Виды поляризации диэлектриков

В зависимости от времени протекания все виды поляризации подразделяются на упругие (быстрые или деформационные) и релаксационные (медленные).

Упругие поляризации (электронная и ионная) заключаются в мгновенном смещении сильно связанных зарядов (электронов и ионов) при приложении электрического поля и мгновенном их возвращении в исходное равновесное состояние после прекращения действия поля.

Для упругих видов поляризации имеет место соотношение:

t << T /2 = 1/2 f, (13)

где t- время смещения зарядов, T /2 – полупериод приложенного напряжения, f – частота напряжения.

Релаксационные поляризации (дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная, спонтанная, миграционная и резонансная) заключаются в относительно медленном смещении слабо связанных зарядов (диполей, ионов и др.) при приложении электрического поля и медленном их возвращении в равновесное состояние после прекращения действия поля.

Для релаксационных видов поляризации:

t ≈ T /2. (14)

Упругие поляризации не сопровождаются потерями энергии электрического поля, то есть не вызывают нагрев диэлектрика. Релаксационные поляризации сопровождаются потерями энергии электрического поля.

Электронная поляризация

Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием электрического поля (рис.9.2).

При электронной поляризации в поляризованной частице образуется дипольный момент μ_э = | q |· l (рис. 9.2б).

Электронная поляризацияимеет место у всех диэлектриков, независимо от их агрегатного состояния и строения. В чистом виде электронная поляризацияимеет место в газообразных, жидких и твердых неполярных диэлектриках молекулярного строения. При этом в полимерах – ниже температуры стеклования. Время установления этого вида поляризации составляет 10^-15 - 10^-14 с.

Относительная диэлектрическая проницаемость при электронной поляризации не зависит от частоты и напряженности электрического поля - ε ≠ φ(f, E).

(а) (б)

Рис. 9.2. Схема электронной поляризации атома водорода: а - атома водорода в отсутствие электрического поля (E = 0), б – поляризованный атом (E ≠ 0)

Рис. 9.3. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость неполярных диэлектриков молекулярного строения

При повышении температуры относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков уменьшается (рис. 3.3), причем, при температурах плавления t _пл и кипения t _кип – скачкообразно. Уменьшение e при увеличении температуры объясняется уменьшением числа поляризуемых молекул (n) в единице объема вещества вследствие его температурного расширения (см. формулу 8). Для диэлектриков с чисто электронной поляризацией TK _ε < 0.

У газообразных диэлектриков (неон Ne, водород H₂, азот N₂ и др.) e ≈ 1, у жидких диэлектриков (трансформаторное масло, бензол С₆H₆, четыреххлористый углерод СCl₄ и др.) e ≈ 2, у твердых диэлектриков (парафин, сера, алмаз и др.) e = 2,5 ÷ 6.

Ионная поляризация

Ионная поляризация – упругое смещение сильно связанных ионов под действием внешнего электрического поля на величину менее параметра кристаллической решетки (рис. 9.4).

(а) (б)

Рис. 9.4. Схема ионной поляризации: (а) – элементарная кристаллическая ячейка в в отсутствие электрического поля (E = 0), б – поляризованная кристаллическая ячейка (E ≠ 0)

Ионная поляризация наблюдается в кристаллических диэлектриках ионного строения с плотной упаковкой решетки ионами (корундовая керамика Al₂О₃, слюда, кварц SiО₂, NaCl и др.).

Время поляризации - 10^-13 – 10^-12 с.

Ионная поляризация всегда сопровождается электронной поляризацией.

Суммарная поляризованность вещества определяется как:

, (15)

где - дипольный момент элементарной кристаллической ячейки, обусловленный ионной поляризацией, - элементарный дипольный момент, обусловленный электронной поляризацией.

Диэлектрическая проницаемость ионного кристалла:

ε = ε _э+ ε _и, (16)

где ε_э - диэлектрическая проницаемость, обусловленная электронной поляризацией, ε_и диэлектрическая проницаемость, обусловленная ионной поляризацией

Относительная диэлектрическая проницаемость при ионной поляризации, не зависит от частоты и напряженности электрического поля.

При нагревании ε возрастает линейно (ТК _ε > 0) (рис.9.5). Это связано с ослаблением межионных сил и увеличением смещения ионов относительно друг друга под действием электрического поля.

Для веществ с ионной поляризацией ε = 3 ÷ 10.

Рис.9.5. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость диэлектриков c плотной упаковкой решетки ионами; составляющие поляризации: 1 – электронная,

2 – ионная, 3 – количество частиц в единице объема диэлектрика (n)

Дипольно-релаксационная поляризация

Дипольно-релаксационная поляризация – преимущественная ориентация дипольных молекул вещества, находящихся в непрерывном тепловом хаотическом движении, под действием внешнего электрического поля (рис. 9.6).

(а) (б)

Рис.9.6. Схема дипольно-релаксационной поляризации:

а – ориентация диполей в отсутствие электрического поля; б – то же при наложении электрического поля; μ_i – дипольный момент молекулы

Дипольно-релаксационнаяполяризация наблюдается в полярных газообразных, жидких и твердых веществах молекулярного строения. В этих веществах наряду с дипольно-релаксационной поляризацией имеет место электронная поляризация.

Продолжительность установления дипольно-релаксационной поляризации характеризуют временем релаксации.

Время релаксации (τ_р) – промежуток времени в течение которого после внезапного снятия внешнего поля степень упорядоченности диполей уменьшается ве (~ 2,7) раз.

Время релаксации составляет 10^-8 ÷ 10^-1 с.

Для веществ с дипольно-релаксационной поляризацией ε = 3 ÷ 20 и более.

Дата добавления: 2017-01-13