4.2 Поляризация диэлектриков

Под действием внешнего электрического поля диэлектрики поляризуются, в результате ориентации диполей в электрическом поле. Поляризация диэлектрика (Р) представляет сумму двух составляющих: деформационной (Р_деф) и ориентационной (Р_ор):

Р=Р_деф+ Р_ор

Р_деф обусловлена деформацией электронных оболочек атомов или ионов и является основным видом поляризации в неполярных полимерах. Диполи, возникающие в результате деформационной поляризации, называются наведенными.

Р_ор обусловлена ориентацией слабосвязанных ионов внутри диэлектрика или постоянных диполей, характеризуется постоянным дипольным моментом. Р_ор является основным видом поляризации полярных полимеров, но определенный вклад вносит и Р_деф.

Деформационная поляризация устанавливается достаточно быстро (10^-14 – 10^-12 с), ориентация же диполей происходит в течение определенного времени за счет сильного внутри и межмолекулярного взаимодействия. Это явление называется диэлектрической релаксацией, а время, в течение которого поляризация диэлектрика уменьшается в е раз, называется временем диэлектрической релаксации .

В жидкостях ориентация диполей происходит достаточно быстро и . В твердых телах, в виду малой подвижности диполей, процессы ориентации протекают медленно и время релаксации велико. При мгновенной ориентации диполей суммирующая напряженность составляла бы Д_теор=Е_П+ Р, то при запаздывающей ориентации суммарная напряженность Д_реальн будет меньше Д_теор за счет необратимого рассеивания электрической энергии и превращения ее в тепло. Эти потери называются диэлектрическими (Д_теор- Д_реальн=диэлектрические потери). Они равны количеству тепла, выделяющегося в единице объема диэлектрика при прохождении тока через него.

В идеальном диэлектрике при отсутствии потерь энергии вектор тока опережает вектор напряжения на φ = 90 ⁰. В реальном диэлектрике этот угол будет меньше на величину δ, называемую углом диэлектрических потерь.

Экспериментально определяют не угол δ, а его тангенс:

коэффициент потерь (проекция I_P на ось Е_п);

диэлектрическая постоянная (проекция I_P на ось I)

Чем больше , тем меньше долговечность диэлектриков и полупроводников. В мощных коротковолновых установках, работающих при высоких напряжениях и частотах, количество выделяющейся теплоты столь велико, что разрушаются такие термостойкие материалы как фарфор и стекло. Поэтому в современной радиотехнике применяют диэлектрики с низкими значениями=10^-4. Этим требованиям удовлетворяет ПС, ПЭ.

Зависимость от различных факторов

1. Температура.

Зависимость от температуры носит экстремальный характер с максимумом в области температуры стеклования.

2. Строение полимера:

А) полярность макромолекул. С увеличением полярноси полимера возрастает :

Название полимера
ПЭ	2,3	2*10^-4
Натуральный каучук	2,36	3*10^-3
ПВХ	3,3	2*10^-2

Б) Гибкость. С уменьшением гибкости макромолекул возрастают диэлектрические потери и максимум на кривой - Т смещается в область высоких температур.

В) Регулярность и стереорегулярность полимера. Чем выше регулярность и стереорегулярность полимера тем меньше .

3. Физическое состояние и геометрия макромолекул

А) В стеклообразном состоянии разветвления и сшивки снижают подвижность макромолекул, увеличивают время структурной релаксации и .

Б) В ВЭС с увеличением степени разветвленности и сшивания уменьшается, максимум смещается в область более высоких температур.

4. Надмолекулярная структура. У кристаллических полимеров обычно чем у аморфных, но не всегда.

5. Добавки.

А) неполярный, хорошо совместимый с полимером пластификатор уменьшает ;

Б) Полярный пластификатор увеличивает .