При действии электрического поля на диэлектрик в нем протекает процесс поляризации.
Поляризация – ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация полярных молекул под действием электрического поля.
Количественной мерой поляризации единицы объема диэлектрика служит поляризованность P, являющаяся векторной суммой индуцированных дипольных моментов p 0 всех (n) частиц (микрообъемов) диэлектрика:
, (1.2)
где ε0 = 8,854 · 10–12 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; α – поляризуемость данной частицы (микрообъема), E' –напряженность локального электрического поля, действующего на частицу (микрообъем).
Поляризуемость α является микроскопической характеристикой поляризации диэлектрика.
Для линейных диэлектриков в области слабых электрических полей:
P = ε0 (ε – 1) E = ε0χ E, (1.3)
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость, χ – диэлектрическая восприимчивость, E – напряженность электрического поля, действующего на диэлектрик.
Относительная диэлектрическая проницаемость ε характеризует способность вещества к поляризации, является макроскопической характеристикой поляризации диэлектрика.
Численное значение относительной диэлектрической проницаемости показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при замене вакуума между его обкладками на исследуемый диэлектрик:
, (1.4)
где Cх – суммарная емкость конденсатора, Ф; C 0– емкость конденсатора с вакуумом между обкладками, Ф; Cd – емкость конденсатора, обусловленная поляризацией диэлектрика, Ф.
Из (1.4) следует, что ε не может быть меньше единицы. Для вакуума ε = 1.
Связь между ε и α устанавливает уравнение Клаузиуса–Мосотти:
, (1.5)
Емкость плоского конденсатора определяется по выражению:
, (1.6)
где S – площадь электрода, м2; d – толщина диэлектрика между электродами, м.
Из (1.2) получим:
, (1.7)
Величина, характеризующая изменение ε при нагревании диэлектрика на один градус, называется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости:
, К−1. (1.8)
Виды поляризации
Все виды поляризации подразделяются на упругие (быстрые или деформационные), обусловленные смещением сильно связанных зарядов, и релаксационные (медленные), обусловленные смещением слабо связанных зарядов.
К упругим видам поляризации относятся электронная и ионная. К релаксационным – дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная, спонтанная, миграционная и резонансная.
Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием электрического поля.
Электронная поляризацияимеет место у всех диэлектриков, независимо от их агрегатного состояния и строения. В чистом виде электронная поляризациянаблюдается в неполярных диэлектриках молекулярного строения. 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.
Ионная поляризация – упругое смещение сильно связанных ионов под действием внешнего электрического поля на величину менее параметра кристаллической решетки.
Ионная поляризация наблюдается в кристаллических диэлектриках ионного строения с плотной упаковкой ионов. Ионная поляризация всегда сопровождается электронной поляризацией. Время установления поляризации 10–13–10–12 с.
Относительная диэлектрическая проницаемость при ионной поляризации не зависит от частоты и напряженности электрического поля.
Ионно-релаксационная поляризация – упорядоченное смещение слабо связанных ионов под действием электрического поля на величину, превышающую параметр кристаллической решетки (у кристаллических веществ) или расстояние между ионами (у аморфных веществ).
Поляризация имеет место в твердых диэлектриках ионного строения аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой решетки ионами.
Дипольно-релаксационная поляризация – преимущественная ориентация дипольных молекул вещества, находящихся в непрерывном тепловом хаотическом движении, под действием внешнего электрического поля.
Дипольно-релаксационнаяполяризация наблюдается в полярных газообразных, жидких и твердых веществах молекулярного строения.
Продолжительность установления дипольно-релаксационной поляризации характеризуют временем релаксации.
Время релаксации – промежуток времени в течение которого после внезапного снятия внешнего поля степень упорядоченности диполей уменьшается в е (~ 2,7) раз.
Время релаксации составляет 10–8 – 10–1 с.
В полимерных диэлектриках дипольно-релаксационая поляризация проявляется в виде двух разновидностей: дипольно-сегментальной и дипольно-групповой.
Дипольно-сегментальная поляризация заключается в создании электрическим полем некоторой упорядоченности в положении отрезков молекулярных цепей (сегментов), совершающих хаотическое тепловое движение.
Этот вид поляризации наблюдается при температурах выше температуры стеклования Т с в полярных и неполярных полимерах.
Температура стеклования – температура перехода аморфного полимера при нагревании из стеклообразного состояния (СС) в высокоэластическое состояние (ВЭС). В стеклообразном состоянии полимеры твердые и хрупкие, подобно неорганическим стеклам, имеют полностью обратимую (упругую) деформацию, которая очень мала и происходит при больших усилиях. В ВЭС полимеры, в результате уменьшения межмолекулярного взаимодействия, обладают значительной упругой деформацией, развивающейся при приложении небольших усилий.
Дипольно-групповая поляризация заключается в ориентации полярных групп макромолекул (–Cl, –F, –ОН, –NН2, –NО2, –СОН и т.п.) и боковых ответвлений (–CН3 и т.п.) под действием электрического поля. Этот вид поляризации наблюдается при Т > Т с в полярных полимерах.
Миграционная поляризация заключается в накоплении свободных зарядов на границах раздела фаз в многокомпонентных диэлектриках (слоистые диэлектрики и диэлектрики-статистические смеси) ввиду различной электропроводности фаз. Миграционная поляризация слоистых диэлектриков (гетинакс, текстолит и др.) называется межслойной.
Резонансная поляризация – возникает при совпадении собственных частот колебаний молекул, атомов, валентных электронов диэлектрика с частотой приложенного электрического поля в области СВЧ и оптических частот.
Токи в диэлектрике
Полный ток J, протекающий через конденсатор, между обкладками которого находится диэлектрик, определяется как:
J =J c + J абс + J ск, (1.9)
где J c – емкостной ток, обусловлен смещением сильно связанных зарядов в процессе электронной и ионной поляризаций;
- J абс – ток абсорбции, обусловлен смещением слабо связанных зарядов в процессах релаксационных видов поляризации;
- J ск – ток сквозной проводимости, обусловлен движением свободных зарядов в диэлектрике под действием электрического поля.
Диэлектрические потери
Диэлектрические потери – часть энергии приложенного электрического поля, которая поглощается в диэлектрике. Эта энергия превращается в тепло и нагревает диэлектрик.
Релаксационные виды поляризации сопровождаются нагревом диэлектрика, то есть сопровождаются потерями энергии электрического поля. Упругие виды поляризации не вызывают потерь энергии электрического поля в диэлектрике.
В диэлектриках возникают следующие виды диэлектрических потерь.
Потери на электропроводность – обусловлены током сквозной проводимости, имеют место во всех реальных диэлектриках, в постоянном и переменном электрических полях.
Релаксационные потери – обусловлены релаксационными видами поляризации. Возникают в полярных диэлектриках молекулярного строения, в полярных и неполярных полимерах, в аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой ионов ионных диэлектриках. Имеют место в переменных электрических полях.
Ионизационные потери – обусловлены потерями энергии электрического поля на ионизацию газообразных диэлектриков и газовых включений в жидких и твердых диэлектриках.
Потери на неоднородность структуры – обусловлены миграционной поляризацией.
Резонансные потери − обусловлены резонансной поляризацией.
