Диэлектрическая проницаемость и ее связь с процессами поляризации

Лекция № 6

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при действии на него электрического напряжения, является поляризация - ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значениям диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика. В нагреве технического диэлектрика могут участвовать содержащиеся в нем немногочисленные свободные заряды, обуславливающие возникновение под воздействием электрического напряжения малого сквозного тока, проходящего через толщу диэлектрика и его поверхности.

Любой диэлектрик может быть использован только при напряжениях, не превышающих предельных значений, выше которых наступает пробой - полная потеря им диэлектрических свойств.

Значение напряжения, при котором наступает пробой, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности внешнего однородного электрического поля - электрической прочностью диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость и ее связь с процессами поляризации

Под влиянием электрического поля связанные электрические заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля. При снятии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. В полярных диэлектриках, содержащих дипольные молекулы, воздействие электрического поля вызывает еще и ориентацию диполей в направлении поля; при отсутствии поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения.

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости.

Заряд конденсатора, как известно равен:

Q = C V, (3.1)

где С - емкость конденсатора; V - приложенное напряжение. Заряд Q слагается из заряда Q₀, который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и заряда Q_Д, который обусловлен поляризацией диэлектрика, фактически разделяющего электроды:

Q = Q₀ + Q_Д (3.2)

Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость e_r. Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду Q₀, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же направлении, если бы между электродами находился вакуум:

(3.3)

Из выражений (3.3) следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только для вакуума.

Соотношение (3.1) может быть представлено в виде:

Q = Q₀ e_r = C V = C₀ V e_r, (3.4)

где C₀ - емкость, которую имел бы данный конденсатор, если бы его электроды разделял бы вакуум. Из этой формулы следует, что диэлектрическую проницаемость вещества e_r можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум.

Выделены два основных вида поляризации:

- поляризация под воздействием электрического поля практически мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения теплоты;

- поляризация, совершаемая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием - релаксационная поляризация.

К первому виду относятся электронная и ионная, остальные механизмы поляризации принадлежат к релаксационной.

Особым механизмом поляризации является резонансная, наблюдаемая в диэлектриках при весьма высоких частотах.

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех видах диэлектриков. Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время - 10^-14 - 10^-15 с, что сравнимо со временем световых колебаний.

Рисунок 3.1 - Электронная поляризация

 

При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается.

Ионная поляризация - смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. На рис. 3.2 показана поляризация элементарной ячейки ионного кристалла типа NaCl. Центры положительных и отрицательных зарядов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние x в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях. Ионная поляризация устанавливается за 10^-13-10^-14 с.

Рисунок 3.2 - Ионная поляризация

 

Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Сущность этого вида поляризации заключается в повторе (ориентации) в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент. Дипольная поляризация по своей природе связана с тепловым движением молекул и на нее оказывает существенное влияние температура.

Поляризованность Р_Д дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

P_Д (t) = P_Д (0) exp (-t / t). (3.5)

Постоянную времени этого процесса t называют временем релаксации дипольной поляризации. Если период приложенного переменного напряжения меньше t, то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем, и дипольная поляризация не дает вклада в поляризованность диэлектрика. Так как t обычно имеет порядок 10^-6-10^-10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах ниже 10⁶-10¹⁰ Гц. При понижении температуры t сильно возрастает.

Миграционная поляризация наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.