Основные виды поляризации диэлектриков.
Лекции.Орг

Поиск:


Основные виды поляризации диэлектриков.




Различают два вида поляризации: быстрый и медленный.

К быстрому виду относится поляризация, совершающаяся практически мгновенно, вполне упруго, без рассеяния энергии, т. е. без выделе­ния тепла. Это электронная и ионная поляризации.

К медленному (релаксационному) виду относится поляризация, совершающаяся не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Сюда относят дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, миграционную и спонтанную поляризации.

2.2.1 Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время уста­новления электронной поляризации ничтожно мало (около 10-15 с).

Для понимания механизма электронной поляризации рассмотрим рис. 2.2. Как видно из рисунка при отсутствии электрического поля (рис. 2.2, а) электрон (-) вращается вокруг ядра (+) симметрично относительно его центра. Если принять скорость электрона достаточно большой, можно сделать допущение, что заряд электрона распределен равномерно по оси его вращения. А значит, центры положительного и отрицательного зарядов будут совпадать и находиться в центре атома.

 

                               а)                                               б)

 

Рис 2.2 Положение зарядов в атоме без приложения электрического поля (а)

и в электрическом поле (б).

 

Если приложить электрическое поле (рис. 2.2, б), заряды начнут смещаться к противоположным обкладкам и орбита электрона будет деформироваться. В такой системе центры положительного и отрицательного (точка 1) зарядов перестают совпадать, а в диэлектрике вблизи обкладок начнут накапливаться заряды (см. рис. 2.1 б).

На рис. 2.3 показано влияние внешних факторов на величину электронной поляризации.

 

 

Рис 2.3 Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (T)

и частоты (f).

 

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры обусловлена тепловым расширением вещества и, соответственно, уменьшением числа атомов и молекул в единице объёма. Зависимость от частоты электрического поля отсутствует, поскольку электронная поляризация протекает практически мгновенно.

2.2.2 Ионная поляризация. Наблюдается в твердых телах ионного строения (кварц, слюда, асбест, стекло и т. п.). Заключается в смещении упруго связанных ионов под действием приложенного поля. Время уста­новления - около 10-13 с. Механизм ионной поляризации представлен на рис. 2.4.

 

Рис 2.4 Ионная решетка без электрического поля (слева)

и при воздействии электрического поля Е (справа).

 

Как видно из рисунка без приложения электрического поля положительные и отрицательные заряды ионной решетки расположены симметрично, а их центры совпадают (находятся в точке 1). При воздействии электрического поля Е заряды начнут смещаться к противоположным обкладкам и центр отрицательных зарядов (точка 2) сместится относительно центра положительных зарядов (точка 3). Вследствие этого внутри диэлектрика появится собственное электрическое поле Ед, направленное в противоположную от Е сторону, а вблизи обкладок начнут накапливаться заряды (см. рис. 2.1 б).

На рис. 2.5 показано влияние внешних факторов на величину ионной поляризации.

 

 Рис 2.5 Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (T)

и частоты (f).

 

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры обусловлена ослаблением упругих сил, действующих между ионами и увеличением их подвижности. Выше температуры плавления tпл связи между ионами разрушаются, а значит ионная поляризация прекращается. Зависимость от частоты электрического поля отсутствует, поскольку ионная поляризация протекает практически мгновенно.

2.2.3 Дипольно-релаксационная (дипольная) поляризация. Заключается в том, что дипольные молекулы (см. п.1.1), находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля (см. рис. 2.6).

 

                           а)                                                  б)

 

Рис 2.6 Схематичное изображение дипольно-релаксационной поляризации.

а) диполи разупорядочены и находятся в хаотическом тепловом движении

б) ориентация диполей вдоль линий электрического поля Е.

 

В начальный момент времени (рис. 2.6, а) диполи направлены в разные стороны и совершают хаотические тепловые колебания. Вследствие разупорядоченности результирующий электрический момент всех диполей равен нулю. Под действием сил электрического поля (рис. 2.6, б) диполи начнут поворачиваться, стремясь сориентироваться вдоль линий электрического поля Е, т.е. положительным полюсом к отрицательному электроду, отрицательным – к положительному. Кроме ориентации диполи еще растягиваются электрическим полем, и величина дипольного момента при этом возрастает.

Поворот диполей в направлении поля требует преодоления сил сопротивления соседних диполей, т.е. диполи поворачиваются как бы с «трением». Поэтому дипольная поляризация протекает длительное время и сопровождается потерями энергии, выделяющейся в виде тепла.

Зависимость дипольной поляризации от внешних факторов демонстрирует рис. 2.7.

                                     а)                                              б)

 

Рис 2.7 Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (а)

и частоты (б).

 

Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если межмолекулярные взаимодействия не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры взаимодействие между диполями ослабляется, что усиливает дипольно-релаксационную поляризацию. Но в то же время возрастает энергия хаотического теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние внешнего электрического поля. Поэтому с увеличением температуры, вначале, пока ослабление сил межмолекулярного взаимодействия преобладает над возрастанием интенсивности хаотического теплового движения молекул, величина дипольно-релаксационной поляризации растет, а затем, когда преобладает интенсивность теплового движения молекул (тепловая энергия «разбрасывает» диполи), поляризация уменьшается (рис. 2.7, а).

Значительное влияние на дипольно-релаксационную поляризацию имеет часто­та (рис. 2.7, б). Пока частота мала - диполи успевают следовать за по­лем и диэлектрическая проницаемость близка к значению, измерен­ному при постоянном напряжении (e=). Когда же частота становился на­столько большой, что диполи уже не успевают следовать за измене­нием поля (f > fo), диэлектрическая проницаемость уменьшается, стремясь к значению, обусловленному элект­ронной поляризацией.

Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных газах, жидкостях, но может наблюдаться и в твердых диэлектриках. В некоторых твердых, в большинстве своем органических, диэлектриках дипольно-релаксационная поляризация обычно обусловлена не ориентацией самой молекулы, а ориентацией имеющихся в ней полярных радикалов. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной.

2.2.4 Ионно-релаксационная поляризация. Заключается в смещениях слабосвязанных ионов под действием внешнего электрического поля. Этот вид поляризации связан с потерями энергии.

Поляризация заметно усиливается с повышением температуры (рис. 2.8, а) за счет ослабления сил межионного взаимодействия и роста число ионов, перемещае­мых в новые положения. При увеличении частоты, величина e снижается за счет инерционности процесса переориентации (рис. 2.8, б).

 

                                     а)                                              б)

 

Рис 2.8 Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (а)

и частоты (б).

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках аморфного строения (стекла, керамика и т. д.), а также в неорганических кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (рыхлого строения).

2.2.5 Электронно-релаксационая 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, «загрязнённая» примесями Nb+5, Ca+2, Ba+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.

2.2.6 Миграционная (структурная) поляризация наблюдается в технических диэлектриках с проводящими и полупроводящими включениями, слоистых и композиционных диэлектриках. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения (слоя), образуя поляризованные области на границе раздела сред (рис. 2.9).

 

 

                                     а)                                              б)

Рис 2.9 Перераспределение зарядов в слоистых диэлектриках (а) и в

диэлектриках, содержащих включения (б).

 

Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому этот вид поляризации возможен лишь на низких частотах.

2.2.7 Спонтанная (самопроизвольная) поляризация наблюдает­ся у ceгнетоэлектриков (по названию сегнетовой соли NaKC4H4O6×4H2O – первого вещества, в котором было обнаружено это явление).

В сегнетоэлектриках имеются отдельные области (домены), обладающие элект­рическим моментом в отсутствии внешнего поля. Однако ори­ентация электрических моментов в разных доменах различная, и результирующий момент равен нулю (рис. 2.10, а). Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических момен­тов отдельных доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации (рис. 2.10, б).

                                     а)                                              б)

 

Рис 2.10 Ориентация электрических моментов в доменах в отсутствии

электрического поля (а) и при его приложении (б).

Одним из основных параметров сегнетоэлектриков является сегнетоэлектрическая точка Кюри (Тк)– температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагреве) спонтанная поляризация. Выше точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического в пароэлектрическое состояние (рис. 2.11).

 

 

Рис 2.11 Температурная зависимость диэлектрической проницаемости

в сегнетоэлектриках.

 





Дата добавления: 2018-10-15; просмотров: 198 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов


Читайте также:

Рекомендуемый контект:


Поиск на сайте:



© 2015-2020 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.006 с.