ما هو استقطاب العوازل. العوازل وخصائصها، الاستقطاب وجهد انهيار العوازل

وزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي

معهد بييسك التكنولوجي

(فرع) FSBEI HPE

"ولاية ألتاي

جامعة فنية

هم. أنا. بولزونوف"

(بي تي آي ألتستو)

حول الموضوع: استقطاب العوازل

مكتمل:

طالب في مجموعة PS-11

كوماروفا.إيه.في.

التحقق:

شالونوف أ.ف.

مقدمة 3

1 مفهوم الاستقطاب 3

2 آليات الاستقطاب 4

3 أنواع الاستقطاب 5

3.1 الاستقطاب الإلكتروني 5

3.2 الاستقطاب الأيوني 6

3.3 الاستقطاب ثنائي القطب المرن 7

3.4 استقطاب الاسترخاء الأيوني 8

3.5 استقطاب ثنائي القطب للاسترخاء 9

3.6 استقطاب الهجرة (الطبقات البينية) 11

3.7 استقطاب الاسترخاء الإلكتروني 11

3.8 الاستقطاب التحيز النووي 12

3.9 الاستقطاب المتبقي (الإلكتريت) 12

3.10 الاستقطاب العفوي (الكهروضوئي) 13

3.11 الاستقطاب الكهرضغطي 14

4 تصنيفات العوازل 15

5 أنواع الاستقطاب حسب سرعة العملية 17

الاستنتاج 19

المراجع 20

مقدمة

جوهر ظاهرة الاستقطاب هو أنه تحت تأثير خارجي الحقل الكهربائييتم إزاحة الشحنات المقيدة للعازل الكهربائي في اتجاه القوى المؤثرة عليها، وكلما زادت شدة المجال، زاد الإزاحة.

لقد وجدت العوازل الكهربائية تطبيقها في الأجهزة الكهربائية نظرًا لقدرتها على الاستقطاب.

يُطلق على العازل الكهربائي "مادة تكون خواصها الكهربائية الرئيسية هي القدرة على الاستقطاب في مجال كهربائي" والتي من الممكن وجود مجال كهروستاتيكي فيها، حيث أن الشحنات الكهربائية لذراتها أو جزيئاتها أو أيوناتها متصلة

تحتوي المواد العازلة المستخدمة عمليًا أيضًا على شحنات مجانية، والتي تتحرك في مجال كهربائي، وتحدد التوصيل الكهربائي العاصمة.

1. مفهوم الاستقطاب

الاستقطاب هو إزاحة محدودة للشحنات المقيدة أو اتجاه جزيئات ثنائي القطب التي تحدث في أي عازل عند تعرضها لمجال كهربائي.

هناك تعريفان للاستقطاب:

خاصية الضوء والاهتزازات الكهرومغناطيسية لتكون موجودة في مستوى واحد محدد. مستوى استقطاب الشعاع الساقط.

ترسب المواد المختلفة على الأقطاب الكهربائية التي تضعف التيار. استقطاب الأقطاب الكهربائية.

اعتمادا على آلية أو ترتيب النزوح الشحنات الكهربائيةتتميز الأنواع التالية من الاستقطاب:

الاستقطاب الإلكتروني

الاستقطاب الأيوني

الاستقطاب ثنائي القطب المرن؛

استقطاب الاسترخاء الأيوني.

استقطاب ثنائي القطب للاسترخاء؛

استقطاب الهجرة (الطبقات البينية)؛

استقطاب الاسترخاء الإلكتروني؛

استقطاب الإزاحة النووية؛

الاستقطاب المتبقي (الإلكتريت)؛

الاستقطاب التلقائي (متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف)؛

الاستقطاب الكهرضغطي.

1. آليات الاستقطاب

يتم تحديد قيمة السعة للمكثف الذي يحتوي على عازل والشحنة الكهربائية المتراكمة فيه من خلال عدة آليات استقطاب تختلف باختلاف العوازل الكهربائية ويمكن أن تحدث في وقت واحد لنفس المادة.

يوضح الشكل 1 الدائرة المكافئة للعازل الذي توجد فيه آليات استقطاب مختلفة، والتي يمكن تمثيلها كسلسلة من المكثفات المتصلة بالتوازي مع مصدر الجهد.

اعتمادًا على طبيعة الرابطة الكيميائية، يتم تمييز الآليات الثلاثة الرئيسية التالية لاستقطاب العوازل الكهربائية: الإلكترونية والأيونية وثنائية القطب (الاتجاهية).

الاستقطاب الإلكتروني متأصل في جميع المواد العازلة ويسود في البلورات الرابطة التساهمية. تحت تأثير المجال الكهربائي الخارجي P، يتم إزاحة إلكترونات الذرة بالنسبة إلى نواتها (تشوه غلافها الإلكتروني) وتنشأ ثنائيات القطب المستحثة. تعد الخواص العازلة للثنائيات القطبية المستحثة من بين ظواهر الرنين.

آلية الاستقطاب الإلكتروني هي الأقل بالقصور الذاتي، لأن كتلة الإلكترون أقل بكثير من كتلة الجزيئات المشاركة في عملية الاستقطاب. وقت إنشاء الاستقطاب الإلكتروني هو ≈ 10-15 ثانية، وهو ما يشبه فترة التذبذبات الضوئية.

1. أنواع الاستقطاب

3.1 الاستقطاب الإلكتروني

الاستقطاب الإلكتروني - هذا هو إزاحة مدارات الإلكترون بالنسبة إلى نواة موجبة الشحنة. ويحدث في جميع ذرات أي مادة، وبالتالي في جميع العوازل، بغض النظر عن وجود أنواع أخرى من الاستقطاب فيها. وقت الاسترداد هو 10 -13 ثانية.

يتم ملاحظة الاستقطاب الإلكتروني في جميع أنواع العوازل الكهربائية ولا يرتبط بفقدان الطاقة حتى ترددات الرنين. ثابت العزل الكهربائي للمادة ذات الاستقطاب الإلكتروني البحت يساوي عدديًا مربع معامل انكسار الضوء. لا تعتمد قابلية استقطاب الجسيمات أثناء الاستقطاب الإلكتروني على درجة الحرارة، ويتناقص ثابت العزل مع زيادة درجة الحرارة بسبب التمدد الحراري للعازل وانخفاض عدد الجزيئات لكل وحدة حجم. منحنى درجة الحرارة مشابه لمنحنى الكثافة؛ علاوة على ذلك، لوحظت الانخفاضات الأكثر دراماتيكية أثناء تحولات المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة ومن السائلة إلى الحالة الغازية، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2 - تحول المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة ومن السائلة إلى الحالة الغازية

أ) تحت الجهد. ب) بدون توتر.

الشكل 3 - استقطاب الذرات

ويبين الشكل 3 تمثيل رسومي لاستقطاب الذرات.

كما نرى فإن مدارات الإلكترونات تستطيل تحت تأثير الجهد.

3.2 الاستقطاب الأيوني

يُلاحظ الاستقطاب الأيوني في المواد ذات الروابط الكيميائية الأيونية ويتجلى في إزاحة الأيونات المشحونة بشكل معاكس بالنسبة لبعضها البعض. كما هو موضح، فإن وقت الاستقطاب الإلكتروني قصير جدًا - 2-3 مرات أطول من الاستقطاب الإلكتروني.

في العوازل ذات النوع الأيوني من الروابط الكيميائية، تحت تأثير المجال الكهربائي، يتم إزاحة الأيونات الموجبة مقارنة بالأيونات السالبة. الوقت اللازم لإنشاء الاستقطاب الأيوني عادة ما يكون 10 -14 - 10 -15 ثانية. وهذا يعني أن هذا الاستقطاب لديه الوقت الكافي لترسيخ نفسه بشكل كامل في المجالات المتناوبة، بما في ذلك مجالات الموجات الدقيقة (10 10 - 10 11 هرتز). في الوقت نفسه، في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف هناك تأخير في إنشاء الاستقطاب الأيوني.

يزداد ثابت العزل الكهربائي مع زيادة درجة الحرارة بالنسبة للنظارات غير العضوية ذات التركيبات المختلفة، وبالنسبة للمواد الخزفية - الخزف الكهربائي الذي يحتوي على كمية كبيرة من الطور الزجاجي.

الشكل 4 - الاستقطاب الأيوني للجزيء

يوضح الشكل 4 رسمًا تخطيطيًا للاستقطاب الأيوني للجزيء.

3.3 الاستقطاب ثنائي القطب المرن

تحتوي العديد من العوازل الكهربائية على جزيئات لها عزم كهربائي خاص بها. عندما يتغير اتجاه اتجاه ثنائي القطب في مجال كهربائي خارجي، تنشأ قوى الاستعادة المرنة.

في الغازات والسوائل، تكون الجزيئات القطبية غير موجهة بسبب الحركة الحرارية، بحيث يكون الاستقطاب الناتج صفرًا. تحت تأثير مجال خارجي، يتم إنشاء اتجاه تفضيلي معين لثنائيات القطب في اتجاه المجال.

في المجال الكهربائي الخارجي، هناك انحراف مرن لعزوم ثنائي القطب من اتجاه التوازن، كما هو مبين في الشكل 5.

الشكل 5 - الدوران المرن لثنائي القطب في مجال خارجي

عندما تكون ثنائيات القطب متصلة بشكل صارم بما فيه الكفاية، تحدث تغييرات مرنة في اتجاهها عند تطبيق مجال كهربائي خارجي.

تعتمد قابلية الاستقطاب على العزم الكهربائي لكل جزيء، وطاقة الروابط بين الجزيئات، واتجاه المجال الكهربائي. عندما تكون المجالات الداخلية والخارجية متوازية، فإن قابلية الاستقطاب تكون صفر. ولذلك، فإن مساهمة الاستقطاب ثنائي القطب المرن يمكن أن يسبب تباين ثابت العزل الكهربائي.

3.4 استقطاب الاسترخاء الأيوني

ويلاحظ في النظارات غير العضوية وفي بعض المواد الأيونية ذات التعبئة السائبة من الأيونات. في هذه الحالات، تتلقى أيونات المادة ضعيفة الارتباط تحت تأثير مجال كهربائي خارجي عمليات نقل زائدة في اتجاه المجال، كما هو موضح في الشكل 6.

ومع زيادة درجة الحرارة، يزداد الاستقطاب بشكل ملحوظ.

الشكل 6 - اعتماد الطاقة الأيونية المحتملة على المسافة في مجال كهربائي خارجي

في غياب مجال كهربائي خارجي، تكون جميع اتجاهات انتقال الأيونات عبر حاجز الجهد محتملة بنفس القدر. ولذلك، فإن توزيع الأيونات موحد.

اختبار >> علم الأحياء

تحددها عمليات كل من التوصيل الكهربائي و الاستقطاب. العوازلفي مجال كهربائي دعونا نركب خشباً طوله متر... ماذا يحدث في المجال الكهربائي الاستقطاب عازل، أي الإزاحة في اتجاهين متعاكسين للأسماء المتضادة...

إمكانات المجال الكهروستاتيكي. العوازلفي مجال كهرباء

محاضرة >> الفيزياء

الأسطح. ثنائي القطب في مجال كهربائي. الاستقطاب العوازل. قوة المجال في عازل. التحيز الكهربائي. اعمل عند الصفر على السطح عازلتظهر الشحنات الكهربائية المرتبطة. الاستقطاب عازليعني أن...

تحديد القوة الكهربائية للغازات العوازل

أعمال المختبرات >> الصناعة والإنتاج

مواد عازلة للكهرباء. ماذا يسمون الاستقطاب عازل. ما هي أنواع الاستقطابيمكن اعتبارها لحظية، ولكن أي منها...

حساب المجال الكهربائي في عازل

محاضرة >> الفيزياء

منذ ضعف المجال بسبب الاستقطاب عازل. 3. شروط E وD عند حدود اثنين... وهو عزم ثنائي القطب الإجمالي عازليساوي الصفر. الاستقطابمتعلق بالعازل الكهربائي الشفاف في الكهرباء الخارجية ...

يشار إلى وحدة حجم العازلة. في بعض الأحيان يُطلق على ناقل الاستقطاب اسم الاستقطاب ببساطة.

• ينطبق متجه الاستقطاب على وصف الحالة العيانية للاستقطاب ليس فقط للعوازل الكهربائية العادية، ولكن أيضًا للعوازل الكهربائية الحديدية، ومن حيث المبدأ، أي وسائط ذات خصائص مماثلة. لا ينطبق هذا فقط على وصف الاستقطاب المستحث، ولكن أيضًا الاستقطاب التلقائي (في مجال الطاقة الكهروضوئية).

الاستقطاب هو حالة عازلة تتميز بوجود عزم ثنائي القطب الكهربائي في أي عنصر (أو أي عنصر تقريبًا) من حجمه.

يتم التمييز بين الاستقطاب المستحث في مادة عازلة تحت تأثير مجال كهربائي خارجي والاستقطاب التلقائي (العفوي)، الذي يحدث في المواد الكهروضوئية في غياب مجال خارجي. في بعض الحالات، يحدث استقطاب المادة العازلة (الكهروضوئية) تحت تأثير الضغط الميكانيكي أو قوى الاحتكاك أو بسبب التغيرات في درجات الحرارة.

لا يغير الاستقطاب الشحنة الصافية في أي حجم مجهري داخل عازل متجانس. ومع ذلك، فهو مصحوب بظهور شحنات كهربائية مرتبطة على سطحه بكثافة سطحية معينة σ. تخلق هذه الشحنات المرتبطة في العازل مجالًا مجهريًا إضافيًا بكثافة E 1، موجهًا ضد المجال الخارجي بكثافة E 0. شدة المجال الناتجة E داخل العازل هي E = E 0 -E 1 .

أنواع الاستقطاب

اعتمادًا على آلية الاستقطاب، يمكن تقسيم استقطاب العوازل الكهربائية إلى الأنواع التالية:

• إلكتروني - إزاحة الأغلفة الإلكترونية للذرات تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. أسرع استقطاب (حتى 10−15 ثانية). لا يرتبط بالخسائر.
• الأيونية - إزاحة العقدة الهيكل البلوريتحت تأثير مجال كهربائي خارجي وتكون الإزاحة بمقدار أقل من ثابت الشبكة. وقت التدفق 10−13 ثانية، دون خسائر.
• ثنائي القطب (الاتجاه) - يحدث مع خسائر للتغلب على قوى الاتصال و الاحتكاك الداخلي. يرتبط باتجاه ثنائيات القطب في مجال كهربائي خارجي.
• استرخاء الإلكترون - اتجاه الإلكترونات المعيبة في مجال كهربائي خارجي.
• الاسترخاء الأيوني - إزاحة الأيونات التي تكون ثابتة بشكل ضعيف في عقد البنية البلورية، أو الموجودة في الفجوة.
• الهيكلية - اتجاه الشوائب والشوائب العيانية غير المتجانسة في العازل. أبطأ نوع.
• عفوي (عفوي) - بسبب هذا النوع من الاستقطاب، في العوازل التي لوحظ فيها، يُظهر الاستقطاب خصائص غير خطية بشكل ملحوظ حتى عند القيم المنخفضة للمجال الخارجي، ويتم ملاحظة ظاهرة التباطؤ. تتميز هذه العوازل (العازلات الكهربائية الحديدية) بثوابت عازلة عالية جدًا (من 900 إلى 7500 لبعض أنواع السيراميك المكثف). يؤدي إدخال الاستقطاب التلقائي، كقاعدة عامة، إلى زيادة ظل المادة المفقود (حتى 10 −2)
• الرنين - اتجاه الجزيئات التي تتطابق تردداتها الطبيعية مع ترددات المجال الكهربائي الخارجي.
• يحدث استقطاب الهجرة بسبب وجود طبقات ذات موصلية مختلفة في المادة، وتكوين الشحنات الفضائية، خاصة عند تدرجات الجهد العالي، له خسائر كبيرة وهو استقطاب بطيء المفعول.

يصل استقطاب المواد العازلة (باستثناء استقطاب الرنين) إلى الحد الأقصى في المجالات الكهربائية الساكنة. في المجالات المتناوبة، بسبب وجود القصور الذاتي للإلكترونات والأيونات وثنائيات القطب الكهربائي، يعتمد ناقل الاستقطاب الكهربائي على التردد. في هذا الصدد، تم تقديم مفهوم التشتت المستمر للعازل الكهربائي.

اعتماد ناقل الاستقطاب على المجال الخارجي

في مجال ثابت

في المجالات الضعيفة

في مجال كهربائي خارجي ثابت أو متغير ببطء إلى حد ما مع قوة منخفضة بما فيه الكفاية لهذا المجال، يكون متجه الاستقطاب ص، كقاعدة عامة (باستثناء الطاقة الكهروضوئية)، يعتمد خطيًا على متجه شدة المجال ه:

(في نظام SGS)، (في نظام SI؛ يتم تقديم المزيد من الصيغ في هذه الفقرة فقط في SGS، وتستمر صيغ SI في الاختلاف فقط في الثابت الكهربائي)

أين هو المعامل اعتمادا على التركيب الكيميائيوالتركيز والهيكل (بما في ذلك من حالة التجميع) البيئة ودرجة الحرارة والإجهاد الميكانيكي، وما إلى ذلك (من بعض العوامل بقوة أكبر، ومن عوامل أخرى أضعف، بالطبع، اعتمادًا على نطاق التغيرات لكل منها)، وتسمى الاستقطاب (الكهربائي) (وفي كثير من الأحيان، على الأقل في هذه الحالة ، عندما يتم التعبير عنها بواسطة قابلية عازلة عددية) لوسط معين. بالنسبة إلى وسط متجانس ذو تركيب وبنية ثابتين في ظل ظروف ثابتة، يمكن اعتباره ثابتًا. ومع ذلك، فيما يتعلق بكل ما ذكر أعلاه، بشكل عام يعتمد الأمر على نقطة في المكان والزمان (بشكل صريح أو من خلال معلمات أخرى)، وما إلى ذلك.

بالنسبة للسوائل المتناحية أو المواد الصلبة أو البلورات المتناحية، يكون التماثل العالي كافيًا - مجرد رقم (عددي). في حالة أكثر عمومية (للبلورات ذات التماثل المنخفض، تحت تأثير الضغوط الميكانيكية، وما إلى ذلك) - موتر (موتر متماثل من المرتبة الثانية، غير متحلل بشكل عام)، يسمى موتر الاستقطاب. في هذه الحالة، يمكنك إعادة كتابة الصيغة مثل هذا (في المكونات):

حيث تتوافق الكميات ذات الرموز مع مكونات المتجه والموتر المقابلة للإحداثيات المكانية الثلاثة.

تجدر الإشارة إلى أن قابلية الاستقطاب هي إحدى الكميات الفيزيائية الأكثر ملاءمة لتوضيح المعنى الفيزيائي للموترات وتطبيقاتها في الفيزياء.

أما بالنسبة لأي موتر متماثل غير منحط من المرتبة الثانية، فيمكن اختيار موتر قابلية الاستقطاب (إذا كان الوسط غير متجانس - أي أن الموتر يعتمد على نقطة في الفضاء - ثم محليًا على الأقل، إذا كان الوسط متجانسًا، ثم عالميًا) ما يسمى. الأساس الخاص - الإحداثيات الديكارتية المستطيلة، حيث تصبح المصفوفة قطرية، وبعد ذلك - فقط في هذه الإحداثيات (!) - يتم تبسيط التدوين قليلاً:

حيث توجد ثلاث قيم ذاتية لموتر الاستقطاب.

إذا كانت كل هذه القيم الذاتية الثلاثة متساوية مع بعضها البعض، فإن الضرب في الموتر يعادل الضرب في عدد، ويكون الوسط متناحيًا (فيما يتعلق بالاستقطاب). (وهذا يوضح سبب عدم قدرة البلورة ذات التماثل العالي على إنتاج تباين الخواص: فقط ثلاث قيم ذاتية متطابقة يمكنها تلبية متطلبات التماثل).

في المجالات القوية

في المجالات القوية بما فيه الكفاية، يكون كل شيء موصوف أعلاه معقدًا بسبب حقيقة أنه مع زيادة شدة المجال الكهربائي، يتم فقدان خطية الاعتماد عاجلاً أم آجلاً صمن ه.

إن طبيعة اللاخطية الناشئة وشدة المجال المميزة التي تصبح اللاخطية ملحوظة بها أيضًا، بالطبع، تعتمد على الخصائص الفردية للوسط والظروف وما إلى ذلك.

يمكننا تسليط الضوء على علاقتهم بتلك الموصوفة أعلاه.

وبالتالي، بالنسبة للاستقطاب الإلكتروني والأيوني في المجالات التي تقترب من القيم بترتيب نسبة احتمال التأين إلى الحجم المميز للجزيء ش 0 /د، من المميز أن نمو متجه الاستقطاب يتسارع أولاً مع زيادة المجال (زيادة ميل الرسم البياني ف (ه)) ، ثم يتحول بسلاسة إلى انهيار عازل.

يكون الاستقطاب ثنائي القطب (الاتجاه) عند شدة مجال خارجي أقل قليلاً عادةً في حدود كيلو طن / ص(أين ص- عزم ثنائي القطب للجزيء، ت- درجة حرارة، ك- ثابت بولتزمان) - أي عندما تصبح طاقة تفاعل ثنائي القطب (الجزيء) مع المجال قابلة للمقارنة مع متوسط ​​طاقة الحركة الحرارية (الدوران) لثنائي القطب - على العكس من ذلك، تبدأ في الوصول إلى التشبع (مع مزيد من الزيادة في شدة المجال، عاجلاً أم آجلاً، سيتم وصف سيناريو الاستقطاب الإلكتروني أو الأيوني بشكل أعلى، وينتهي بالانهيار).

في مجال يعتمد على الوقت

إن اعتماد متجه الاستقطاب على مجال خارجي يتغير بسرعة مع مرور الوقت أمر معقد للغاية. يعتمد ذلك على نوع التغيير المحدد في المجال الخارجي مع مرور الوقت، وسرعة هذا التغيير (أو، على سبيل المثال، تردد التذبذب) للمجال الخارجي، والاستقطاب السائد في مادة أو وسط معين (والذي يتبين أيضًا أنه يختلف باختلاف اعتماد المجال الخارجي على الوقت والترددات وما إلى ذلك.).

مع تغير بطيء بما فيه الكفاية في المجال الخارجي، يحدث الاستقطاب بشكل عام كما هو الحال في مجال ثابت أو قريب جدًا منه (ومع ذلك، فإن مدى بطء تغير المجال لكي يحدث هذا يعتمد، وغالبًا ما يكون قويًا للغاية، على النوع السائد من المجال الاستقطاب وغيرها من الظروف، مثل درجة الحرارة).

أحد الأساليب الأكثر شيوعًا لدراسة اعتماد الاستقطاب على طبيعة المجال المتغير بمرور الوقت هي الدراسة (النظرية والتجريبية) لحالة الاعتماد الزمني الجيبي للمجال الخارجي واعتماد ناقل الاستقطاب (أيضًا يتغير في هذه الحالة وفقًا لقانون جيبي بنفس التردد) وسعةه وتحول الطور من التردد.

تتوافق كل آلية استقطاب بشكل عام مع نطاق ترددي أو آخر والطبيعة العامة للاعتماد على التردد.

يمتد نطاق التردد الذي يكون من المنطقي الحديث فيه عن استقطاب العوازل الكهربائية على هذا النحو من الصفر في مكان ما إلى منطقة الأشعة فوق البنفسجية، حيث يصبح التأين تحت تأثير المجال مكثفًا.

أي مادة، بغض النظر عن حالة تجمعها وتفاصيل تركيبها الذري الجزيئي، على سبيل المثال، البلورة الذرية أو الجزيئية أو الأيونية، وما إلى ذلك، تتكون في النهاية من نوى موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة.

لذلك، هناك آلية استقطاب واحدة فقط - وهي إزاحة الشحنات الموجبة على طول مجال الاستقطاب والشحنات السالبة على مجال الاستقطاب (الشكل 3.14). من المناسب هنا التأكيد على أن المادة لا يتم استقطابها بواسطة مجال خارجي (انظر، على سبيل المثال، (3.2) أعلاه)، ولكن بواسطة المجال الإجمالي الناتج عن كل من الشحنات الخارجية (التي لا تنتمي إلى العازل الكهربائي) والمادة المستقطبة بحد ذاتها. في المستقبل لن نؤكد على هذا على وجه التحديد.

أرز. 3.14. إزاحة الشحنات الموجبة على طول مجال الاستقطاب
والشحنات السالبة ضد مجال الاستقطاب

عند دراسة خصائص الاستقطاب لمواد محددة، من المعقول والمفيد تسليط الضوء على تلك السمات الرئيسية لآلية واحدة لحركة الشحنات تحت تأثير مجال الاستقطاب، والتي تحدد النتيجة: درجة وطبيعة استقطاب المادة. مادة. وهذا يقودنا إلى النظر في عدد من آليات الاستقطاب "المحددة"، مثل:

واشياء أخرى عديدة.

بضع كلمات عن الاستقطاب الأيوني المذكور أعلاه، والذي يحدث في بلورات مثل كلوريد الصوديوم NaCl. تحت تأثير المجال، يتم نقل أيونات الصوديوم الموجبة الشحنة Na + وأيونات الكلور سالبة الشحنة Cl - في اتجاهات مختلفة من مواقع توازنها، مما يجعل كل خلية أولية من البلورة تكتسب عزم ثنائي القطب الكهربائي. هذا المثال مفيد بالمعنى التالي: بغض النظر عن مدى تعقيد العازل الكهربائي - في هذه الحالة بلورة أيونية - فإن استقطابه يرجع إلى إزاحة الشحنات الموجبة والسالبة في اتجاهين متعاكسين. والسؤال هو ما هي حاملات الشحنة المحددة القادرة على مثل هذه الحركة: الإلكترونات الحرة في المعدن، وإلكترونات الغلاف الإلكتروني للذرات المحايدة أو الجزيئات في الغاز أو السائل المرتبط بقوة بالنوى، والأيونات في عقد الشبكة البلورية، و قريباً. يتم تحديد ذلك من خلال كيفية هيكلة العازل.

يمكن فهم العمليات التي تحدث في المادة العازلة أثناء استقطابها بناءً على مفهوم المادة العازلة كوسيط يتكون من شحنات متعاكسة متصلة بشكل زوجي. على عكس الموصلات، لا تحتوي العوازل الكهربائية على شحنات مجانية يمكنها، تحت تأثير مجال خارجي، التحرك عبر كامل حجم العينة. ترتبط الشحنات التي تتكون منها جزيئات العازل الكهربائي بإحكام ببعضها البعض وتكون قادرة على التحرك فقط داخل جزيئها (أو ذرتها)، أي على مسافة تصل إلى سم.

في جميع الحالات تقريبًا التي يتكون فيها العازل من جسيمات محايدة كهربائيًا (الذرات والجزيئات)، بغض النظر عن حالة التجميع، فمن الممكن تقليل جميع "الآليات الفرعية" للاستقطاب إلى نوعين. للقيام بذلك، من المعتاد تقسيم جميع الذرات والجزيئات والمواد العازلة المكونة لها إلى فئتين:

أرز. 3.15. استقطاب عازل غير قطبي

أرز. 3.16. آلية التوجيه لاستقطاب العازل القطبي

هنا هو متجه عزم ثنائي القطب لجزيء واحد، ويتم الجمع على جميع الجزيئات الموجودة داخل حجم متناهٍ في الصغر جسديًا. على سبيل المثال، فكر في كرة مستقطبة بشكل منتظم (الشكل 3.17).

أرز. 3.17. الاستقطاب والمجال الكهربائي للكرة ذات الاستقطاب المنتظم

عندما يتم استقطاب عازل كهربائي غير قطبي، يتشوه غلاف الإلكترون للذرة أو الجزيء - حيث يتم إزاحة الإلكترونات ضد مجال الاستقطاب، ويتم إزاحة النوى على طول المجال. تظهر مسافة معينة بين مراكز الشحنات الموجبة والسالبة المتزامنة سابقًا (في حالة عدم وجود مجال استقطابي). ونتيجة لذلك، تكتسب الذرة أو الجزيء بعضًا منها الناجم عنعزم ثنائي الاقطاب.

من الواضح إلى حد ما أن عزم ثنائي القطب المستحث سيكون متناسبًا مع حجم المجال الكهربائي الخارجي. يمكن فهم ذلك من خلال النظر في سلوك الطاقة المحتملة P( س) التفاعل بين جزيئين، حيث X- المسافة بينهما. دع حالة التوازن تتوافق مع المسافة (الجسيمات عند نقطة واحدة ولا يوجد عزم ثنائي القطب). بالنسبة للانحرافات الصغيرة عن موضع التوازن، يمكن أن يقتصر تمدد الطاقة الكامنة في متسلسلة تايلور على الحدود القليلة الأولى

باعتبار أن المشتقة الأولى عند نقطة التوازن هي صفر، وأن المشتقة الثانية عند هذه النقطة موجبة نجد أنه بالقرب من نقطة التوازن المستقر تتصرف طاقة الوضع على النحو التالي

وبناء على ذلك، عند الانحراف عن هذا الموقف، تنشأ قوة

,

تشبه القوة المرنة عند شد الزنبرك. إذا كانت الشحنات في الجزيء "متصلة" بمثل هذا "الزنبرك"، فعند تطبيق الحقل ه سيتم تحديد مسافة التوازن الجديدة بين الجزيئات من خلال العلاقة

ونتيجة لذلك، نجد قيمة عزم ثنائي القطب المتولد تحت تأثير المجال

ضرب عزم ثنائي القطب المستحث بتركيز الجزيئات المستقطبة ن/الخامس (ن- هُم العدد الكاملفي حجم الخامس)، نحصل على استقطاب العازل

إذا كتبنا الاستقطاب (3.16) بالشكل

حيث يكون الثابت (لمادة معينة) حسب التعريف قابلية العزل الكهربائيالمواد، إذن، في إطار هذا النموذج، يمكن حساب حساسية العزل الكهربائي باستخدام الصيغة التالية

في الجزيئات التي تسمى القطبية، يتم إزاحة مراكز الشحنات الموجبة والسالبة بالنسبة لبعضها البعض، وبالتالي فإن مثل هذا الجزيء له عزم ثنائي القطب خاص به. عندما يتم وضع مثل هذا الجزيء في مجال كهربائي، يتشوه غلافه الإلكتروني، وتزداد المسافة بين مراكز الشحنات، ويتم إضافة بعض عزم ثنائي القطب المستحث إلى عزم ثنائي القطب الجوهري الأصلي. ومع ذلك، يمكن إثبات أن العزم ثنائي القطب المستحث الإضافي هذا أصغر بكثير من العزم الجوهري. وبطبيعة الحال، هذا صحيح إذا كان مجال الاستقطاب أصغر بكثير من المجال الموجود داخل الجزيء. من حيث الحجم، فإن المجال داخل الجزيئي يساوي الوحدة الذرية لشدة المجال الكهربائي: V/m. في التعبير الكتابي عن الوحدة الذرية لشدة المجال الكهربائي، كتلة الإلكترون وشحنته وثابت بلانك. مع الأخذ في الاعتبار، على سبيل المثال، أن "الانهيار" - الذي يؤدي إلى تفريغ شرارة - فإن شدة مجال الهواء الجاف تبلغ V/m فقط، أي أقل بخمس مرات، يمكن القول أنه في الغالبية العظمى من التجارب، يمكن إهمال عزم ثنائي القطب المستحث، في وجود عزمه الخاص. في المستقبل، عند النظر في استقطاب العوازل ثنائية القطب، لن يؤخذ هذا التأثير (تحريض لحظة إضافية) في الاعتبار.

يتم توجيه نواقل لحظات ثنائي القطب الجوهرية للجزيئات الفردية في الحالة الطبيعية بشكل عشوائي بسبب الحركة الحرارية. ولذلك، في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي، فإن متوسط ​​عزم ثنائي القطب الإجمالي لأي حجم متناهي الصغر فيزيائيًا للعازل الكهربائي يساوي الصفر. بمعنى آخر، العازل غير مستقطب: استقطابه صفر.

يميل المجال الكهربائي الخارجي إلى توجيه عزم ثنائي القطب للجزيئات بالتوازي مع المتجه، والحركة الحرارية تمنع ذلك؛ فالعازل مستقطب، ويجب أن يعتمد استقطابه على درجة الحرارة، أي: مع زيادة درجة الحرارة يجب أن ينخفض. يتم حساب هذا الاعتماد أدناه؛ وسيظهر أيضًا أنه في حالة العوازل القطبية، فإن استقطابها يتناسب مع قوة مجال الاستقطاب. ويسمى هذا الاستقطاب توجيه(الشكل 3.18).

أرز. 3.18. الاستقطاب الاتجاهي للعازل

وفقا للصيغة (3.8)، الطاقة الكامنة لثنائي القطب في مجال خارجي هيعتمد على اتجاه ثنائي القطب

وفقًا لقانون بولتزمان الإحصائي (الشكل 3.19)، الذي يصف توزيع طاقة الجزيئات في مجال خارجي في ظل ظروف التوازن الديناميكي الحراري، يتم تحديد عدد الجزيئات التي يكون عزم ثنائي القطب فيها بزاوية مع المجال الخارجي كما يلي:

هنا مع- ثابت التطبيع والذي سنجد قيمته لاحقا، ت - درجة الحرارة المطلقةثابت بولتزمان - كب = 1.38·10 –23 جول/ك. نظرًا لصغر عزم ثنائي القطب للجزيئات، يكون الأس صغيرًا بالنسبة لدرجات الحرارة العادية (ليست منخفضة جدًا)، ويمكننا توسيع الأس في سلسلة تايلور، مع ترك الحدين الأولين

أرز. 3.19. بولتزمان (1844-1906) - فيزيائي نمساوي

نؤكد على أن استخدام التعبير التقريبي (3.18) وجميع الاستنتاجات التي تليه له ما يبرره عند درجات حرارة ليست منخفضة للغاية، عندما . ليس من الصعب إجراء عملية حسابية دقيقة باستخدام (3.17) بدلاً من العملية التقريبية (3.18)، والتي يمكن للقارئ القيام بها بشكل مستقل.

يجب أن يعطي التكامل على الزاوية الصلبة الإجمالية العدد الإجمالي نالجزيئات في النظام. وبما أن القيمة المتوسطة لجيب التمام هي صفر، فقد تم دمج الحد الأول فقط في (3.18). بما أن قيمة الزاوية الصلبة الكلية تساوي

الآن نحن نعرف الثابت معويمكننا كتابة التعبير (3.18) بالشكل

من الضروري تحديد قيمة إسقاط إجمالي عزم ثنائي القطب على اتجاه المجال (من الواضح أن الإسقاطات الأخرى تساوي الصفر بسبب التماثل المحوري للمشكلة). إن إسقاط عزم ثنائي القطب لجزيء واحد يساوي PCOSA، وبالتالي عزم ثنائي القطب الإجمالي رمن جميع الجزيئات لكل وحدة حجم يساوي

التكامل الزائد يساوي، ويتم حساب التكامل باستخدام تغيير المتغير

ثم نجد

من (3.21) يترتب على ذلك أنه في حالة الاستقطاب الاتجاهي ثنائي القطب لمادة ما، فإن الاستقطاب يتناسب مع شدة المجال الكهربائي. وعلاوة على ذلك، وجدنا اعتماد الاستقطاب على درجة الحرارة. هذا هو قانون كوري، الذي تم تأكيده تجريبيا (الشكل 3.20).

أرز. 3.20. اعتماد استقطاب العازل القطبي على درجة الحرارة (الحل الدقيق)

لتلخيص هذا القسم، سنكرر بإيجاز الاستنتاجات الرئيسية. يقوم المجال الكهربائي الخارجي إما بإنشاء لحظات ثنائية القطب موجهة على طول المجال أو توجيه لحظات ثنائي القطب للجزيئات الفردية، ويكتسب العازل عزم ثنائي القطب محددًا. يسمى المتجه استقطاب العازل. وهي تتناسب مع قوة المجال الكهربائي الخارجي، ويمكن تمثيل هذه العلاقة على النحو التالي:

ثم يتم قياس متجه الاستقطاب في SI بـ C/m 2. ويتطابق بعده مع بعد كثافة الشحنة السطحية. يشير هذا إلى أن ناقل الاستقطاب يرتبط بكثافة شحنات الاستقطاب الناشئة على السطح وبحجم العازل الموجود في مجال خارجي (الشكل 3.21).

أرز. 3.21. ناقل الاستقطاب وكثافة شحنة الاستقطاب

التناسب بين الاستقطاب ر والتوتر ه يتم تفسير المجال الكهروستاتيكي الخارجي في حالة الاستقطاب الإلكتروني والأيوني بحقيقة أنه مع الزيادة ه تزداد لحظات ثنائي القطب للذرات الفردية صأنا. مع الاستقطاب ثنائي القطب، تزداد درجة اتجاه المتجه بما يتناسب مع الزيادة في قوة المجال الكهروستاتيكي الخارجي ص أنا. فوق وجدنا الصيغ العامةقابلية العزل الكهربائي لأنواع مختلفة من الاستقطاب. ويجب التأكيد على أنها صالحة للغازات: فنحن لم نأخذ في الاعتبار تأثير الجزيئات على بعضها البعض، وهو أمر مقبول بالنسبة للأنظمة التي لا تكون فيها الجزيئات معبأة بكثافة كبيرة. لكن الاستنتاج العام يظل صالحًا بالنسبة للمادة المكثفة (السوائل والمواد الصلبة): تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، تكتسب وحدة حجم العازل الكهربائي عزمًا ثنائي القطب ر ; وفي أبسط الحالات توجد علاقة خطية

تساهم جميع الآليات الثلاث المدروسة في القابلية العازلة الكاملة للعازل الكهربائي:

نادرًا ما يحدث عادةً أن تكون جميع أجزاء قابلية العزل الكهربائي كبيرة بنفس القدر. على سبيل المثال، في البلورات الأيونية يكون الجزء ثنائي القطب غائبًا تمامًا. ومن الناحية التجريبية، يمكن العثور على مساهمة كل جزء عن طريق قياس ثوابت العزل الكهربائي عند ترددات مختلفة للموجة الكهرومغناطيسية. عند الترددات المنخفضة (المجال الساكن الذي نحن مهتمون به الآن)، تساهم الأجزاء الثلاثة لحساسية العزل الكهربائي (الشكل 3.22).

أرز. 3.22. الاعتماد على القابلية العازلة الكلية للعازل
على تردد الموجة الكهرومغناطيسية. نطاقات التردد المشار إليها:
I - منطقة الراديو والميكروويف، II - منطقة الأشعة تحت الحمراءثالثا - منطقة الأشعة فوق البنفسجية

مع زيادة التردد، ستكون مساهمة الجزء ثنائي القطب هي أول من يختفي: لن يكون لدى الجزيئات الوقت الكافي للدوران، بعد المجال الكهربائي المتغير بسرعة للموجة. عادة ما يتم الانتقال إلى الوضع الجديد على ترددات الراديو. ومع زيادة التردد، ستختفي مساهمة الجزء الأيوني: الأيونات أكثر قصورا من الإلكترونات. في نطاق التردد البصري، يهيمن الجزء الإلكتروني من الاستقطاب. عند الانتقال إلى ترددات أعلى - خارج المنطقة فوق البنفسجية - حتى السحب الإلكترونية لن يكون لديها الوقت لتتبع التغيرات في المجال الكهربائي وسوف تختفي قابلية استقطاب العازل الكهربائي.

دعونا نعطي مثالا: يحتوي ملح الطعام NaCl على ثابت عازل في مجال ثابت قدره 5.62، وفي مجال الموجة الكهرومغناطيسية في النطاق البصري - 2.25 فقط. لا يوجد استقطاب ثنائي القطب في مثل هذه البلورات، وينبغي أن يعزى الفرق إلى الاستقطاب الأيوني.

معلومات إضافية

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/index.html - الموجات الكهرومغناطيسية، مقياس الموجات الكهرومغناطيسية؛

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/radio.html - موجات الراديو؛

http://www.nrao.edu/index.php/learn/radiostronomy/radiowaves - موجات الراديو، مصادر موجات الراديو.

خصائص العازلات

عازلات.

المواد العازلة هي مواد ذات موصلية كهربائية منخفضة، وذلك لأنها لديهم عدد قليل جدًا من الجسيمات المشحونة الحرة - الإلكترونات والأيونات. تظهر هذه الجسيمات في المواد العازلة فقط عند تسخينها إلى درجات حرارة عالية. هناك المواد العازلة الغازية (الغازات والهواء) والسائلة (الزيوت والمواد العضوية السائلة) والصلبة (البارافين والبولي إيثيلين والميكا والسيراميك وما إلى ذلك).

عند تطبيق جهد كهربائي على عازل، والذي يمثل نظامًا كهربائيًا معقدًا، تحدث عمليات كهربائية مختلفة تتعلق باستقطابه وتوصيله الكهربائي. إذا كان الجهد مرتفعًا جدًا، فقد يحدث فشل في العزل الكهربائي، يسمى الانهيار.

واحد من أهم الخصائصالعوازل هي قدرتها على الاستقطاب تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. وفقًا للمفاهيم الحديثة، فإن ظاهرة الاستقطاب ترجع إلى تغيير في موضع الجزيئات العازلة في الفضاء التي لها شحنة كهربائية بعلامة أو أخرى، ونتيجة لذلك يكتسب كل حجم مجهري للعازل الكهربائي لحظة كهربائية مستحثة معينة، التي لم يكن يمتلكها هذا الحجم من العازل قبل التعرض لمجال كهربائي خارجي.

يصاحب الاستقطاب ظهور شحنات كهربائية مقيدة على سطح العوازل الكهربائية، مما يقلل من شدة المجال داخل المادة.

السمة الكمية للاستقطاب هي استقطاب العازل ص.

تتميز قدرة المواد المختلفة على الاستقطاب في مجال كهربائي بثابت العزل الكهربائي النسبي ε.

في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي، لا يكون لكل عنصر من عناصر الحجم العازل عزم كهربائي، حيث أن المجموع الجبري لشحنات جميع الجزيئات العازلة في حجم معين هو صفر وتتزامن مراكز ثقل الشحنات الموجبة والسالبة في الفضاء. ويفترض أن عنصر الحجم هذا كبير جدًا مقارنة بحجم الجزيء، بحيث يحتوي على عدد كبير جدًا من الجزيئات. تحت تأثير مجال كهربائي خارجي، يحدث بعض الترتيب في ترتيب الجزيئات العازلة في الفضاء، كما هو مبين في الشكل التخطيطي.

ترتيب الشحنات في عازل مستقطب بالكامل لمكثف ذو لوحة متوازية

من الضروري ملاحظة مجموعتين من الاستقطاب:

- الاستقطاب المرن، والتي تحدث على الفور تقريبًا تحت تأثير المجال الكهربائي، لا يصاحبه تبديد (فقدان) الطاقةفي عازل (الافراج عن الحرارة)؛

- استقطاب الاسترخاء، زيادة ونقصان خلال فترة زمنية معينة و يرافقه تبديد الطاقةفي عازل، أي. عن طريق تسخينه

1) الاستقطاب الإلكتروني

عندما يتم تطبيق الجهد، يتم إنشاء مجال كهربائي في العازل، ويتم إزاحة الإلكترونات الموجودة في الذرات بالنسبة للنواة نحو القطب الموجب.

تشكل الإلكترونات النازحة ذات الشحنات الموجبة من النوى الذرية أزواجًا من الشحنات الكهربائية المتصلة ببعضها البعض، والتي تسمى ثنائيات القطب المرنة. يحدث تكوينها على الفور (10 -15 ثانية). تختفي إذا تمت إزالة الجهد من العازل الكهربائي. وتسمى هذه العملية لتشكيل ثنائيات القطب المرنة الاستقطاب الإلكتروني.

تعتمد قيمة e على تركيز الذرات (الجزيئات) في العازل وبنيتها، مما يحدد قابلية الاستقطاب α e للذرة (الجزيء)، ويتم وصفها بالتعبير:

ه = 1 + نألفا ه,

حيث ε هو ثابت العزل الكهربائي؛ ن- تركيز الجزيئات (الذرات والجزيئات) في العازل؛ α e – الاستقطاب الإلكتروني، الذي يحدده هيكل الجزيء أو الذرة.

إذا كان العازل بلوريًا، فإن ε أكبر من العازل غير المتبلور، لأنه تكون كثافة تعبئة الذرات والجزيئات أكبر في الحالة البلورية.

ثابت العزل الكهربائي للمادة ذات الاستقطاب الإلكتروني البحت يساوي عدديًا مربع معامل انكسار الضوء ن.

ε = ن 2 .

على الرغم من أن تشوه مدارات الإلكترون لا يعتمد على درجة الحرارة، إلا أن الاستقطاب الإلكتروني، وبالتالي ثابت العزل الكهربائي ε يتناقص مع زيادة درجة حرارة العازل الكهربائي، لأن يزداد حجمه ويتناقص عدد الجزيئات لكل وحدة حجم.

2) الاستقطاب الأيوني(أو استقطاب الإزاحة الأيونية).

يحدث الاستقطاب بسبب إزاحة الأيونات المرتبطة بشكل مرن. خصائص المواد الصلبة ذات البنية الأيونية، أي. للعوازل البلورية. تتكون كل بلورة أيونية من أيونات موجبة وسالبة تقع في عقد الشبكة البلورية. عندما يتم تطبيق الجهد، تبدأ القوى الكهربائية في التصرف فيه، ويتم تهجير الأيونات: الموجبة في اتجاه واحد، والسالبة في الاتجاه المعاكس. يشكل كل زوج من الأيونات ثنائي القطب المرن. الوقت اللازم لإنشاء الاستقطاب الأيوني هو 10 -13 ثانية. جنبا إلى جنب مع عملية إزاحة الاستقطاب، يحدث الاستقطاب الإلكتروني. شدة هذه العمليات في العوازل البلورية عالية، وبالتالي ε = 7 ÷ 12 وأعلى.

تنتمي الاستقطابات الإلكترونية والأيونية إلى الاستقطاب المرن. أما الباقي، الذي تمت مناقشته أدناه، فهو عبارة عن مظاهر مختلفة لاستقطاب الاسترخاء.

تحت تأثير المجال، يتم توجيه الجذور (مجموعات الذرات) أيضًا - وهذا هو ثنائي القطب– الاستقطاب الجذري.

مع زيادة درجة الحرارة، تنخفض لزوجة الوسط، ويزداد الاستقطاب ثنائي القطب طالما كانت اللزوجة عالية. لكن الطبيعة الفوضوية للحركة الحرارية تتزايد تدريجيا وتصبح مهيمنة على اتجاه ثنائيات القطب، أي. يبدأ اتجاه ثنائي القطب في الانخفاض مع زيادة درجة الحرارة.

وهذا الاستقطاب هو سمة من سمات الغازات والسوائل، وكذلك المواد الصلبة القطبية. المواد العضويةتحتوي على المتطرفين. اكتمل في 10 -2 ثانية. بعد إزالة الحقل، يضعف الاتجاه (يحدث الاسترخاء).

4) إلكترونيا - استقطاب الاسترخاء.

يحدث الاستقطاب بسبب زيادة الإلكترونات "المعيبة" أو الثقوب المثارة بالطاقة الحرارية. تتميز العوازل الكهربائية ذات معامل الانكسار العالي والموصلية الإلكترونية وكذلك أشباه الموصلات.

5) الاستقطاب ثنائي القطب المرن

ويلاحظ الاستقطاب في الجزيئات ثنائية القطب لبعض البلورات، والتي تكون ثابتة وتدور فقط بدرجة محدودة خلال زاوية صغيرة.

6) البينية الاستقطاب

يحدث الاستقطاب بسبب الشوائب الموصلة وشبه الموصلة ووجود طبقات ذات موصلات مختلفة. الاستقطاب يتجلى في المواد الصلبةهيكل غير متجانس (البلاستيك الرقائقي) في نطاق التردد المنخفض، ويرتبط بخسائر كبيرة في الطاقة الكهربائية.

7) الاستقطاب العفوي (العفوي).

الاستقطاب هو سمة من سمات متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف، وهي مواد مقسمة إلى مناطق ( المجالات) ، تمتلك عزم ثنائي القطب عفوي في غياب مجال خارجي. إن الاتجاه المتبادل لعزوم ثنائي القطب للمجالات في حالة عدم وجود مجال يكون بحيث يكون إجمالي عزم ثنائي القطب للمادة صفراً. يؤدي تراكب المجال إلى توجيه العزوم ثنائية القطب للمجالات، مما يسبب استقطابًا قويًا للغاية.

المواد العازلة.

التصنيف و الخصائص العامةالعوازل. تبعيات درجة الحرارة.

المواد العازلة.

المواد القادرة على الاستقطاب في المجال الكهربائي. لديهم مجال كهربائي داخلي وتوزيع موحد للإمكانات.

ناقلات الشحنة في المواد العازلة:

1. في الغازات

1) الأيونات الموجبة والسالبة. السبب: تأين جزيئات الغاز.

2) الإلكترونات في المجالات القوية.

2. في السوائل

1) الأيونات. السبب: تفكك جزيئات السائل.

2) الجسيمات الغروية المشحونة في المستحلبات والمعلقات.

3. في المواد الصلبة

2) عيوب الشبكة البلورية.

3) الإلكترونات أو ثقوب التوصيل.

هناك القطبية وغير القطبية.

الشكل 50.

الخصائص الكهربائية الأساسية للعوازل الكهربائية:

1. الاستقطاب

2. التوصيل الكهربائي

3. خسائر العزل الكهربائي

4. القوة الكهربائية

عند الحساب بالتيار المباشر، يتم أخذ التيار فقط بعين الاعتبار.

استقطاب العوازل. أنواع الاستقطاب.

الاستقطاب هو عملية إزاحة وترتيب الشحنات في مادة عازلة تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. المقياس العددي للاستقطاب هو استقطاب العازل - مقدار اللحظة الكهربائية لكل وحدة حجم العازل:

	(1.2)
	(1.2)

أين موانئ دبي- العزم الكهربائي للعنصر العازل؛

dV – حجم العنصر العازل

شدة المجال الكهربائي الخارجي، V/m،

- ثابت العزل الكهربائي،

ثابت العزل الكهربائي النسبي.

يحدد الاستقطاب خاصية العوازل الكهربائية لتكوين السعة الكهربائية. وفي الوقت نفسه فإن استقطاب العوازل الذي يحدث مع صرف الطاقة وإطلاق الحرارة يسبب فقدان الطاقة الكهربائية في المواد العازلة، وخاصة عند الترددات العالية، عندما تتكرر عمليات استقطاب العازل لعدد أكبر. من الدورات لكل وحدة زمنية. لذلك، يتم وصف الاستقطاب بواسطة المعلمات العازلة و.

هناك عدة أنواع من الاستقطاب.

2.2.1. يحدث الاستقطاب المرن في العزل الكهربائي دون إطلاق الطاقة أو تبديد الحرارة. هناك الاستقطابات المرنة الإلكترونية والأيونية

الاستقطاب الإلكتروني هو إزاحة وتشوه مرن للأغلفة الإلكترونية للذرات، مما يؤدي إلى انفصال المراكز الهندسية للشحنات الموجبة والسالبة في الذرة. للإنشاء، يلزم الحد الأدنى من الوقت - 10 -15 ثانية، أي. يتم تشكيلها على الفور تقريبًا. لا تعتمد قابلية الاستقطاب أثناء الاستقطاب الإلكتروني على درجة الحرارة، ويتناقص ثابت العزل بسلاسة مع زيادة درجة الحرارة بسبب التمدد الحراري للعازل وانخفاض عدد الذرات لكل وحدة حجم (الشكل 2.2). ويلاحظ الاستقطاب الإلكتروني في جميع المواد العازلة، بغض النظر عن تركيبها الكيميائي وبنيتها الداخلية.

الاستقطاب الأيوني - الإزاحة المرنة للأيونات - عقد الشبكة البلورية، هو سمة من سمات المواد ذات البنية الأيونية. مع زيادة درجة الحرارة فإنه يتكثف بسبب ضعف القوى الأيونية. الوقت اللازم لتحقيق الاستقطاب هو 10 -13 ثانية - وهو أطول من زمن الاستقطاب الإلكتروني، نظرًا لأن الأيونات أكبر كتلة.

نظرًا لأن عمليات الاستقطاب الإلكتروني والأيوني تحدث على الفور تقريبًا، فإن قيمة ثابت العزل الكهربائي للمواد ذات الاستقطاب المرن تكون ثابتة ولا تعتمد على التردد.

2.2.2. الاستقطاب الاسترخاءي (غير المرن) – أنواع الاستقطاب البطيئة. لتنفيذها، من الضروري إنفاق طاقة معينة، والتي يتم إطلاقها بعد ذلك على شكل حرارة عندما يعود العازل الكهربائي إلى حالته الأصلية. هناك أنواع من الاستقطاب: الاسترخاء ثنائي القطب، والاسترخاء الأيوني، والاسترخاء الإلكتروني، والرنين، والهجرة.

يعد استقطاب استرخاء ثنائي القطب من سمات المواد ذات البنية ثنائية القطب وينتج عن إعادة توجيه جزيئات ثنائي القطب في مجال كهربائي خارجي مطبق على العازل الكهربائي. اعتمادًا على الكتلة وكثافة التعبئة وأبعاد ثنائيات القطب، يكون الوقت اللازم لإنشاء الاستقطاب هو 10 -10 ..10 -2 ثانية. وبعد إزالة المجال المسبب للاستقطاب، تعود إلى حالتها الفوضوية الأصلية تحت تأثير الحركة الحرارية للجزيئات، بينما يتناقص استقطاب المادة حسب القانون

(1.2)

أين هو استقطاب العازل في لحظة إزالة المجال الخارجي، C/m2،

وقت الاسترخاء (الوقت الذي يتناقص فيه عدد ثنائيات القطب المطلوبة بعامل e)، s.

يظهر الشكل اعتماد الاستقطاب ثنائي القطب على درجة الحرارة. 2.3. يرجع الانخفاض في الرسم البياني في المنطقة ذات درجة الحرارة المنخفضة إلى التعبئة الكثيفة للأيونات وصعوبة إعادة توجيهها، وفي المنطقة ذات درجة الحرارة المرتفعة - بسبب العدد الصغير من ثنائيات القطب لكل وحدة حجم للعازل الكهربائي.

أرز. 2.3. اعتماد استقطاب ثنائي القطب للاسترخاء على درجة الحرارة

ويلاحظ استقطاب الاسترخاء ثنائي القطب في جميع المواد القطبية. في العوازل الصلبة، لا يحدث الاستقطاب بسبب دوران الجزيء نفسه، ولكن بسبب إزاحة الجذور القطبية الموجودة فيه، على سبيل المثال، Na + و Cl - في جزيء ملح الطعام.

مع زيادة التردد، يتناقص الاستقطاب ثنائي القطب وثابت العزل الكهربائي، وبالتالي فإن العوازل القطبية تعتمد على التردد ولا تستخدم عند الترددات العالية.

يُلاحظ استقطاب استرخاء الأيونات في المواد ذات التعبئة السائبة للأيونات وينتج عن الحركة الفيزيائية للأيونات إلى الشواغر في الشبكة البلورية تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. بعد إزالة المجال، يضعف الاستقطاب تدريجيا. لوحظ فقط ل المواد الصلبة(الشكل 3.x)، حيث أنه في الحالة المنصهرة تصبح الأيونات حرة وتصبح المادة موصلة ذات موصلية إلكتروليتية.

أرز. 3.x. الاعتماد على استقطاب الاسترخاء الأيوني

على درجة الحرارة

يحدث استقطاب الاسترخاء الإلكتروني بسبب حركة الإلكترونات والثقوب الزائدة (المعيبة) من أيون إلى آخر (في اتجاه المجال). من خصائص المواد ذات الموصلية الكهربائية الإلكترونية أن لها حدًا أقصى مركزيًا في الاعتماد وتتناقص مع زيادة التردد.

الاستقطاب الرنان. يتم ملاحظته في العوازل عند ترددات الضوء وينتج عن رنين التذبذبات الطبيعية (الدوران) للإلكترونات أو الأيونات وتردد المجال الكهرومغناطيسي الخارجي (الضوء). في الممارسة العملية، لا يتم استخدامه وليس له أي تأثير تقريبًا على خصائص العازل الكهربائي في نطاق التردد الذي تستخدمه الإلكترونيات والالكترونيات الدقيقة.

استقطاب الهجرة - يتجلى في المواد الصلبة ذات البنية غير المتجانسة مع عدم التجانس العياني ووجود الشوائب. أسباب الاستقطاب هي وجود شوائب موصلة وشبه موصلة في المواد العازلة التقنية الحقيقية (الورق والنسيج). أثناء استقطاب الهجرة، تتحرك الإلكترونات والأيونات داخل شوائب موصلة، وتشكل مناطق مستقطبة كبيرة. يرتبط هذا الاستقطاب بفقدان كبير للطاقة ويتم ملاحظته بالفعل عند الترددات المنخفضة، ويكون وقت استرخاء هذه العوازل الكهربائية دقائق وثواني.

في العوازل الحقيقية، تظهر عدة أنواع من الاستقطاب في وقت واحد، وبالتالي فإن اعتماد التردد ودرجة الحرارة للاستقطاب، وثابت العزل الكهربائي، وظل فقدان العزل الكهربائي يصبح أكثر تعقيدًا. بناءً على نوع الاستقطاب، يتم التمييز بين أربع مجموعات من العوازل:

1. العوازل الكهربائية مستقطبة إلكترونيًا بشكل أساسي. هذه مواد غير قطبية وضعيفة القطبية في حالات بلورية وغير متبلورة (البارافين والبوليسترين والبولي إيثيلين). يتم استخدامها كعوازل كهربائية عالية التردد - عوازل.

2. العوازل الكهربائية ذات الاستقطاب الإلكتروني وثنائي القطب. هذه هي المواد العضوية وشبه السائلة والصلبة القطبية (الراتنجات والسليلوز). يتم استخدامها كعوازل كهربائية منخفضة التردد - عوازل ومكثفات منخفضة التردد.

3. العوازل الصلبة غير العضوية ذات الاستقطاب الإلكتروني والأيوني والاسترخاء (الميكا، الكوارتز، الزجاج، السيراميك، السيراميك الزجاجي). يتم استخدامها كعوازل في المكثفات عالية التردد وكعوازل.

4. الكهرباء العازلة بجميع أنواع الاستقطاب. تستخدم كعوازل نشطة (مسيطر عليها).

بسبب الاستقطاب، يتغير المجال الكهربائي داخل العازل. يميز ثابت العزل الكهربائي إضعاف المجال الخارجي بواسطة المجال الداخلي:

	(1.2)

أين هو المجال الكهربائي الخارجي V/m

المجال الكهربائي الداخلي، V/m،

الإزاحة الكهربائية، C/m2،

الكثافة السطحيةالشحنات المرتبطة على لوحات المكثف في وجود عازل C/m2،

كثافة الشحنة السطحية الإضافية تنشأ بسبب استقطاب العازل الكهربائي C/m2

كثافة الشحنة السطحية على ألواح مكثف هوائي C/m2

للحصول على الخصائص الضرورية، على سبيل المثال، الحد الأدنى لمعامل درجة الحرارة للسعة TKE، يمكن استخدام عازل معقد يتكون من خليط من مواد بسيطة مع ثوابت عازلة مختلفة في المكثفات الكهربائية. إذا تم استخدام مثل هذا العازل الكهربائي، يتم حساب ثابت العزل الكهربائي الفعال باستخدام صيغة Lichtenecker: في حالة التوزيع الفوضوي للمكونات:

,

أين س 1و س 2- التركيزات الحجمية (الكسور) للمكونات.

استقطاب العوازل.

عملية إزاحة وترتيب حاملات الشحنة تحت تأثير المجال الكهربائي

حالة المادة التي يكتسب فيها حجمها الأولي عزمًا كهربائيًا

الأسباب: المجال الكهربائي الخارجي، الإجهاد الميكانيكي، الإضاءة والعوامل البيئية الأخرى، الاستقطاب التلقائي.

الشكل 51.

الاستقطاب هو سبب ظهور السعة الكهربائية.

العوازل:

1) الخطية - المكثفات العازلة ذات السعة الثابتة

2) غير الخطية - أجهزة الاستشعار، ومكثفات الجهد المتحكم فيه

الشكل 52.

القطبية تتكون من جزيئات قطبية (الماء). غير قطبي - من غير قطبي حيث العزم الكهربائي = 0 (الغازات وملح الطعام).

أنواع الاستقطاب:

1. الاستقطاب السريع (المرن) - يحدث دون تبديد الطاقة.

1) الاستقطاب الإلكتروني - إزاحة السحابة الإلكترونية بالنسبة إلى مركز النواة الذرية. زمن الحدوث والإزالة هو 10^-14...10^-15 ثانية. لا تعتمد قابلية الاستقطاب على درجة الحرارة، بل يعتمد ثابت العزل الكهربائي على ذلك. الشكل 53.

2) استقطاب الرنين - يحدث عندما تتزامن ترددات دوران الإلكترون مع تغير في المجال المغناطيسي.

3) الاستقطاب الأيوني - إزاحة الأيونات الموجبة والسالبة بالنسبة لبعضها البعض. وقت التسوية – 10^-11 ثانية. مثال: ملح الطعام. مع زيادة درجة الحرارة، تزيد المعلمات.

2. الاسترخاء

يتطلب إنشائها طاقة يتم إطلاقها على شكل حرارة وخسائر عازلة عند التيار المتردد.

الأصناف:

1) استقطاب الاسترخاء ثنائي القطب - دوران وتوجيه جزيئات ثنائي القطب في اتجاه المجال.

الشكل 54.

وقت التسوية: 10^-2...10^-10 ثانية.

تاو هو وقت الاسترخاء.

2) استقطاب استرخاء الأيونات - حركة الأيونات من ذرة إلى أخرى في المواد ذات التعبئة غير الكاملة للإلكترونات. مثال: الزجاج.

الشكل 55.

في السائل - الموصلات ذات الموصلية الكهربائية.

3) الإلكتروني - الاسترخاء - انتقال الإلكترون إلى ذرة أخرى أثناء الاستقطاب.

وقت الاستقرار: 10^-2...10^-5 ثواني لدرجة حرارة الغرفة.

4) الهجرة - لوحظت في العوازل غير المتجانسة مع شوائب موصلة. مثال: ورق.

الشكل 56.

استقطاب التردد المنخفض. وقت الاسترخاء: دقائق وساعات.

5) الاستقطاب العفوي. المرحلة – حالة الشبكة البلورية وبنيتها.

في المواد المختلفة، يكون تغيير الطور ممكنًا دون تغيير حالة التجميع. يمكن أن تؤدي تغيرات الطور في المواد العازلة إلى استقطاب عفوي - المواد الكهروضوئية. ثابت العزل الكهربائي - حتى 10^5. نوع العوازل – غير الخطية. تستخدم في أجهزة الاستشعار.

ثابت العزل الكهربائي للخليط.