1.3. Представление об идеальном диэлектрике.

Все диэлектрические материалы имеют молекулярное или ионное строение. Молекулы, в свою очередь состоят из атомов, состоящих в свою очередь, из электронов и положительно заряженных ядер. При этом суммарный заряд всех отрицательно и положительно заряженных частиц, образующих диэлектрик, равен нулю. Идеальный диэлектриксостоит только из связанных между собой заряженных частиц, которые в силу пространственной структуры молекул, могут образовывать электрические диполи (полярные молекулы); свободных носителей заряда в нем нет. Поэтому электропроводность в идеальном диэлектрике отсутствует. Под действием приложенного напряжения все связанные заряженные частицы диэлектрика упорядоченно смещаются из своих равновесных состояний на ограниченные расстояния, а электрические диполи выравниваются по полю. В результате этих процессов диэлектрик поляризуется, в нем возникает электрический дипольный момент. Упорядоченное смещение связанных заряженных частиц и ориентация диполей приводит к образованию в материале так называемых токов смещения.

В реальных диэлектриках, используемых в электротехнике, в результате дефектов строения и наличия ионогенных примесей, кроме связанных заряженных частиц появляются и свободные заряженные частицы (свободные заряды), которые не связаны с определенными молекулами и не имеют постоянного равновесного положения. Под действием приложенного напряжения эти свободные частицы перемещаются в диэлектрике на относительно большие расстояния. Содержание свободных зарядов в диэлектриках ничтожно мало, их электропроводность в 10¹¹– 10²⁶раз меньше, чем у проводников. Таким образом, в реальных диэлектриках под действием внешнего электромагнитного поля имеет место как поляризация, так и электропроводность, обусловленная перемещением свободных зарядов на относительно большие расстояния.

Способность диэлектрика поляризоватьсяпод действием приложенного электромагнитного поляявляется его фундаментальным свойством, которым обладают как реальные диэлектрики, так и идеальный диэлектрик.

Тема 2. Поляризация диэлектриков.

2.1. Перекличка. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

2.2.

2.3.

2.1. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

2.1.1. Ковалентная связь.

2.1.2. Ионная связь.

2.1.3. Характеристики электрического диполя.

2.2. Виды поляризации

Как известно молекулы состоят из атомов, окруженных электронными оболочками. При этом электроны могут равномерно распределяться по молекуле, а могут и концентрироваться на каких-либо атомах. В первом случае говорят, что молекула неполярная. Пример - молекула водорода или атом гелия, или молекула бензола. Во втором случае в молекуле образуются области с положительным и отрицательным зарядом. Если в молекуле можно выделить направление, вдоль которого с одной стороны можно расположить положительные заряды, а с другой стороны - отрицательные, то такая молекула называется полярной или дипольной. Пример, молекула HCl, в которой электрон переходит с атома водорода на атом хлора, тем самым хлор заряжается отрицательно, а водород - положительно.

Поляризация – это такое явление, когда под действием внешнего электрического поля происходит ограниченное перемещение связанных заряженных частиц и некоторое упорядочение в расположении диполей, совершающих хаотическое тепловое движение , в результате чего в диэлектрике образуется результирующий электрический дипольный момент.

В отсутствии внешнего электрического поля все связанные и свободные заряженные частицы диэлектрика, а также его полярные молекулы (диполи), расположены таким образом, что общий электрический дипольный момент всех микроскопических объемов равен или близок к нулю. Под действием приложенного электрического поля все связанные заряженные частицы смещаются из своих равновесных положений на ограниченные расстояния. Возникает поляризация диэлектрика и его результирующий дипольный момент становится отличным от нуля.

Следует различать два основных вида поляризации. Первый вид поляризации происходит в диэлектрике под действием электрического поля практически мгновенно, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла. Он называется упругой или деформационной поляризацией.Второй вид поляризации нарастает и убывает замедленно и сопровождается нагреванием диэлектрика. Второй вид поляризации называетсярелаксационной. Вид поляризации в первую очередь зависит от того, какие частицы диэлектрика, смещаясь, вызывает поляризацию, а также на какие расстояния они смещаются. Все частицы диэлектрика, способные смещаться и вызывать поляризацию, можно разделить на две группы упруго (сильно) связанные и слабо связанные.

Упруго связанные заряды имеют одно положение равновесия, около которого они совершают тепловое движение. Под действием электрического поля они смещаются на небольшие расстояния: электроны смещаются в пределах атома или иона, атомы – в пределах молекулы, ионы – в пределах ячейки кристаллической решетки и т.д.

Слабо связанные частицы (например, ионы в неплотно упакованной кристаллической решетке, в аморфном теле или на дефектах строения) имеют несколько положений равновесия, в которых они располагаются случайно и равновероятно. Слабо связанные частицы могут случайно перемещаться между положениями равновесия в ходе теплового движения. Электрическое поле придает таким переходам направленный характер. Смещение слабо связанных частиц происходит на гораздо большие расстояния, чем для упруго связанных зарядов.

Соответственно первый вид поляризации вызван процессами, которые связаны с упруго связанными частицами, релаксационная поляризация связана со слабо связанными зарядами.

К

Рис.3. Схематическое изображение электронной поляризации.

деформационным видам поляризации относится электронная и ионная.

1. Электронная поляризациязаключается в упругом смещении (деформации) электронных оболочек атомов относительно ядра (рис.3.) и имеет место во всех диэлектриках. Время установления этого вида поляризации чрезвычайно мало (τ = 10^-14– 10^-15с). Показатели электронной поляризации не зависят от температуры и частоты приложенного напряжения, а с увеличением размера атома возрастают пропорционально кубу радиуса атома.

2. Ионная поляризация. Наблюдается в кристаллических и аморфных телах ионного строения (кварц, асбест, слюда, стекло и др.)

Достаточно часто молекула диэлектрика состоит из атомов различных химических элементов, имеющих разные электрические заряды. Ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, несут на себе электрические заряды разной полярности. По действием внешнего электрического поля происходит смещение ионов на расстояние в пределах шага решетки, т.е. происходит упругая деформация всей кристаллической решетки (для аморфных веществ – апериодической сетки). Например, поваренная соль NaClимеет кубическую кристаллическую решетку. Под действием внешнего электрического поля эта решетка деформируется, отдельные ячейки теряют кубическую форму, отдельные ребра решетки растягиваются и сжимаются. Показатели ионной поляризации не зависят от частоты напряжения, однако линейно зависят от температуры вещества, так как происходит изменение энергии упругой связи между ионами.

К релаксационным видам поляризации относятся:

3. Ионно-релаксационная поляризация.Она наблюдается в стеклах, а также в веществах с неплотной упаковкой кристаллической решетки (электротехническая керамика, асбест, мрамор), когда в отдельных узлах решетки имеются незанятые вакансии. В отсутствии электрического поля слабо связанные ионы при тепловом движении могут хаотично перемещаться между вакансиями, а под действием внешнего поля переходы в направлении поля становятся более вероятными, что приводит к появлению направленных переходов ионов. Ионы могут перемещаться на расстояния большие, чем шаг кристаллической решетки. С повышением температуры ионно-релаксационная поляризация нелинейно усиливается за счет увеличения числа ионов, участвующих в перемещениях.

4. Дипольно-релаксационная поляризациянаблюдается в диэлектриках молекулярного строения с полярными молекулами, находящимися в газообразном, жидком и твердом аморфном состоянии. У таких диэлектриков молекулы даже в отсутствии внешнего электрического поля уже имеют постоянный дипольный момент, (например, полихлордифенилы, ПВХ и др.). Дипольно-релаксационная поляризация заключается в более упорядоченном положении дипольных молекул (диполей), совершающих тепловое движение. Этот вид поляризации зависит от температуры и частоты приложенного напряжения. С увеличением температуры межмолекулярные силы ослабляются, снижается вязкость вещества, что усиливает дипольную поляризацию. Дальнейшее увеличение температуры усиливает тепловое движение и снижает ориентирующее воздействие поля. Дипольная поляризация при этом начинает снижаться.

Контрольные вопросы по лекции №3.

1. Представление об идеальном диэлектрике.

2. Определение явления поляризации.

3. Типы поляризации.

4. Виды деформационной поляризации.

Поворот диполей в вязкой среде требует выполнения механической работы, поэтому дипольная поляризация связана с потерями энергии. Промежуток времени τ, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшится в e=2.7раза от первоначального значения, называется временем релаксации.

Если τ больше полупериода приложенного напряжения, то диполи не успевают ориентироваться вслед за изменяющимся полем, и дипольно-релаксационная поляризация не имеет места.

В полимерах, имеющих более сложное молекулярное строение, имеют место разновидности дипольной поляризации: дипольно-сегментальная и дипольно-групповая поляризация. В первом случае поляризация обусловлена подвижностью отрезков молекулярных цепей и заключается в создании упорядоченности в расположении таких сегментов. Дипольно-групповая поляризациясвязана с ориентацией полярных групп или боковых ответвлений молекулярных цепей. Под полярными группами понимают атомы или группы атомов, имеющих неуравновешенную ковалентную полярную связь, например хлор, -Cl, метильная группа –CH₃, гидроксильная группа –OHи другие, часто встречающиеся в структуре органических молекул.

5. Миграционная поляризация.Наблюдается в твердых диэлектриках с макроскопической неоднородной структурой и при наличии примесей, в том числе влаги. Эта поляризация связана со значительным рассеянием энергии и проявляется на низких частотах. При появлении электрического поля свободные заряды перемещаются в пределах отдельных неоднородностей или дефектов, образуя большие поляризованные области. Этот вид поляризации характеризуется большим значением времени релаксации. Увлажнение диэлектрика может приводить к существенному увеличению миграционной поляризации на низких (2-3 герца) частотах.

6. Самопроизвольная (доменная) поляризациянаблюдается для веществ, имеющих отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом при отсутствии внешнего электрического поля. Однако при этом ориентация электрического поля в разных доменах различна. Наложение внешнего поля приводит к появления направления преимущественной ориентации электрических моментов доменов, что дает эффект очень сильной поляризации. Пространственное положение самих доменов при этом не изменяется.