Поляризация диэлектриков

Электрические процессы в диэлектриках

ЛЕКЦИЯ №3

При приложении напряжения в диэлектрике протекают различные эле-ктрические процессы – поляризация, электропроводность и др. При большом

напряжении может произойти разрушение диэлектрика (пробой).

Поляризация диэлектрика – это процесс упорядочения его связанных зарядов под действием приложенного электрического поля.

Электронная поляризация. При приложении напряжения в диэлектрике создается электрическое поле с напряженностью Е, силы которого действуют на атомы диэлектрика. Под действием этих сил электроны в каждом из атомов смещаются относительно своего ядра в сторону положительного эле-ктрода (рисунок 2.1).

а) б)

Рисунок 2.1 – Электронная поляризация диэлектрика (а), зависимость диэле-ктрической проницаемости неполярных диэлектриков от температуры (б).

Смещенные электроны образуют с положительными зарядами ядер атомов пары связанных друг с другом электрических зарядов, которые называются упругими диполями. Образование упругих диполей в диэлек-трике происходит мгновенно (в течение 10^-14 ÷10^-16 с). так же мгновенно уп-ругие диполи исчезают, если с диэлектрика (конденсатора) снять напря-жение. Процесс образования упругих диполей происходит у всех диэлектриков и называется электронной поляризацией. Мгновенное смещение электронов в диэлектрике и образование упругих диполей внешне проявляет себя в виде тока смещения в диэлектрике (см. рисунок 1.3-б).

Практическое значение процесса поляризации заключается в том, что диэлектрическая проницаемость материала зависит от интенсивности проте-кающего в нем процесса поляризации. В простейшем случае этот процесс может быть выражен уравнением

ε_r = 1 + 4 π n α_Э, (3)

где n –концентрация частиц (атомов, молекул) в диэлектрике; α_Э –электрон-ная поляризуемость – величина, зависящая от структуры молекулы.

Из уравнения (3) видно, что ε_r зависит от концентрации поляри-зующихся частиц и их способности поляризоваться, т.е. от величин n и α_Э. Поэтому диэлектрическая проницаемость диэлектриков с кристаллической структурой больше диэлектрическая проницаемость диэлектриков с аморфной структурой, т.к. плотность упаковки поляризующихся атомов и молекул в первом случае больше, чем во втором.

На основании уравнения (3) также можно сказать, что ε_r с увеличением температуры диэлектрика уменьшается, как показано на рисунке 2.1 (б). Это объясняется увеличением объёма диэлектрика и уменьшением концентрации поляризующихся частиц в единице объёма. Особенно это заметно у диэлектрика кристаллической структуры в момент перехода его из твердого состояния в жидкое при температуре плавления Т _пл. Такая зависимость диэлектрической проницаемости от температуры наблюдается только у непо- лярных диэлектриков, состоящих из электрически нейтральных молекул, у которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Дипольная поляризация. Полярные диэлектрики состоят из полярных молекул, имеющих положительно и отрицательно заряженные ионы, центры зарядов которых не совпадают (рисунок 2.2-а). Полярные молекулы являются электрически заряженными, так как они обладают начальным электрическим моментом μ. Величина μ равна произведению заряда q одного из ионов на расстояние l между центрами ионов, т.е. μ = ql. Электрический момент μ

а) б) в)

Рисунок 2.2 – Схема полярной молекулы (а), зависимость диэлектрической проницаемости от температуры полярного 1 и неполярного 2 диэлектриков (б), зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для полярного 1 и неполярного 2 диэлектриков (в).

обозначается вектором, направленным от отрицательного иона к положительному. Такая система зарядов называется твердым диполем в отличие от упругого диполя, образующего из нейтральной молекулы под действием электрического поля.

Твердые диполи возникают в диэлектрике до воздействия приложенного напряжения. Образование твердых диполей и, следовательно,

полярных молекул обусловлено асимметрией строения молекул многих диэлектриков. Если к полярному диэлектрику приложить электрическое напряжение, в нем возникнут два вида поляризации: электронная и дипольная. Сначала происходит процесс быстрого (порядка cотых долей пикосекунды) смещения электронов относительно ядер в атомах диэлектрика – электронная поляризация. Затем протекает более замедленный процесс дипольной поляризации. Он представляет собой поворот полярных молекул под действием сил электрического поля. Внешне поворот полярных молекул проявляется в виде тока абсорбции.

Поскольку в полярных диэлектриках происходят два вида поляризации, их диэлектрическая проницаемость будет значительно больше, чем у неполя-

рных диэлектриков. Рост диэлектрической проницаемости у полярного диэлектрика при увеличении температуры (рисунок 2.2-б, кривая 1) вызван повышением интенсивности процесса дипольной поляризации. Это объясняется уменьшением межмолекулярных сил, что облегчает поворот по-

лярных молекул поддействием сил электрического поля. Изменение значения ε_r у неполярных диэлектриков (кривая 2) связано с уменьшением концентрации молекул.

Зависимость диэлектрической проницаемости полярного диэлектрика от частоты (рисунок 2.2.-в, кривая 1) имеет резкий излом. Так, до частоты f₁ почти все молекулы успевают совершить поворот за время одного полупериода электрического поля. При частоте f₂ и выше полярные молеку-лы не успевают развернуться и ориентироваться в электрическом поле, т.е. интенсивность процесса дипольной поляризации резко снижается. Соответ-

ственно уменьшается и диэлектрическая проницаемость ε_r. В области частот выше f₂ имеет место процесс только электронной поляризации, дипольная же поляризация практически отсутствует. Диэлектрическая проницаемость неполярного диэлектрика не зависит от частоты приложенного напряжения в широком диапазоне частот (кривая 2), поскольку имеет место мгновенный процесс электронной поляризации, практически не зависящий от частоты. Поэтому в технике высоких частот широко используют неполярные диэлектрики.

Ионная поляризация имеет место в ионных кристаллических диэлект-риках. Приложение напряжения вызывает появление сил, под воздействием которых ионы упруго смещаются относительно своего первоначального по-ложения за время 10^-13 ÷ 10^-12 с, образуя упругий диполь. Наряду с процессом ионной поляризации имеет место и электронная поляризация, поэтому об-щая интенсивность поляризации у ионных кристаллических диэлектриков большая, поэтому диэлектрическая проницаемость у них ε_r = 5÷12 и более, не зависящая от частоты. Ионные диэлектрики (радиокерамика, слюда) ши-роко применяются в радиоэлектронике.

Спонтанная поляризация. У некоторых диэлектриков (сегнетова соль) наблюдается процесс самопроизвольной ориентации диполей при отсутствии внешнего электрического поля. Ориентированные диполи образуют области с одинаковым направлением вектора дипольного момента – домены, но раз-ные домены имеют разные направления векторов и общий электрический мо-мент сегнетоэлектрика равен нулю. Если к сегнетоэлектрику приложить на-пряжение, домены начинают ориентироваться по направлению сил электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков весьма велика (ε_r = 1500÷7500) и она в сильной степени зависит как от температуры, так и от на- пряженности электрического поля.

Дата добавления: 2014-01-20