Механизмы поляризации

Емкость конденсатора с диэлектриком и накопленный в конденсаторе электрический заряд обусловливаются суммой различных механизмов поляризации, присущих данному диэлектрику.

Эквивалентной схемой диэлектрика, в котором проявляются различные механизмы поляризации, служит ряд емкостей, включенных параллельно источнику напряжения U (рис. 2.1.1).

Емкость С₀ и заряд Q₀ соответствуют собственному полю электродов, если в пространстве между ними имеется вакуум. Все остальные С и Q характеризуют различные механизмы поляризации.

Электронная поляризация (С_Э, Q_Э) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов, молекул и ионов. На рис. 2.1.2 этот вид поляризации показан на модели атомов водорода. Время установления электронной поляризации ничтожно мало и составляет около 10^-15 с. Поэтому электронную поляризацию условно называют мгновенной. Она проявляется на всех частотах электро- и радиотехнического диапазонов.

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерями энергии. Величина относительной диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света. Поляризуемость частиц вещества (атомов, молекул, ионов) при электронной поляризации не зависит от температуры. Однако величина уменьшается с повышением температуры, что можно объяснить тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема.

Рис. 2.1.1. Эквивалентная схема диэлектрика сложного состава с различными механизмами поляризации.

U - источник напряжения; С₀ и Q₀ - емкость и заряд в вакууме; остальные индексы соответствуют электронной, ионной, дипольно-релаксационной, ионно-релаксационной, спонтанной и структурной поляризациям;

r с соответствующими индексами — сопротивления, эквивалентные потерям энергии при этих механизмах поляризации; R_из — сопротивление изоляции току сквозной электропроводности через диэлектрик.

Рис. 2.1.2. Упрощенная схема моделей атомов водорода:

а - без поля; б - при воздействии электрического поля.

Ионная поляризация (С_и, Q_и) характерна для твердых тел с ионным строением и обусловливается упругим смещением ионов на расстояния, меньшие постоянной решетки. На рис. 2.1.3, изображающем модель кристаллической решетки каменной соли, показано смещение ионов натрия и хлора из узлов решетки: первых—по направлению поля, вторых—в противоположную сторону.

Время установления ионной поляризации - порядка 10^-13с .. С повышением температуры величина поляризации возрастает, поскольку тепловое расширение, удаляя ионы друг от друга, ослабляет действующие между ними упругих сил.

Для диэлектриков с ионным строением имеет смысл рассматривать температурную зависимость только в пределах твердого состояния, так как при расплавлении ионные соединения становятся проводниками второго рода.

Дипольно-релаксационная поляризация (С_др, Q_др, r_др) отличается от электронной и ионной тем, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. На рис.2.1.4 показано примерное расположение дипольных молекул в отсутствие поля и при его воздействии на диэлектрик. Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабевают, что должно было бы усиливать дипольно-релаксационную поляризацию; но одновременно усиливается тепловое хаотическое движение молекул, а это уменьшает ориентирующее влияние поля. В результате с увеличением температуры величина дипольно-релаксационной сначала возрастает, причем это продолжается до тех пор, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения.

Затем, когда хаотическое движение, стимулируемое продолжающимся ростом температуры, становится интенсивнее, величина дипольно-релаксационной поляризации начинает падать. Ориентация диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольно-релаксационная поляризация связана с потерями энергии. Это учтено в схеме, показанной на рис. 2.1.1, где последовательно с емкостью включено активное сопротивление r_др.

Рис.2.1.3. Модель кристаллической решетки каменной соли

В вязких жидкостях сопротивление поворотам молекул настолько велико, что при высоких частотах диполи не успевают ориентироваться в направлении поля, в результате чего с увеличением частоты приложенного напряжения дипольно-релаксационная поляризация уменьшается.

Дата добавления: 2014-01-20