионов (NaCl и др.).
Емкость С др и заряд Q др (см. рис. 4.11) характеризуют дипольно-релаксационную поляризацию. Дипольно-релаксационная поляризация заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего электрического поля, создавая эффект поляризации диэлектрика (рис.4.16).
Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать дипольно-релаксационную поляризацию; однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. В связи с этим дипольно-релаксационная поляризация с увеличением температуры вначале возрастает, пока ослабление сил межмолекулярного взаимодействия преобладает над возрастанием хаотического теплового движения молекул. Затем, когда интенсивность теплового движения молекул будет преобладать (тепловая энергия «разбрасывает» диполи), дипольно-релаксационная поляризация будет уменьшается (рис. 4.14). При снятии приложенного электрического поля дипольно-релаксационная поляризация нарушается хаотическим тепловым движением молекул, а поляризованность (Р) спадает по экспоненциальному закону:
где Р 0 – поляризованность в момент снятия напряжения; – постоянная времени этого процесса, называемая временем релаксации дипольной поляризации.
Время релаксация – это промежуток времени, в течение которого поляризованность диэлектрика после снятия поля уменьшается вследствие теплового движения молекул в раза от первоначальной. Между временем релаксации (), энергией активации (W) и частотой собственных колебаний релаксирующей частицы (f) существует следующая зависимость:
(4.34)
Обычно имеет порядок 10 -6 …10 -10 с, следовательно, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах ниже 10 6 …10 10 Гц. Дипольно-релаксационная поляризация связана с потерей энергии, поскольку поворот диполей в направление поля требует преодоления некоторого сопротивления. Это отражено (см. рис. 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С др активного сопротивления R д p . При увеличении частоты значение ε др снижается, поскольку проявляется инерционность процесса ориентации, т.е. дипольные молекулы за ионизационный полупериод изменения напряжения не успевают полностью переориентироваться по направлению поля.
Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных газах, жидкостях. Поляризация этого вида может наблюдаться также и в твердых диэлектриках. Однако в некоторых твердых, в большинстве своем органических, диэлектриках дипольно-релаксационная поляризация обычно обусловлена уже не ориентацией самой молекулы, а ориентацией имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной. Примером веществ с поляризацией этого вида является целлюлоза, полярность которой объясняется наличием гидроксильных групп (ОН) и кислорода. В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми Ван-Дер-Вальсовскими связями возможна ориентация и более крупных частиц.
Емкость С ир и заряд Q up (см. рис 4.11) характеризуют ионно-релаксационную поляризацию. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабосвязанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие амплитуду ангармонических тепловых колебаний. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры (см. рис. 4.14) за счет ослабления сил взаимодействия. При увеличении частоты значение ε ир снижается за счет инерционности процесса переориентации (см. рис. 4.13). Поляризация этого вида связана с потерями энергии, что отраженно (см. рис. 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С ир активного сопротивления R up .
Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках аморфного строения (стекле, керамике и т.д.), а также в неорганических кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (рыхлого строения).
Емкость С эр, и заряд Q э p (см. рис. 4.11) характеризуют электронно-релаксационную поляризацию. Электронно-релаксационная поляризация возникает в связи с ориентацией возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или «дырок». Электронно-релаксационная поляризация характерна главным образом для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним электрическим полем и наличием электронной составляющей проводимости. Характерным представителем этой группы материалов являются: двуокись титана «загрязнения» с примесью Nb +5 ; Ca +2 ; Ва +2 ; двуокись титана с анионными вакансиями и примесью ионов Ti +3 . а также ряд соединений на основе окислов металлов с переменной валентностью – титана, ниобия, висмута.
Эти диэлектрики могут обладать исключительно высоким значением диэлектрической проницаемости (CaTiO 2 – титанит кальция имеет ε = 150; и т.д.). Кроме того, у этих диэлектриков наблюдается максимум ε в температурной зависимости. Этот вид поляризации связан с потерями энергии, что отражено на рис. 4.11 в виде последовательно включенного с емкостью С эр активного сопротивления R э p .
Емкость С m и заряд Q m (рис. 4.11) характеризуют миграционную поляризацию. Миграционная
(структурная
) поляризация
обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью и т.п., а также в композиционных диэлектриках. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящихся и полупроводящих включений начинают перемещаться в пределах каждого включения, образуя поляризованные области на границе раздела сред (рис. 4.17). Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поляризация этого вида обычно возможна лишь на низких частотах.
Поляризация этого вида связана с потерями энергии, что отражено (см. рис 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С m активного сопротивления R m .
Емкость С рез и заряд Q pe з (см. рис. 4.11) характеризуют резонансную поляризацию. Резонансная поляризация проявляется в диэлектриках при оптических частотах. Она зависит от физико-химических особенностей диэлектриков, может относиться к собственной частоте электронов или ионов (при очень высоких частотах) или к характеристической частоте дефектных электронов (при более низких частотах). Резонансные изменения показаны на рис. 4.18.
Резонансная электронная поляризация связана с аномальной дисперсией света и еще недостаточно изучена. При аномальной дисперсии показатель преломления вещества для определенной частоты возрастает вследствие того, что за счет резонанса с собственными колебаниями частиц уменьшается фазовая скорость распространения колебаний, и материал для данной волны становится «вязким»:
где – показатель преломления для определенной частоты; – фазовая скорость распространения колебаний этой частоты в диэлектрике; с = 3·10 8 м/с – скорость волн всех частот в вакууме.
При резонансе сильно возрастает поглощение энергии волны. С увеличением
частоты значение ε резко падает ввиду «выключения» данного механизма поляризации.
Все емкости эквивалентной схемы (см. рис.4.11) шунтированы R из и представляют собой сопротивление диэлектрика току сквозной проводимости. Емкость С с n и заряд Q cn и активное сопротивление R cn (см. рис.4.11) характеризуют спонтанную поляризацию. Спонтанная
(самопроизвольная
) поляризация
– поляризация, возникающая под влиянием внутренних процессов в диэлектриках без внешних воздействий. Поляризация этого типа нелинейно зависит от напряженности электрического поля (рис. 4.19) и при циклическом изменении ε имеет вид характерной замкнутой кривой — петли гистерезиса (рис. 4.20).
Диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, получили название сегнетоэлектриков (сегнетова соль NaKC 4 H 4 O 6 ·4H 2 O; титанат бария BaTiO 3 , нитрит натрия NaNO 2 и т.д.). Особенностью строения сегнетоэлектриков является наличие в них доменной структуры (подобно структуре ферро- и ферримагнетиков). Следовательно, наложение внешнего электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации.
Одним из основных параметров сегнетоэлектриков является сегнетоэлектрическая точка Кюри
(в отличие от магнитной). Это температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагреве) спонтанная поляризация. После достижения точки Кюри, при подъёме температуры или снижении, происходит фазовый переход вещества из сегнетоэлектрического состояния в пароэлектрическое (рис.4.21). Спонтанная поляризация сопровождается значительным рассеянием энергии.
Как и другие электрические параметры диэлектриков, диэлектрическая проницаемость (ε) зависит от изменяющихся внешних факторов: частоты приложенного к диэлектрику электрического поля, температуры, давления, влажности и т.п.
Зависимость ε от частоты
Как уже отмечалось, время установления электронной или ионной поляризации весьма мало по сравнению со временем изменения знака напряжения (т.е. с полупериодом изменения напряжения) даже для наиболее высоких практически применяемых в электротехнике и радиотехнике частот. Поэтому поляризация диэлектриков, для которых характерен лишь деформационный механизм поляризации, успевает полностью установиться за время, чрезвычайно малое по сравнению с полупериодом напряжения, и нет оснований для того, чтобы появилась практически существенная зависимость ε от частоты у таких диэлектриков.
Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты в чрезвычайно широких пределах (рис. 4.22). Иначе обстоит дело в случае дипольной поляризации. При повышении частоты переменного напряжения значение ε полярного диэлектрика сначала также остается неизменным, но, начиная с некоторой критической частоты (f 0), когда поляризация уже не успевает полностью установиться за один полупериод, ε снижается, приближаясь при весьма высоких частотах к значениям, характерным для неполярных диэлектриков. Значение f 0 может приближенно получено из выражения:
где – динамическая вязкость жидкости; r – радиус молекулы.
Так, для воды, для которой было найдено с, значение f 0 , должно быть примерно 10 11 Гц, т.е. 100 ГГц. При повышении температуры, помимо увеличения Т в числителе формулы (4.36) уменьшается и в знаменателе, поэтому f 0 должно возрастать. Это иллюстрирует рис. 4.24.
В резко неоднородных диэлектриках, в частности в диэлектриках с включением воды, наблюдается явление миграционной поляризации. Миграционная поляризация (другие, нестандартные ее названия: высоковольтная, междуслоевая, объемная) представляет собой накопление электрических зарядов на границах раздела различных диэлектриков (в случае увлажненного диэлектрика – на поверхности включений воды). Процессы установления миграционной поляризации сравнительно весьма медленны и могут протекать на протяжении минут и даже часов. Поэтому увеличение емкости изоляции вследствие увлажнения последней тем больше, чем ниже частота приложенного к изоляции переменного напряжения.
Сказанное дает основание к оценке степени увлажнения некоторых видов изоляции, в частности волокнистой, по способу «емкость – частота»: емкость изоляции измеряется при одной и той же температуре, но при разных частотах – очень низкой (2Гц) и обычной промышленной (50 Гц). Отношение этих двух значений емкости (рис. 4.25) является критерием увлажненности изоляции: у вполне сухой изоляции это отношение близко к единице, а чем больше отношение, тем больше влажность изоляции. Способ «емкость – частота» не всегда может считаться надежным способом оценки увлажненности изоляции, но сам факт наличия различных частотных зависимостей ε диэлектрика при различных влажностях представляет значительный интерес.
Как правило, мы не рассматриваем здесь явления резонансной поляризации, которое вызывает появление максимумов в зависимостях при очень высоких значениях частоты (f), при повышении f может наблюдаться или практическая независимость ε от частоты или снижение её, но не повышение.
При одновременном наличии в диэлектрике нескольких физических механизмов медленной (релаксационной) поляризации (дипольных – за счет ориентации различных групп молекул или ориентации молекул разных компонентов смешанного диэлектрика, миграционных и т, п.) с различными временами релаксации τ (набор времен релаксации) картина зависимости может быть усложненной. Так, в этом случае при повышении f в графике может наблюдаться не одно, а несколько снижений.
Зависимость по аналогии с дисперсией света, т.е. наличием зависимости показателя преломления ν от частоты колебаний , называется дисперсией диэлектрической проницаемости . Разность значений диэлектрической проницаемости, определяемых (при повышении f) до начала спада, вызванного тем или иным механизмом релаксационной поляризации, и по окончании этого спада называется глубиной релаксации для данного механизма поляризации. Очевидно, что наибольшее значение ε диэлектрика есть ε , измеренное на постоянном напряжении (или при инфранизкой частоте); это – так называемая статическая диэлектрическая проницаемость (ε с), а наименьшее – ε, измеренное на чрезвычайно высокой частоте, приближающейся к частоте световых колебаний; это – оптическая диэлектрическая проницаемость (). Разность этих значений называется инкрементом диэлектрической проницаемости.
Количественной
мерой поляризации диэлектрика служит
вектор
поляризации
(поляризованности)
,
равный отношению электрического
дипольного момента малого объема
диэлектрика
к этому объему:
,
(2.8)
где
– электрический дипольный моментi
-ой
молекулы; N
– общее число молекул в объеме
.
Этот объем должен быть достаточно малым,
чтобы в его пределах поле можно было
считать однородным. В то же время число
молекул в таком объеме должно быть
достаточно велико, чтобы к ним можно
было применить статистические
закономерности. Таким образом,
поляризованность диэлектрика численно
равна дипольному электрическому моменту
единицы объема вещества.
В
пределах малого объема
все молекулы диэлектрика имеют одинаковые
дипольные моменты
,
поэтому с учетом (2.6) и (2.7) получаем
где n – концентрация молекул диэлектрика.
Величина
называетсядиэлектрической
восприимчивостью
вещества. Из рассмотрения механизма
поляризации неполярных диэлектриков
следует, что их диэлектрическая
восприимчивость не зависит явно от
температуры (см. 2.5). Температура может
влиять на значение
только косвенно – через концентрацию
молекул.
Диэлектрическая восприимчивость полярных диэлектриков обратно пропорциональна температуре (рис. 2.3). Из (2.7) получаем, что
.
(2.10)
Тепловое
движение мешает выстраивать электрические
моменты полярных молекул по направлению
.
.
При этом поляризованность полярного
диэлектрика достигает максимального
значения. Поэтому линейная зависимость
модуля поляризованности от модуля
напряженности поля наблюдается только
в достаточно слабых полях (рис.2.4).
(часто его называют вектором электрического
смещения):где
– относительная
диэлектрическая проницаемость вещества
.
Это безразмерная величина, причем
.
можно найти следующим образом.
.
Электрические моменты и оси всех диполей
диэлектрика ориентированы одинаково
– вдоль направления поляризованности.
Внешняя нормаль к границе диэлектрика
составляет некоторый угол
с направлением векторов
и
.
Выделим в слое некоторый объем диэлектрика
в виде косого цилиндра с площадью
основанияdS
и длиной образующей l
.
Суммарный электрический момент диполей,
попавших в этот объем, определится
произведением модуля связанного заряда
на поверхности диэлектрика
иl
:
.
(2.12)
С другой стороны, в соответствии с (2.8),
где
– проекция вектора поляризации на
нормаль к границе диэлектрика. Сравнение
(2.12) и (2.13) дает
.
(2.14)
Таким образом, поверхностная плотность связанных зарядов на границе диэлектрика с другой средой (с другим веществом) равна проекции вектора поляризации диэлектрика на нормаль к выбранной поверхности.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Бийский технологический институт
(филиал) ФГБОУ ВПО
«Алтайский государственный
технический университет
им. И.И. Ползунова»
(БТИ АлтГТУ)
На тему: Поляризация диэлектриков
Выполнил:
студент группы ПС-11
Комарова.А.В.
Проверил:
Шалунов А. В.
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Понятие поляризации 3
2 Механизмы поляризации 4
3 Виды поляризации 5
3.1 Электронная поляризация 5
3.2 Ионная поляризация 6
3.3 Упруго-дипольная поляризация 7
3.4 Ионно-релаксационная поляризация 8
3.5 Дипольно-релаксационная поляризация 9
3.6 Миграционная (межслоевая) поляризация 11
3.7 Электронно-релаксационная поляризация 11
3.8 Поляризация ядерного смещения 12
3.9 Остаточная (электретная) поляризация 12
3.10 Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация 13
3.11 Пьезоэлектрическая поляризация 14
4 Классификации диэлектриков 15
5 Виды поляризации по скорости протекания процесса 17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 20
Суть явления поляризации заключается в том, что под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля.
Свое применение в электротехнических приборах диэлектрики нашли за счет способности поляризоваться .
Диэлектриком называют "вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле" и в котором возможно существование электростатического поля, так как электрические заряды его атомов, молекул или ионов связаны
Используемые же на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обуславливают электропроводность на постоянном токе .
Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул, возникающая в любом диэлектрике при воздействии электрического поля.
Выделяют два определения поляризации:
Свойство световых и электромагнитных колебаний размещаться в одной определенной плоскости. Плоскость поляризации падающего луча.
Отложение на электродах различных веществ, ослабляющих силу тока. Поляризация электродов.
В зависимости от механизма или порядка смещения электрических зарядов различают следующие виды поляризации:
Электронная поляризация;
Ионная поляризация;
Упруго-дипольная поляризация;
Ионно-релаксационная поляризация;
Дипольно-релаксационная поляризация;
Миграционная (межслоевая) поляризация;
Электронно-релаксационная поляризация;
Поляризация ядерного смещения;
Остаточная (электретная) поляризация;
Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация;
Пьезоэлектрическая поляризация .
Значение емкости конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд обусловлены несколькими механизмами поляризации, которые различны у разных диэлектриков и могут иметь место одновременно у одного и того же материала.
На рисунке 1 представлена эквивалентная схема диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, можно представить в виде ряда подключенных параллельно к источнику напряжения конденсаторов.
В зависимости от характера химической связи различают следующие 3 основные механизмы поляризации диэлектриков: электронную, ионную и дипольную (ориентационную).
Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и превалирует в кристаллах с ковалентной связью. Под действием внешнего электрического поля P происходит смещение электронов атома относительно его ядра (деформация его электронной оболочки) и возникают индуцированные диполи. Диэлектрические свойства индуцированных диполей относятся к числу резонансных явлений.
Электронный механизм поляризации является наименее инерционным, т.к. масса электрона значительно меньше массы частиц, участвующих в процессе поляризации. Время установления электронной поляризации составляет ≈ 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний .
Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации. Время восстановления составляет 10 -13 сек.
Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерями энергии до резонансных частот. Значение диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией численно равно квадрату показателя преломления света. Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Кривая зависимости от температуры подобна кривой изменения плотности; причем наиболее резкие снижения наблюдаются при переходах вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2 – Переход вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное
а) под напряжением; б) без напряжения;
Рисунок 3 – Поляризация атомов
На рисунке 3 показано графическое изображение поляризации атомов.
Как мы видим орбиты электронов вытягиваются под действием напряжения .
Ионная поляризация - наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время электронной поляризации весьма мало - на 2 - 3 порядка больше электронной поляризации.
В диэлектриках с ионным типом химической связи под действием электрического поля происходит смещение положительных ионов относительно отрицательных. Время установления ионной поляризации составляет обычно 10 -14 – 10 -15 с. Это означает, что данная поляризация полностью успевает устанавливаться в переменных полях, включая сверхвысокочастотные (10 10 - 10 11 Гц). В то же время в инфракрасной области спектра наблюдается запаздывание в установлении ионной поляризации.
Диэлектрическая проницаемость увеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для керамического материала - электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы .
Рисунок 4 – Ионная поляризация молекулы
На рисунке 4 представлена схема ионной поляризации молекулы.
Во многих диэлектриках имеются молекулы, которые обладают собственным электрическим моментом. При изменении направления ориентации диполей во внешнем электрическом поле возникают упругие возвращающие силы.
В газах и жидкостях полярные молекулы разориентированы за счет теплового движения, так что результирующая поляризация равна нулю. Под действием внешнего поля устанавливается некоторая преимущественная ориентация диполей в направлении поля.
Во внешнем электрическом поле имеет место упругое отклонение дипольных моментов от равновесной ориентации, как это показано на рисунке 5.
Рисунок 5 – Упругий поворот диполя во внешнем поле
Когда диполи связаны достаточно жестко, при наложении внешнего электрического поля происходят упругие изменения в их направлении.
Поляризуемость зависит от электрического момента каждой молекулы, энергии межмолекулярных связей и направления электрического поля. Когда внутреннее и внешнее поля параллельны, поляризуемость равна нулю. Поэтому вклад упругой дипольной поляризации может обуславливать анизотропию диэлектрической проницаемости .
Наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных веществах с неплотной упаковкой ионов. В этих случаях слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля получают избыточные перебросы в направлении поля, как показано на рисунке 6.
С повышением температуры поляризация значительно увеличивается.
Рисунок 6 – Зависимость потенциальной энергии иона от расстояния при внешнем электрическом поле
В отсутствие внешнего электрического поля все направления перебросов ионов через потенциальный барьер равновероятны. Поэтому распределение ионов равномерно.
Контрольная работа >> Биология
Определяются процессами как электропроводности, так и поляризации . Диэлектрики в электрическом поле Установим метровую деревянную... тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика , т. е. смещение в противоположные стороны разноименных...
Поверхности. Диполь в электрическом поле. Поляризация диэлектриков . Напряженность поля в диэлектрике . Электрическое смещение. Работа при... нуля, на поверхности диэлектрика появляются связанные электрические заряды. Поляризация диэлектрика означает, что...
Электроизоляционных материалов. Что называют поляризацией диэлектрика . Какие виды поляризации можно считать мгновенными, а какие...
Раз поле ослабляется за счет поляризации диэлектрика . 3. Условия для E и D на границе двух... , что в целом дипольный момент диэлектрика равен нулю. Поляризация сегнетоэлектрика во внешнем электрическом...
Все известные в природе вещества, в соответствии с их способностью
проводить электрический ток, делятся на три основных класса
: диэлектрики
, полупроводники и проводники.
Если удельное сопротивление у проводников
равно , то у диэлектриков
, а полупроводники
занимают промежуточную область 
В идеальном диэлектрике свободных зарядов , то есть способных перемещаться на значительные расстояния (превосходящие расстояния между атомами), нет . Но это не значит, что диэлектрик, помещенный в электростатическое поле, не реагирует на него, что в нем ничего не происходит.
Любое вещество состоит из атомов, образованных положительными ядрами и отрицательными электронами. Поэтому в диэлектриках происходит поляризация .
Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией .Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков.
Видов поляризации много.
Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную , ионную и ориентационную (дипольную). Рис. 4.1 иллюстрирует механизм этих видов поляризуемости.
Электронная поляризуемость обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра. Ионная поляризуемость вызвана смещением заряженных ионов по отношению к другим ионам. Ориентационная (дипольная) поляризуемость возникает, когда вещество состоит из молекул, обладающих постоянными электрическими дипольными моментами, которые могут более или менее свободно изменять свою ориентацию во внешнем электрическом поле.
Есть и другие виды поляризации. Главное в поляризации – смещение зарядов в электростатическом поле. В результате, каждая молекула или атом образует электрический момент p (рис. 4.2):
 |
(4.1.1) |
Ясно, что электрический момент p пропорционален напряженности Е – напряженности электростатического поля в месте нахождения молекулы, то есть внутри вещества.
К чему приводит поляризация? Рассмотрим рис. 4.3.
Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но на внешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются заряды противоположного знака (поверхностно связанные заряды).
Обозначим – электростатическое поле связанных зарядов . Оно направлено всегда против внешнего поля . Следовательно, результирующее электростатическое поле внутри диэлектрика
| (4.1.2) |
Итак, электростатическое поле внутри диэлектрика всегда меньше внешнего поля. Во сколько раз?
Рассмотрим некоторые количественные соотношения.
Поместим диэлектрик в виде параллелепипеда в электростатическое поле (рис. 4.4).
Электрический момент тела , можно найти по формуле:
| (4.1.3) |
где – поверхностная плотность связанных зарядов.
Введем новое понятие – вектор поляризации – электрический момент единичного объема.
(т.к. – объем параллелепипеда).
Приравняем (4.1.3.) и (4.1.5) и учтем, что – проекция на направление – вектора нормали, тогда
| (4.1.6) |
Поверхностная плотность поляризационных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности.
Отсюда следует, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E" будет влиять только на нормальную составляющую вектора напряженности электростатического поля .
Вектор поляризации можно представить так:
| (4.1.7) |
где α – поляризуемость молекул, – диэлектрическая восприимчивость – макроскопическая безразмерная величина, характеризующая поляризацию единицы объема.
Следовательно, и у результирующего поля изменяется, по сравнению с ,только нормальная составляющая. Тангенциальная составляющая поля остается без изменения.
Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Поляризованность.
Диэлектриками
называются
вещества, которые в обычных условиях
практически не проводят электрический
ток, их удельное сопротивление в раз
больше, чем у металлов. Согласно
представлениям классической физики, в
диэлектриках, в отличие от проводников,
нет свободных носителей заряда, которые
могли бы под действием электрического
поля создавать ток проводимости.
К
диэлектрикам относятся все газы;
некоторые жидкости (дистиллированная
вода, масла, бензол); твердые тела (стекло,
фарфор, слюда). Термины "диэлектрик"
и "диэлектрическая постоянная"
были введены в науку в 1837 г. M.
Фарадеем.
Диэлектрики,
как и любые вещества, состоят из атомов
и молекул. В целом молекулы нейтральны,
тем не менее, они взаимодействуют с
электрическим полем. Например, в случае,
когда симметрия молекулы отлична от
сферической, ее можно представить в
виде электрического
диполя
. Электрический
дипольный момент молекулы
,
где q
-
суммарный заряд ядер или электронов; l
-
вектор, представляющий собой плечо
эквивалентного диполя.
Молекулы,
обладающие электрическим дипольным
моментом, называют полярными. Полярным
диэлектриком является вода; следующие
вещества: CO; N 2 O;
S 2 O;
NH; HCl также имеют в своем составе полярные
молекулы. В объеме вещества дипольные
моменты молекул распределены по разным
направлениям хаотическим образом, так
что их сумма равна нулю .
Молекулы,
у которых положения эквивалентного
положительного и эквивалентного
отрицательного заряда совпадают и,
следовательно, дипольный момент каждой
молекулы равен нулю (),
называют неполярными
.
Такие вещества, как 
состоят
из неполярных молекул.
Если
диэлектрик внести в электрическое поле,
то это поле и сам диэлектрик претерпевают
существенные изменения.
Поляризация диэлектриков - явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации . Физический смысл вектора электрической поляризации - это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.
Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).
Поляризация - состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.
Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.
Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е 1 , направленное против внешнего поля с напряженностью Е 0 . Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е 0 -Е 1 .
Если
поместить диэлектрик во внешнее
электрическое поле, то он поляризуется,
т. е. получит неравный нулю дипольный
момент p
V =∑p
i где p
i -
дипольный момент одной молекулы. Чтобы
произвести количественное описание
поляризации диэлектрика вводят векторную
величину - поляризованность
,
которая определяется как дипольный
момент единицы объема диэлектрика:
(1)
Из
опыта известно, что для большого класса
диэлектриков (за исключением
сегнетоэлектриков, см. далее)
поляризованность Р
зависит
от напряженности поля Е
линейно. Если диэлектрик изотропный и Е
численно
не слишком велико, то
(2)
где
θ - диэлектрическая
восприимчивость вещества
,
она характеризует свойства диэлектрика;
θ – безразмерная величина; притом всегда
θ>0 и для большинства диэлектриков
(жидких и твердых) составляет несколько
единиц (но, например, для спирта θ≈25,
для воды θ≈80).
Для
определения количественных закономерностей
электрического поля в диэлектрике
поместим в однородное внешнее электрическое
поле Е
0
(к
примеру, между двумя бесконечными
параллельными разноименно заряженными
плоскостями) пластинку из однородного
диэлектрика, расположив ее, согласно
рис. 1. Под действием поля диэлектрик
поляризуется, т. е. осуществляется
смещение зарядов: положительные смещаются
по направлению поля, отрицательные -
против направления поля. В результате,
на правой грани диэлектрика, который
обращен к отрицательной плоскости,
будет избыток положительного заряда с
поверхностной плотностью +σ", на левой
грани - отрицательного заряда с
поверхностной плотностью –σ". Эти
нескомпенсированные заряды, которые
появляются в результате поляризации
диэлектрика, называются связанными
.
Поскольку их поверхностная плотность
σ" меньше плотности σ свободных зарядов
плоскостей, то не все поле Е
компенсируется
полем зарядов диэлектрика: часть линий
напряженности проходит сквозь диэлектрик,
другая же часть - останавливается на
связанных зарядах. Значит, поляризация
диэлектрика вызывает уменьшение в нем
поля по сравнению с первоначальным
внешним полем. Вне диэлектрика Е
= Е
0
.
