پلاریزاسیون دی الکتریک چیست؟ دی الکتریک ها و خواص آنها، پلاریزاسیون و ولتاژ شکست دی الکتریک ها

وزارت آموزش و پرورش و علوم RF

موسسه فناوری بیسک

(شعبه) FSBEI HPE

"ایالت آلتای

دانشگاه فنی

آنها I.I. پولزونوف"

(BTI AltSTU)

با موضوع: قطبش دی الکتریک ها

تکمیل شد:

دانشجوی گروه PS-11

Komarova.A.V.

بررسی شد:

Shalunov A.V.

مقدمه 3

1 مفهوم قطبی شدن 3

2 مکانیسم های قطبش 4

3 انواع پلاریزاسیون 5

3.1 قطبش الکترونیکی 5

3.2 قطبش یونی 6

3.3 پلاریزاسیون الاستیک-دو قطبی 7

3.4 پلاریزاسیون آرامش یونی 8

3.5 قطبش آرامش دوقطبی 9

3.6 قطبش مهاجرت (بین لایه ای) 11

3.7 پلاریزاسیون آرامش الکترونیکی 11

3.8 قطبی شدن سوگیری هسته ای 12

3.9 قطبش باقیمانده (الکترت) 12

3.10 پلاریزاسیون خود به خود (فرروالکتریک) 13

3.11 پلاریزاسیون پیزوالکتریک 14

4 طبقه بندی دی الکتریک ها 15

5 نوع پلاریزاسیون با توجه به سرعت فرآیند 17

نتیجه گیری 19

مراجع 20

معرفی

ماهیت پدیده قطبی شدن این است که تحت تأثیر خارجی است میدان الکتریکیبارهای محدود دی الکتریک در جهت نیروهای وارد بر آنها جابه جا می شوند و هر چه قدرت میدان بیشتر باشد جابجایی بیشتر می شود.

دی الکتریک ها به دلیل قابلیت پلاریزه شدن کاربرد خود را در دستگاه های الکتریکی پیدا کرده اند.

دی الکتریک به ماده ای گفته می شود که خاصیت الکتریکی اصلی آن توانایی قطبی شدن در میدان الکتریکی است و وجود میدان الکترواستاتیک در آن امکان پذیر است، زیرا بارهای الکتریکی اتم ها، مولکول ها یا یون های آن به هم متصل هستند.

دی الکتریک های مورد استفاده در عمل همچنین حاوی بارهای آزاد هستند که با حرکت در میدان الکتریکی، هدایت الکتریکی را تعیین می کنند. دی سی.

1. مفهوم قطبی شدن

قطبش یک جابجایی محدود بارهای محدود یا جهت گیری مولکول های دوقطبی است که در هر دی الکتریک هنگام قرار گرفتن در معرض میدان الکتریکی رخ می دهد.

دو تعریف از قطبی شدن وجود دارد:

خاصیت قرار گرفتن ارتعاشات نور و الکترومغناطیسی در یک صفحه خاص. صفحه قطبش پرتو فرودی.

رسوب بر روی الکترودهای مواد مختلف که جریان را ضعیف می کند. پلاریزاسیون الکترودها

بسته به مکانیسم یا ترتیب جابجایی بارهای الکتریکیانواع زیر از قطبش متمایز می شود:

پلاریزاسیون الکترونیکی؛

پلاریزاسیون یونی؛

پلاریزاسیون دوقطبی الاستیک؛

پلاریزاسیون یون آرامش;

پلاریزاسیون دوقطبی آرامش؛

قطبش مهاجرت (بین لایه ای).

پلاریزاسیون آرامش الکترونیکی؛

قطبش جابجایی هسته ای؛

قطبش باقیمانده (الکترت)؛

پلاریزاسیون خود به خود (فرو الکتریک)؛

پلاریزاسیون پیزوالکتریک

1. مکانیسم های قطبی شدن

مقدار ظرفیت خازن با دی الکتریک و بار الکتریکی انباشته شده در آن توسط چندین مکانیسم پلاریزاسیون تعیین می شود که برای دی الکتریک های مختلف متفاوت است و می تواند به طور همزمان برای یک ماده رخ دهد.

شکل 1 مدار معادل یک دی الکتریک را نشان می دهد که در آن مکانیسم های پلاریزاسیون مختلفی وجود دارد که می توان آنها را به صورت یک سری خازن که به صورت موازی به یک منبع ولتاژ متصل هستند نشان داد.

بسته به ماهیت پیوند شیمیایی، 3 مکانیسم اصلی قطبش دی الکتریک ها متمایز می شود: الکترونیکی، یونی و دوقطبی (جهانی).

پلاریزاسیون الکترونیکی در تمام دی الکتریک ها ذاتی است و در کریستال هایی با پیوند کووالانسی. تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی P، الکترون‌های یک اتم نسبت به هسته آن جابه‌جا می‌شوند (تغییر شکل پوسته الکترونی آن) و دوقطبی‌های القایی ایجاد می‌شوند. خواص دی الکتریک دوقطبی های القایی از جمله پدیده های تشدید هستند.

مکانیسم قطبش الکترونیکی کمترین اینرسی را دارد، زیرا جرم الکترون به طور قابل توجهی کمتر از جرم ذرات شرکت کننده در فرآیند پلاریزاسیون است. زمان برقراری پلاریزاسیون الکترونیکی ≈ 10-15 ثانیه است که با دوره نوسانات نور قابل مقایسه است.

1. انواع پلاریزاسیون

3.1 قطبش الکترونیکی

پلاریزاسیون الکترونیکی - این جابجایی مدارهای الکترون نسبت به یک هسته با بار مثبت است. در تمام اتم های هر ماده و بنابراین در همه دی الکتریک ها، صرف نظر از وجود انواع دیگر قطبش در آنها، رخ می دهد. زمان بازیابی 10-13 ثانیه است.

پلاریزاسیون الکترونیکی در همه انواع دی الکتریک مشاهده می شود و با اتلاف انرژی تا فرکانس های تشدید ارتباطی ندارد. ثابت دی الکتریک یک ماده با قطبش کاملاً الکترونیکی از نظر عددی برابر با مجذور ضریب شکست نور است. قطبش پذیری ذرات در حین پلاریزاسیون الکترونیکی به دما بستگی ندارد و ثابت دی الکتریک با افزایش دما به دلیل انبساط حرارتی دی الکتریک و کاهش تعداد ذرات در واحد حجم کاهش می یابد. منحنی دما شبیه منحنی چگالی است. علاوه بر این، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، چشمگیرترین کاهش ها در طول انتقال یک ماده از جامد به مایع و از مایع به گاز مشاهده می شود.

شکل 2- انتقال یک ماده از جامد به مایع و از مایع به گاز

الف) تحت ولتاژ؛ ب) بدون تنش؛

شکل 3 - قطبش اتم ها

شکل 3 یک نمایش گرافیکی از قطبش اتم ها را نشان می دهد.

همانطور که می بینیم، مدارهای الکترون ها تحت تأثیر ولتاژ کشیده می شوند.

3.2 قطبش یونی

قطبش یونی در مواد با پیوندهای شیمیایی یونی مشاهده می شود و خود را در جابجایی یون های دارای بار مخالف نسبت به یکدیگر نشان می دهد. همانطور که اشاره شد، زمان قطبش الکترونیکی بسیار کوتاه است - 2 تا 3 مرتبه بزرگتر از قطبش الکترونیکی.

در دی الکتریک های دارای پیوند شیمیایی یونی، تحت تأثیر میدان الکتریکی، یون های مثبت نسبت به یون های منفی جابجا می شوند. زمان ایجاد پلاریزاسیون یونی معمولاً 10-14 – 10-15 ثانیه است. این بدان معنی است که این قطبش زمان دارد تا به طور کامل خود را در میدان های متناوب، از جمله میدان های مایکروویو (10 10 - 10 11 هرتز) مستقر کند. در همان زمان، در ناحیه مادون قرمز طیف تاخیر در ایجاد قطبش یونی وجود دارد.

ثابت دی الکتریک با افزایش دما برای شیشه های معدنی از ترکیبات مختلف، برای مواد سرامیکی - چینی الکتریکی، حاوی مقدار زیادی فاز شیشه ای، افزایش می یابد.

شکل 4 - قطبش یونی یک مولکول

شکل 4 نمودار قطبش یونی مولکول را نشان می دهد.

3.3 پلاریزاسیون الاستیک-دو قطبی

بسیاری از دی الکتریک ها حاوی مولکول هایی هستند که گشتاور الکتریکی خاص خود را دارند. هنگامی که جهت جهت دوقطبی در یک میدان الکتریکی خارجی تغییر می کند، نیروهای بازگرداننده الاستیک ایجاد می شوند.

در گازها و مایعات، مولکول های قطبی به دلیل حرکت حرارتی به اشتباه جهت گیری می کنند، به طوری که قطبش حاصل صفر است. تحت تأثیر یک میدان خارجی، جهت گیری ترجیحی خاصی از دوقطبی ها در جهت میدان ایجاد می شود.

همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، در یک میدان الکتریکی خارجی، انحراف الاستیک گشتاورهای دوقطبی از جهت تعادل وجود دارد.

شکل 5 – چرخش الاستیک دوقطبی در میدان خارجی

هنگامی که دوقطبی ها به اندازه کافی صلب به هم متصل می شوند، تغییرات الاستیک در جهت آنها هنگام اعمال میدان الکتریکی خارجی رخ می دهد.

قطبش پذیری به گشتاور الکتریکی هر مولکول، انرژی پیوندهای بین مولکولی و جهت میدان الکتریکی بستگی دارد. وقتی میدان های داخلی و خارجی موازی باشند، قطبش پذیری صفر است. بنابراین، سهم پلاریزاسیون دوقطبی الاستیک می تواند باعث ناهمسانگردی ثابت دی الکتریک شود.

3.4 پلاریزاسیون یون-آرامش

در شیشه های معدنی و در برخی مواد یونی با بسته بندی شل یون ها مشاهده می شود. در این موارد، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، یون های ضعیف یک ماده تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی، انتقالات اضافی را در جهت میدان دریافت می کنند.

با افزایش دما، پلاریزاسیون به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

شکل 6 - وابستگی انرژی پتانسیل یونی به فاصله در یک میدان الکتریکی خارجی

در غیاب میدان الکتریکی خارجی، همه جهات انتقال یون از طریق سد پتانسیل به یک اندازه محتمل است. بنابراین توزیع یون ها یکنواخت است.

تست >> زیست شناسی

توسط فرآیندهای هدایت الکتریکی و قطبی شدن. دی الکتریک هادر میدان الکتریکی بیایید چوبی به طول یک متر نصب کنیم... در میدان الکتریکی چه اتفاقی می افتد قطبی شدن دی الکتریک، یعنی جابجایی در جهت مخالف نام های متضاد ...

پتانسیل میدان الکترواستاتیک دی الکتریک هادر یک میدان الکترواستاتیک

سخنرانی >> فیزیک

سطوح. دوقطبی در میدان الکتریکی قطبی شدن دی الکتریک ها. قدرت میدان در دی الکتریک. تعصب الکتریکی کار در... صفر، روی سطح دی الکتریکبارهای الکتریکی مرتبط ظاهر می شود. قطبی شدن دی الکتریکیعنی که...

تعیین قدرت الکتریکی گازها دی الکتریک ها

کارهای آزمایشگاهی >> صنعت، تولید

مواد عایق الکتریکی. چه می گویند قطبی شدن دی الکتریک. چه انواعی قطبی شدنرا می توان آنی در نظر گرفت، اما کدام ...

محاسبه میدان الکتریکی در دی الکتریک

سخنرانی >> فیزیک

از آنجایی که میدان به دلیل ضعیف شده است قطبی شدن دی الکتریک. 3. شرایط E و D در مرز دو ... که گشتاور دوقطبی کلی است دی الکتریکبرابر با صفر قطبی شدنفروالکتریک در برق خارجی ...

به واحد حجم دی الکتریک اشاره دارد. گاهی اوقات بردار پلاریزاسیون را به طور خلاصه پلاریزاسیون ساده می نامند.

• بردار پلاریزاسیون برای توصیف وضعیت ماکروسکوپی پلاریزاسیون نه تنها دی الکتریک های معمولی، بلکه همچنین فروالکتریک ها، و در اصل، هر محیط با خواص مشابه قابل استفاده است. این نه تنها برای توصیف پلاریزاسیون القایی، بلکه برای پلاریزاسیون خود به خود (در فروالکتریک) نیز کاربرد دارد.

پلاریزاسیون حالتی از دی الکتریک است که با وجود یک گشتاور دوقطبی الکتریکی در هر (یا تقریباً هر) عنصر حجم آن مشخص می شود.

بین قطبش القا شده در دی الکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی و پلاریزاسیون خود به خودی (خود به خودی) که در فروالکتریک در غیاب میدان خارجی رخ می دهد، تمایز قائل می شود. در برخی موارد، پلاریزاسیون دی الکتریک (فرو الکتریک) تحت تأثیر تنش مکانیکی، نیروهای اصطکاک یا به دلیل تغییرات دما رخ می دهد.

قطبش بار خالص را در هیچ حجم ماکروسکوپی در یک دی الکتریک همگن تغییر نمی دهد. با این حال، با ظاهر شدن بارهای الکتریکی محدود با چگالی سطح مشخص σ در سطح آن همراه است. این بارهای محدود در دی الکتریک یک میدان ماکروسکوپی اضافی با شدت E 1 ایجاد می کند که در مقابل میدان خارجی با شدت E 0 قرار دارد. قدرت میدان حاصل E در داخل دی الکتریک E = E 0 -E 1 است.

انواع پلاریزاسیون

بسته به مکانیسم پلاریزاسیون، پلاریزاسیون دی الکتریک ها را می توان به انواع زیر تقسیم کرد:

• الکترونیکی - جابجایی لایه های الکترونی اتم ها تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی. سریعترین قطبش (تا 10-15 ثانیه). با ضرر همراه نیست.
• یونی - جابجایی گره ساختار کریستالیتحت تأثیر یک میدان الکتریکی خارجی، و جابجایی به مقدار کمتر از ثابت شبکه است. زمان جریان 10-13 ثانیه، بدون تلفات.
• دوقطبی (جهت گیری) - با تلفات برای غلبه بر نیروهای ارتباطی رخ می دهد و اصطکاک داخلی. با جهت گیری دوقطبی ها در یک میدان الکتریکی خارجی مرتبط است.
• آرامش الکترون - جهت گیری الکترون های نقص در یک میدان الکتریکی خارجی.
• آرام سازی یون - جابجایی یون هایی که در گره های ساختار بلوری ضعیف ثابت شده اند یا در بینابینی قرار دارند.
• ساختاری - جهت گیری ناخالصی ها و اجزاء ماکروسکوپی ناهمگن در دی الکتریک. کندترین نوع
• خود به خود (خود به خودی) - به دلیل این نوع پلاریزاسیون، در دی الکتریک هایی که در آن مشاهده می شود، قطبش خواص غیرخطی قابل توجهی را حتی در مقادیر کم میدان خارجی از خود نشان می دهد، پدیده پسماند مشاهده می شود. چنین دی الکتریک ها (فروالکتریک ها) با ثابت دی الکتریک بسیار بالا (از 900 تا 7500 برای برخی از انواع سرامیک های خازن) مشخص می شوند. معرفی قطبش خود به خود، به عنوان یک قاعده، مماس از دست دادن ماده را افزایش می دهد (تا 10-2)
• تشدید کننده - جهت گیری ذراتی که فرکانس طبیعی آنها با فرکانس های میدان الکتریکی خارجی منطبق است.
• پلاریزاسیون مهاجرت به دلیل وجود لایه هایی با رسانایی متفاوت در مواد ایجاد می شود، تشکیل بارهای فضایی به ویژه در گرادیان های ولتاژ بالا تلفات زیادی دارد و یک قطبش کند عمل است.

قطبش دی الکتریک ها (به استثنای پلاریزاسیون رزونانسی) در میدان های الکتریکی ساکن حداکثر است. در میدان های متناوب، به دلیل وجود اینرسی الکترون ها، یون ها و دوقطبی های الکتریکی، بردار پلاریزاسیون الکتریکی به فرکانس بستگی دارد. در این راستا، مفهوم پراکندگی ثابت دی الکتریک معرفی شده است.

وابستگی بردار پلاریزاسیون به میدان خارجی

در یک میدان ثابت

در زمینه های ضعیف

در یک میدان الکتریکی خارجی ثابت یا به آرامی متغیر با قدرت به اندازه کافی کم از این میدان، بردار پلاریزاسیون پ، به عنوان یک قاعده (به استثنای فروالکتریک)، به طور خطی به بردار قدرت میدان بستگی دارد. E:

(در سیستم SGS)، (در سیستم SI؛ فرمول های بیشتر در این پاراگراف فقط در SGS آورده شده است، فرمول های SI فقط در ثابت الکتریکی متفاوت هستند)

که در آن یک ضریب بسته به ترکیب شیمیایی، تمرکز، ساختار (از جمله از حالت تجمع) محیط، دما، تنش مکانیکی و غیره (از برخی عوامل قوی تر، از برخی دیگر ضعیف تر، البته بسته به دامنه تغییرات هر کدام) و قطبی پذیری (الکتریکی) نامیده می شود (و اغلب، حداقل برای آن مورد). ، هنگامی که با حساسیت اسکالر - دی الکتریک) یک محیط معین بیان می شود. برای یک محیط همگن با ترکیب و ساختار ثابت در شرایط ثابت، می توان آن را ثابت در نظر گرفت. با این حال، در ارتباط با همه چیزهایی که در بالا گفته شد، به طور کلی به یک نقطه در مکان، زمان (به طور صریح یا از طریق سایر پارامترها) و غیره بستگی دارد.

برای مایعات همسانگرد، جامدات یا بلورهای همسانگرد، تقارن بالا کافی است - فقط یک عدد (اسکالر). در حالت کلی تر (برای کریستال های با تقارن کم، تحت تأثیر تنش های مکانیکی و غیره) - یک تانسور (تانسور متقارن رتبه دوم، به طور کلی غیر منحط)، به نام تانسور قطبی پذیری. در این مورد، می توانید فرمول را به این صورت (در کامپوننت) بازنویسی کنید:

که در آن کمیت های دارای نماد با مولفه های بردار و تانسور مربوط به سه مختصات فضایی مطابقت دارند.

می توان اشاره کرد که قطبش پذیری یکی از راحت ترین کمیت های فیزیکی برای نشان دادن معنای فیزیکی تانسورها و کاربرد آنها در فیزیک است.

همانطور که برای هر تانسور متقارن غیر منحط رتبه دوم، برای تانسور قطبی پذیری می توانید انتخاب کنید (اگر محیط ناهمگن است - یعنی تانسور به یک نقطه در فضا بستگی دارد - حداقل به صورت محلی، اگر محیط همگن است، سپس در سطح جهانی) به اصطلاح. اساس خود - مختصات دکارتی مستطیلی، که در آن ماتریس مورب می شود، و سپس - فقط در این مختصات (!) - نماد کمی ساده شده است:

که در آن سه مقدار ویژه تانسور قطبی پذیری وجود دارد.

اگر همه این سه مقدار ویژه با یکدیگر برابر باشند، ضرب در یک تانسور معادل ضرب در یک عدد است و محیط همسانگرد (با توجه به قطبش پذیری) است. (این امر روشن می کند که چرا یک کریستال با تقارن بالا نمی تواند ناهمسانگردی ایجاد کند: فقط سه مقدار ویژه یکسان می توانند الزامات تقارن را برآورده کنند).

در میدان های قوی

در میدان های به اندازه کافی قوی، همه چیزهایی که در بالا توضیح داده شد به دلیل این واقعیت پیچیده است که با افزایش قدرت میدان الکتریکی، دیر یا زود خطی بودن وابستگی از بین می رود. پاز جانب E.

ماهیت غیرخطی ظهور و شدت میدان مشخصه ای که با آن غیرخطی بودن قابل توجه می شود، البته به ویژگی های فردی محیط، شرایط و غیره نیز بستگی دارد.

ما می توانیم ارتباط آنها را با مواردی که در بالا توضیح داده شد برجسته کنیم.

بنابراین، برای پلاریزاسیون الکترونیکی و یونی در میدان‌هایی که به مقادیر به ترتیب نسبت پتانسیل یونیزاسیون به اندازه مشخصه مولکول نزدیک می‌شوند. U 0 /Dمشخص است که رشد بردار پلاریزاسیون ابتدا با افزایش میدان شتاب می گیرد (افزایش شیب نمودار پلی اتیلن)، سپس به آرامی به شکست دی الکتریک تبدیل می شود.

پلاریزاسیون دوقطبی (جهت گیری) در قدرت میدان خارجی معمولاً کمی پایین تر از مرتبه است kT/p(جایی که پ- گشتاور دوقطبی مولکول، تی- درجه حرارت، ک- ثابت بولتزمن) - یعنی وقتی انرژی برهمکنش یک دوقطبی (مولکول) با میدان با میانگین انرژی حرکت حرارتی (چرخش) دوقطبی قابل مقایسه می شود - برعکس، شروع به رسیدن به اشباع می کند (با یک افزایش بیشتر در قدرت میدان، دیر یا زود سناریوی پلاریزاسیون الکترونیکی یا یونی تشریح شده بالاتر، و به شکست ختم می شود).

در زمینه ای وابسته به زمان

وابستگی بردار پلاریزاسیون به یک میدان خارجی که به سرعت در زمان تغییر می کند بسیار پیچیده است. این بستگی به نوع خاصی از تغییر در میدان خارجی با زمان، سرعت این تغییر (یا مثلاً فرکانس نوسان) میدان خارجی، قطبش غالب در یک ماده یا محیط معین (که همچنین به نظر می رسد بستگی دارد) برای وابستگی های مختلف میدان خارجی به زمان، فرکانس ها و غیره متفاوت است.).

با یک تغییر به اندازه کافی آهسته در میدان خارجی، قطبش عموماً مانند یک میدان ثابت یا بسیار نزدیک به آن رخ می دهد (اما، سرعت تغییر میدان چقدر باید کند باشد تا این اتفاق بیفتد، و اغلب به شدت به نوع غالب بستگی دارد. قطبش و شرایط دیگر، مانند دما).

یکی از رایج ترین رویکردها برای مطالعه وابستگی قطبش به ماهیت یک میدان متغیر با زمان، مطالعه (نظری و تجربی) مورد وابستگی زمانی سینوسی میدان خارجی و وابستگی بردار پلاریزاسیون (همچنین) است. تغییر در این مورد طبق قانون سینوسی با همان فرکانس)، دامنه و تغییر فاز آن از فرکانس.

هر مکانیزم پلاریزاسیون به طور کلی با یک یا آن محدوده فرکانسی و ماهیت کلی وابستگی به فرکانس مطابقت دارد.

محدوده فرکانسی که در آن منطقی است در مورد قطبش دی الکتریک ها صحبت کنیم، از صفر تا ناحیه فرابنفش گسترش می یابد، که در آن یونیزاسیون تحت تأثیر میدان شدید می شود.

هر ماده ای صرف نظر از حالت تجمع و جزئیات ساختار اتمی-مولکولی آن، مثلاً یک کریستال اتمی، مولکولی یا یونی و غیره، در نهایت از هسته هایی با بار مثبت و الکترون هایی با بار منفی تشکیل شده است.

بنابراین، تنها یک مکانیسم پلاریزاسیون وجود دارد - این جابجایی بارهای مثبت در امتداد میدان قطبی و بارهای منفی در برابر میدان قطبی کننده است (شکل 3.14). در اینجا مناسب است تأکید کنیم که این ماده نه توسط یک میدان خارجی (به عنوان مثال، (3.2) در بالا، بلکه توسط کل میدان ایجاد شده توسط بارهای خارجی (که به دی الکتریک تعلق ندارند) و توسط ماده قطبی شده قطبی شده است. خود در آینده به طور خاص بر این موضوع تاکید نخواهیم کرد.

برنج. 3.14. جابجایی بارهای مثبت در امتداد میدان قطبی
و بارهای منفی در برابر میدان قطبی کننده

هنگام مطالعه خواص پلاریزاسیون مواد خاص، معقول و مفید است که آن ویژگی های اصلی یک مکانیسم واحد برای حرکت بارها تحت تأثیر یک میدان قطبی را برجسته کنیم، که نتیجه را تعیین می کند: درجه و ماهیت پلاریزاسیون ماده این منجر به در نظر گرفتن تعدادی از مکانیسم های قطبی سازی "خاص" می شود، مانند:

و خیلی های دیگر.

چند کلمه در مورد قطبش یونی فوق الذکر که در بلورهایی مانند کلرید سدیم NaCl رخ می دهد. تحت تأثیر میدان، یون‌های سدیم با بار مثبت Na + و یون‌های کلر با بار منفی Cl - در جهات مختلف از موقعیت‌های تعادلی خود جابه‌جا می‌شوند، به همین دلیل هر سلول ابتدایی کریستال یک گشتاور دوقطبی الکتریکی به دست می‌آورد. این مثال به معنای زیر مفید است: مهم نیست که یک دی الکتریک چقدر پیچیده باشد - در این مورد یک کریستال یونی - قطبش آن به دلیل جابجایی بارهای مثبت و منفی در جهات مخالف است. سوال این است که کدام حامل‌های بار خاص قادر به چنین حرکتی هستند: الکترون‌های آزاد در یک فلز، الکترون‌های لایه الکترونی اتم‌های خنثی یا مولکول‌های گاز یا مایعی که به شدت به هسته‌ها متصل هستند، یون‌ها در گره‌های یک شبکه بلوری، و به زودی. این با نحوه ساختار دی الکتریک تعیین می شود.

فرآیندهایی که در یک دی الکتریک در طول قطبش آن اتفاق می افتد را می توان بر اساس مفهوم دی الکتریک به عنوان یک محیط متشکل از بارهای متضاد متصل به هم جفتی درک کرد. برخلاف رساناها، دی الکتریک ها بارهای آزاد ندارند که تحت تأثیر میدان خارجی بتوانند در کل حجم نمونه حرکت کنند. بارهایی که مولکول های دی الکتریک را تشکیل می دهند، محکم به یکدیگر متصل هستند و فقط در داخل مولکول (یا اتم) خود، یعنی در فاصله ای برابر سانتی متر می توانند حرکت کنند.

تقریباً در تمام مواردی که دی الکتریک از ذرات خنثی الکتریکی (اتم ها و مولکول ها) تشکیل شده است، صرف نظر از وضعیت تجمع آن، می توان تمام «مکانیسم های فرعی» قطبش را به دو نوع کاهش داد. برای انجام این کار، مرسوم است که تمام اتم ها و مولکول ها و دی الکتریک های متشکل از آنها را به دو دسته تقسیم می کنند:

برنج. 3.15. پلاریزاسیون دی الکتریک غیر قطبی

برنج. 3.16. مکانیسم جهت قطبی شدن یک دی الکتریک قطبی

در اینجا بردار گشتاور دوقطبی یک مولکول است، جمع بر روی تمام مولکول های واقع در یک حجم فیزیکی بینهایت کوچک انجام می شود. به عنوان مثال، یک کره یکنواخت قطبی شده را در نظر بگیرید (شکل 3.17).

برنج. 3.17. قطبش و میدان الکتریکی یک توپ پلاریزه یکنواخت

هنگامی که یک دی الکتریک غیر قطبی قطبی می شود، پوسته الکترونی یک اتم یا مولکول تغییر شکل می دهد - الکترون ها در برابر میدان قطبی جابجا می شوند، هسته ها در امتداد میدان جابجا می شوند. فاصله معینی بین مراکز بارهای مثبت و منفی قبلی (در صورت عدم وجود میدان قطبی کننده) منطبق به نظر می رسد. در نتیجه، اتم یا مولکول مقداری به دست می آورد القاء شدهلحظه دوقطبی

کم و بیش واضح است که گشتاور دوقطبی القایی متناسب با بزرگی میدان الکتریکی خارجی خواهد بود. این را می توان با در نظر گرفتن رفتار انرژی پتانسیل P( ایکس) برهمکنش دو ذره، که در آن ایکس- فاصله بین آنها اجازه دهید حالت تعادل با فاصله مطابقت داشته باشد (ذرات در یک نقطه هستند و هیچ گشتاور دوقطبی وجود ندارد). برای انحرافات کوچک از موقعیت تعادل، انبساط انرژی پتانسیل در سری تیلور را می توان به چند عبارت اول محدود کرد.

با توجه به اینکه مشتق اول در نقطه تعادل صفر است و مشتق دوم در این نقطه مثبت است. ، متوجه می شویم که در نزدیکی نقطه تعادل پایدار، انرژی پتانسیل به شکلی عمل می کند

بر این اساس، هنگام انحراف از این موقعیت، نیرویی به وجود می آید

,

مشابه نیروی الاستیک در هنگام کشش فنر. اگر بارهای موجود در مولکول توسط چنین "چشمه ای" "به هم وصل شوند"، آنگاه وقتی یک میدان اعمال می شود E فاصله تعادل جدید بین ذرات توسط رابطه تعیین می شود

در نتیجه، مقدار گشتاور دوقطبی ایجاد شده تحت تأثیر میدان را می‌یابیم

ضرب گشتاور دوقطبی القایی در غلظت مولکولهای قطبی شده ن/V (ن- آنها شماره کاملدر حجم V، قطبش دی الکتریک را بدست می آوریم

اگر قطبش (3.16) را به شکل بنویسیم

که در آن ثابت (برای یک ماده معین) طبق تعریف است حساسیت دی الکتریکمواد، سپس برای، سپس در چارچوب این مدل، حساسیت دی الکتریک را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد.

در مولکول هایی که قطبی نامیده می شوند، مراکز بارهای مثبت و منفی نسبت به یکدیگر جابه جا می شوند، بنابراین چنین مولکولی دارای گشتاور دوقطبی خاص خود است. هنگامی که چنین مولکولی در میدان الکتریکی قرار می گیرد، پوسته الکترونی آن تغییر شکل می دهد، فاصله بین مراکز بارها افزایش می یابد و مقداری گشتاور دوقطبی القایی به گشتاور دوقطبی ذاتی اولیه اضافه می شود. با این حال، می توان نشان داد که این گشتاور دوقطبی القایی اضافی بسیار کوچکتر از گشتاور ذاتی است. البته این در صورتی درست است که میدان پلاریزه بسیار کوچکتر از میدان موجود در داخل مولکول باشد. به ترتیب قدر، میدان درون مولکولی برابر با واحد اتمی شدت میدان الکتریکی است: V/m. در عبارت نوشته شده برای واحد اتمی شدت میدان الکتریکی، جرم الکترون، بار آن و ثابت پلانک. با توجه به این که، برای مثال، "خرابی" - که منجر به تخلیه جرقه می شود - قدرت میدان برای هوای خشک فقط V/m است، یعنی پنج مرتبه قدر کمتر، می توان استدلال کرد که در اکثر آزمایش ها، لحظه دوقطبی القا شده، در حضور خود، می تواند نادیده گرفته شود. در آینده، هنگام در نظر گرفتن قطبش دی الکتریک های دوقطبی، این اثر (القای یک گشتاور اضافی) در نظر گرفته نخواهد شد.

بردارهای گشتاورهای دوقطبی ذاتی مولکول های منفرد در حالت عادی به دلیل حرکت حرارتی به طور تصادفی جهت گیری می شوند. بنابراین، در غیاب میدان الکتریکی خارجی، میانگین گشتاور دوقطبی کل هر حجم فیزیکی بینهایت کوچک دی الکتریک برابر با صفر است. به عبارت دیگر، دی الکتریک قطبی نیست: قطبش آن صفر است.

یک میدان الکتریکی خارجی تمایل دارد گشتاورهای دوقطبی مولکول ها را به موازات بردار جهت دهد و حرکت حرارتی از این امر جلوگیری می کند؛ دی الکتریک قطبی شده است و قطبش آن باید به دما بستگی داشته باشد، یعنی: با افزایش دما باید کاهش یابد. این وابستگی در زیر محاسبه می‌شود؛ همچنین نشان داده می‌شود که در مورد دی‌الکتریک‌های قطبی، پلاریزاسیون آنها متناسب با قدرت میدان پلاریزه است. این قطبش نامیده می شود گرایش(شکل 3.18).

برنج. 3.18. قطبش جهتی دی الکتریک

مطابق با فرمول (3.8)، انرژی پتانسیل یک دوقطبی در یک میدان خارجی Eبستگی به جهت دوقطبی دارد

با توجه به قانون آماری بولتزمن (شکل 3.19)، که توزیع انرژی ذرات را در یک میدان خارجی در شرایط تعادل ترمودینامیکی توصیف می کند، تعداد مولکول هایی که گشتاور دوقطبی آنها در یک زاویه نسبت به میدان خارجی جهت گیری می کند، به صورت زیر تعیین می شود.

اینجا با- ثابت عادی سازی، که مقدار آن را بعداً خواهیم یافت، تی - دمای مطلقثابت بولتزمن - ک B = 1.38·10 -23 J/K. به دلیل کوچک بودن گشتاور دوقطبی مولکول‌ها، برای دماهای معمولی (نه خیلی کم) این توان کوچک است و ما می‌توانیم این توان را در یک سری تیلور گسترش دهیم و دو جمله اول را باقی بگذاریم.

برنج. 3.19. L. Boltzmann (1844–1906) - فیزیکدان اتریشی

ما تأکید می کنیم که استفاده از عبارت تقریبی (3.18) و تمام نتایج حاصل از آن در دماهایی که خیلی پایین نیستند، توجیه می شود، زمانی که . انجام یک محاسبه دقیق با استفاده از (3.17) به جای محاسبه تقریبی (3.18)، که خواننده می تواند به طور مستقل انجام دهد، دشوار نیست.

انتگرال بیش از زاویه جامد کل باید عدد کل را نشان دهد نمولکول های موجود در سیستم از آنجایی که مقدار میانگین کسینوس صفر است، تنها جمله اول در (3.18) یکپارچه شده است. از آنجایی که مقدار مجموع زاویه جامد برابر است، دریافت می کنیم

اکنون ما ثابت را می دانیم باو می توانیم عبارت (3.18) را به شکل بنویسیم

لازم است مقدار پیش بینی گشتاور دوقطبی کل بر روی جهت میدان تعیین شود (به دلیل تقارن محوری مسئله، پیش بینی های دیگر بدیهی است برابر با صفر هستند). برآمدگی گشتاور دوقطبی یک مولکول برابر با pcosa است، بنابراین گشتاور دوقطبی کل آراز تمام مولکول ها در واحد حجم برابر است با

انتگرال over برابر است و انتگرال بیش از تغییر متغیر محاسبه می شود

سپس پیدا می کنیم

از (3.21) چنین استنباط می شود که در مورد قطبش جهتی دوقطبی یک ماده، قطبش متناسب با شدت میدان الکتریکی است. علاوه بر این، وابستگی قطبش به دما را پیدا کردیم. این قانون کوری است که به صورت تجربی تایید شده است (شکل 3.20).

برنج. 3.20. وابستگی قطبش دی الکتریک قطبی به دما (محلول دقیق)

برای خلاصه کردن این بخش، به طور خلاصه نتایج اصلی را تکرار می کنیم. یک میدان الکتریکی خارجی یا گشتاورهای دوقطبی را در امتداد میدان ایجاد می‌کند یا گشتاورهای دوقطبی مولکول‌های منفرد را جهت می‌دهد و دی الکتریک یک گشتاور دوقطبی ماکروسکوپی خاص را به دست می‌آورد. بردار پلاریزاسیون دی الکتریک نامیده می شود. متناسب با قدرت میدان الکتریکی خارجی است و این رابطه را می توان به صورت نمایش داد

سپس بردار پلاریزاسیون در SI بر حسب C/m2 اندازه گیری می شود. ابعاد آن با بعد چگالی بار سطحی منطبق است. این نشان می دهد که بردار پلاریزاسیون مربوط به چگالی بارهای پلاریزاسیون ناشی از سطح و در حجم دی الکتریک قرار گرفته در یک میدان خارجی است (شکل 3.21).

برنج. 3.21. بردار پلاریزاسیون و چگالی بار پلاریزاسیون

تناسب بین قطبی شدن آر و تنش E میدان الکترواستاتیک خارجی در مورد قطبش الکترونیکی و یونی با این واقعیت توضیح داده می شود که با افزایش E گشتاورهای دوقطبی اتم های منفرد افزایش می یابد پمن. با قطبش دوقطبی، درجه جهت گیری برداری متناسب با افزایش قدرت میدان الکترواستاتیک خارجی افزایش می یابد. پ من. بالا پیدا کردیم فرمول های کلیبرای حساسیت دی الکتریک برای انواع مختلف پلاریزاسیون. لازم به تأکید است که آنها برای گازها معتبر هستند: ما تأثیر مولکول ها روی یکدیگر را در نظر نگرفتیم، که برای سیستم هایی که ذرات در آن ها خیلی متراکم نیستند قابل قبول است. اما نتیجه کلی برای ماده متراکم (مایعات و جامدات) معتبر است: تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی، واحد حجم دی الکتریک یک گشتاور دوقطبی به دست می آورد. آر ; در ساده ترین موارد یک رابطه خطی وجود دارد

هر سه مکانیسم در نظر گرفته شده به حساسیت دی الکتریک کلی یک دی الکتریک کمک می کنند:

معمولاً به ندرت اتفاق می افتد که همه بخش های حساسیت دی الکتریک به یک اندازه بزرگ باشند. به عنوان مثال، در بلورهای یونی، قسمت دوقطبی کاملاً وجود ندارد. به طور تجربی، سهم هر کسری را می توان با اندازه گیری ثابت های دی الکتریک در فرکانس های مختلف موج الکترومغناطیسی یافت. در فرکانس های پایین (میدان استاتیکی که اکنون به آن توجه داریم)، ​​هر سه بخش از حساسیت دی الکتریک کمک می کنند (شکل 3.22).

برنج. 3.22. وابستگی حساسیت دی الکتریک کل یک دی الکتریک
در فرکانس موج الکترومغناطیسی محدوده فرکانس نشان داده شده است:
I - منطقه رادیو و مایکروویو، II - منطقه مادون قرمز، III - منطقه ماوراء بنفش

با افزایش فرکانس، سهم بخش دوقطبی اولین چیزی است که ناپدید می‌شود: مولکول‌ها به دنبال میدان الکتریکی موج که به سرعت در حال تغییر است، زمان چرخیدن نخواهند داشت. انتقال به حالت جدید معمولاً در فرکانس های رادیویی انجام می شود. با افزایش بیشتر فرکانس، سهم بخش یونی ناپدید می شود: یون ها اینرسی تر از الکترون ها هستند. در محدوده فرکانس نوری، کسر الکترونیکی قطبش غالب است. هنگام حرکت به فرکانس‌های حتی بالاتر - فراتر از ناحیه فرابنفش - حتی ابرهای الکترونی هم زمان لازم برای دنبال کردن تغییرات میدان الکتریکی را نخواهند داشت و قطبش پذیری دی الکتریک ناپدید می‌شود.

بیایید مثالی بزنیم: نمک خوراکی NaCl دارای یک ثابت دی الکتریک در میدان ساکن 5.62 است و در میدان الکترومغناطیسی در محدوده نوری - فقط 2.25. قطبش پذیری دوقطبی در چنین بلورهایی وجود ندارد و این تفاوت را باید به قطبش پذیری یونی نسبت داد.

اطلاعات تکمیلی

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/index.html - امواج الکترومغناطیسی، مقیاس امواج الکترومغناطیسی؛

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/radio.html - امواج رادیویی.

http://www.nrao.edu/index.php/learn/radioastronomy/radiowaves - امواج رادیویی، منابع امواج رادیویی.

خواص دی الکتریک

دی الکتریک.

دی الکتریک ها موادی هستند که رسانایی الکتریکی کمی دارند، زیرا آنها ذرات باردار آزاد بسیار کمی دارند - الکترون ها و یون ها. این ذرات تنها زمانی در دی الکتریک ها ظاهر می شوند که تا دمای بالا گرم شوند. دی الکتریک های گازی (گازها، هوا)، مایع (روغن، مواد آلی مایع) و جامد (پارافین، پلی اتیلن، میکا، سرامیک و غیره) وجود دارد.

هنگامی که یک ولتاژ الکتریکی به یک دی الکتریک اعمال می شود، که نشان دهنده یک سیستم الکتریکی پیچیده است، فرآیندهای الکتریکی مختلف مربوط به قطبش و هدایت الکتریکی آن رخ می دهد. اگر ولتاژ بسیار بالا باشد، ممکن است خرابی دی الکتریک به نام خرابی رخ دهد.

یکی از مهمترین خواصدی الکتریک توانایی آنها برای قطبش تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی است. بر اساس مفاهیم مدرن، پدیده پلاریزاسیون به تغییر موقعیت ذرات دی الکتریک در فضای فضا منتهی می شود که دارای بار الکتریکی یک یا آن علامت هستند، در نتیجه هر حجم ماکروسکوپی دی الکتریک یک گشتاور الکتریکی القایی معینی به دست می آورد. که این حجم دی الکتریک قبل از قرار گرفتن در معرض میدان الکتریکی خارجی فاقد آن بود.

پلاریزاسیون با ظاهر شدن دی الکتریک های بارهای الکتریکی محدود بر روی سطح همراه است که قدرت میدان را در داخل ماده کاهش می دهد.

یکی از مشخصه های کمی قطبش، پلاریزاسیون دی الکتریک است پ.

توانایی مواد مختلف برای پلاریزه شدن در میدان الکتریکی با ثابت دی الکتریک نسبی ε مشخص می شود.

در غیاب میدان الکتریکی خارجی، هر عنصر از حجم دی الکتریک دارای گشتاور الکتریکی نیست، زیرا مجموع جبری بارهای تمام مولکول های دی الکتریک در یک حجم معین صفر است و مراکز ثقل بارهای مثبت و منفی بر هم منطبق هستند. در فضای. فرض بر این است که این عنصر حجمی در مقایسه با اندازه مولکول بسیار بزرگ است، به طوری که حاوی تعداد بسیار زیادی مولکول است. تحت تأثیر یک میدان الکتریکی خارجی، مقداری نظم در آرایش مولکول های دی الکتریک در فضا رخ می دهد، همانطور که به طور شماتیک در شکل نشان داده شده است.

ترتیب بارها در یک دی الکتریک کاملا پلاریزه یک خازن صفحه موازی

توجه به دو گروه قطبی شدن ضروری است:

- پلاریزاسیون الاستیک، تقریباً بلافاصله تحت تأثیر یک میدان الکتریکی رخ می دهد، با اتلاف (از دست دادن) انرژی همراه نیستدر دی الکتریک (انتشار گرما)؛

- قطبش آرامش، افزایش و کاهش در یک بازه زمانی معین و همراه با اتلاف انرژیدر دی الکتریک، یعنی با گرم کردن آن

1) پلاریزاسیون الکترونیکی

هنگامی که یک ولتاژ اعمال می شود، یک میدان الکتریکی در دی الکتریک ایجاد می شود و الکترون های موجود در اتم ها نسبت به هسته به سمت الکترود مثبت جابجا می شوند.

الکترون های جابجا شده با بارهای مثبت هسته اتم، جفت بارهای الکتریکی متصل به یکدیگر را تشکیل می دهند که به آنها دوقطبی الاستیک می گویند. تشکیل آنها فورا (10-15 ثانیه) اتفاق می افتد. اگر ولتاژ از دی الکتریک حذف شود، ناپدید می شوند. این فرآیند تشکیل دوقطبی های الاستیک نامیده می شود پلاریزاسیون الکترونیکی.

مقدار e به غلظت اتم ها (مولکول ها) در دی الکتریک و ساختار آنها بستگی دارد که قطبش پذیری α e اتم (مولکول) را تعیین می کند و با این عبارت توصیف می شود:

e = 1 + nα e

جایی که ε ثابت دی الکتریک است. n- غلظت ذرات (اتم ها، مولکول ها) در دی الکتریک؛ α e - قطبش پذیری الکترونیکی که توسط ساختار مولکول یا اتم تعیین می شود.

اگر دی الکتریک کریستال باشد، ε آن بزرگتر از دی الکتریک آمورف است، زیرا چگالی بسته بندی اتم ها و مولکول ها در حالت کریستالی بیشتر است.

ثابت دی الکتریک یک ماده با قطبش کاملاً الکترونیکی از نظر عددی برابر با مجذور ضریب شکست نور است. n

ε = n 2 .

اگرچه تغییر شکل مدارهای الکترون به دما بستگی ندارد، قطبش الکترونیکی و در نتیجه ثابت دی الکتریک ε با افزایش دمای دی الکتریک کاهش می یابد، زیرا حجم آن افزایش می یابد و تعداد ذرات در واحد حجم کاهش می یابد.

2) پلاریزاسیون یونی(یا پلاریزاسیون جابجایی یون).

پلاریزاسیون به دلیل جابجایی یون های متصل به الاستیک ایجاد می شود. ویژگی جامدات با ساختار یونی، یعنی. برای دی الکتریک های کریستالی هر کریستال یونی شامل یون های مثبت و منفی است که در گره های شبکه بلوری قرار دارند. هنگامی که ولتاژ اعمال می شود، نیروهای الکتریکی در آن شروع به عمل می کنند و یون ها جابه جا می شوند: مثبت در یک جهت، یون های منفی در جهت مخالف. هر جفت یون یک دوقطبی الاستیک را تشکیل می دهد. زمان ایجاد پلاریزاسیون یونی 13-10 ثانیه است. همراه با فرآیند جابجایی پلاریزاسیون، قطبش الکترونیکی رخ می دهد. شدت این فرآیندها در دی الکتریک های کریستالی زیاد است، بنابراین ε = 7 ÷ 12 و بالاتر.

قطبش های الکترونیکی و یونی متعلق به پلاریزاسیون الاستیک هستند. بقیه موارد، که در زیر مورد بحث قرار می‌گیرند، تظاهرات مختلفی از قطبش آرامش هستند.

تحت تأثیر میدان، رادیکال ها (گروه های اتم) نیز جهت گیری می کنند - این است دوقطبی- قطبش رادیکال.

با افزایش دما، ویسکوزیته محیط کاهش می یابد و تا زمانی که ویسکوزیته بالا باشد، پلاریزاسیون دوقطبی افزایش می یابد. اما ماهیت آشفته حرکت حرارتی به تدریج افزایش می یابد و بر جهت گیری دوقطبی ها غالب می شود، یعنی. جهت گیری دوقطبی با افزایش دما شروع به کاهش می کند.

این قطبش مشخصه گازها و مایعات و همچنین جامدات قطبی است. مواد آلیحاوی رادیکال در 10-2 ثانیه تکمیل شد. پس از حذف میدان، جهت گیری ضعیف می شود (آرامش رخ می دهد).

4) به صورت الکترونیکی - قطبش آرامش.

پلاریزاسیون به دلیل الکترون‌های «نقص» اضافی یا حفره‌های تحریک شده توسط انرژی حرارتی رخ می‌دهد. ویژگی دی الکتریک ها با ضریب شکست بالا و هدایت الکترونیکی و همچنین نیمه هادی ها.

5) پلاریزاسیون الاستیک-دو قطبی

پلاریزاسیون در مولکول های دوقطبی برخی از کریستال ها مشاهده می شود که ثابت هستند و فقط به میزان محدودی در یک زاویه کوچک می چرخند.

6) بین لایه قطبی شدن

پلاریزاسیون در اثر آخال های رسانا و نیمه هادی و وجود لایه هایی با رسانایی متفاوت ایجاد می شود. قطبی شدن خود را در مواد جامدساختار ناهمگن (پلاستیک های چند لایه) در محدوده فرکانس پایین، و با تلفات قابل توجه انرژی الکتریکی همراه است.

7) قطبش خود به خود (خود به خودی).

قطبش مشخصه فروالکتریک ها است، موادی که به مناطق تقسیم می شوند. دامنه ها) داشتن یک گشتاور دوقطبی خود به خود در غیاب میدان خارجی. جهت گیری متقابل گشتاورهای دوقطبی حوزه ها در غیاب میدان به گونه ای است که گشتاور دوقطبی کل ماده صفر است. برهم نهی میدان، گشتاورهای دوقطبی حوزه ها را جهت می دهد که باعث قطبش بسیار قوی می شود.

مواد دی الکتریک.

طبقه بندی و خواص عمومیدی الکتریک ها وابستگی به دما

مواد دی الکتریک.

موادی که قادر به قطبش در میدان الکتریکی هستند. آنها دارای میدان الکتریکی داخلی و توزیع یکنواخت پتانسیل ها هستند.

حامل های شارژ در دی الکتریک:

1. در گازها

1) یون های مثبت و منفی. دلیل: یونیزاسیون مولکول های گاز.

2) الکترون ها در میدان های قوی.

2. در مایعات

1) یون ها دلیل: تفکیک مولکول های مایع.

2) ذرات باردار کلوئیدی در امولسیون ها و سوسپانسیون ها.

3. در جامدات

2) عیوب شبکه کریستالی.

3) الکترون ها یا سوراخ های هدایت.

قطبی و غیر قطبی وجود دارد.

شکل 50.

خواص الکتریکی پایه دی الکتریک ها:

1. قطبی شدن

2. هدایت الکتریکی

3. تلفات دی الکتریک

4. قدرت الکتریکی

هنگام محاسبه با جریان مستقیم، تنها از طریق جریان در نظر گرفته می شود.

پلاریزاسیون دی الکتریک ها انواع پلاریزاسیون

پلاریزاسیون فرآیند جابجایی و ترتیب بارها در دی الکتریک تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی است. معیار عددی پلاریزاسیون، قطبش دی الکتریک است - مقدار گشتاور الکتریکی در واحد حجم دی الکتریک:

	(1.2)
	(1.2)

جایی که dp- ممان الکتریکی عنصر دی الکتریک؛

dV - حجم عنصر دی الکتریک

قدرت میدان الکتریکی خارجی، V/m،

- ثابت دی الکتریک،

ثابت دی الکتریک نسبی

پلاریزاسیون خاصیت دی الکتریک ها را برای تشکیل ظرفیت الکتریکی تعیین می کند. در عین حال، پلاریزاسیون دی الکتریک ها که با صرف انرژی و آزاد شدن گرما رخ می دهد، باعث اتلاف انرژی الکتریکی در مواد عایق می شود، به ویژه در فرکانس های بالا، زمانی که فرآیندهای پلاریزاسیون دی الکتریک برای تعداد بیشتری تکرار می شود. چرخه در واحد زمان بنابراین، پلاریزاسیون با پارامترهای دی الکتریک و .

انواع مختلفی از پلاریزاسیون وجود دارد.

2.2.1. پلاریزاسیون الاستیک در دی الکتریک بدون آزاد شدن انرژی یا اتلاف گرما رخ می دهد. پلاریزاسیون الاستیک الکترونیکی و یونی وجود دارد

پلاریزاسیون الکترونیکی یک جابجایی الاستیک و تغییر شکل پوسته های الکترونیکی اتم ها است که منجر به جدا شدن مراکز هندسی بارهای مثبت و منفی در اتم می شود. برای ایجاد، حداقل زمان مورد نیاز است - 10-15 ثانیه، یعنی. تقریباً فوراً تشکیل می شود. قطبش پذیری در حین پلاریزاسیون الکترونیکی به دما بستگی ندارد و ثابت دی الکتریک با افزایش دما به دلیل انبساط حرارتی دی الکتریک و کاهش تعداد اتم ها در واحد حجم به آرامی کاهش می یابد (شکل 2.2). قطبش الکترونیکی در همه دی الکتریک ها صرف نظر از ترکیب شیمیایی و ساختار داخلی آنها مشاهده می شود.

پلاریزاسیون یونی - جابجایی الاستیک یون ها - گره های شبکه کریستالی، مشخصه مواد با ساختار یونی است. با افزایش دما به دلیل تضعیف نیروهای بین یونی تشدید می شود. زمان برقراری پلاریزاسیون 10-13 ثانیه است - بیشتر از زمان قطبش الکترونیکی، زیرا یون ها جرم بیشتری دارند.

از آنجایی که فرآیندهای قطبش الکترونیکی و یونی تقریباً فوراً اتفاق می افتد، مقدار ثابت دی الکتریک مواد با قطبش الاستیک ثابت است و به فرکانس بستگی ندارد.

2.2.2. پلاریزاسیون آرام (غیر الاستیک) - انواع آهسته قطبش. برای اجرای آنها لازم است انرژی معینی مصرف شود که پس از بازگشت دی الکتریک به حالت اولیه خود به صورت گرما آزاد می شود. پلاریزاسیون دوقطبی آرامش، آرامش یون، آرامش الکترون، رزونانس و مهاجرت وجود دارد.

قطبش آرامش دوقطبی مشخصه مواد با ساختار دوقطبی است و به دلیل جهت گیری مجدد مولکول های دوقطبی در یک میدان الکتریکی خارجی اعمال شده به دی الکتریک ایجاد می شود. بسته به جرم، چگالی بسته بندی و ابعاد دوقطبی ها، زمان ایجاد پلاریزاسیون 10-10 ..10-2 ثانیه است. پس از حذف میدانی که باعث قطبش شده است، تحت تأثیر حرکت حرارتی ذرات به حالت آشفته اولیه خود باز می گردند، در حالی که قطبش مواد طبق قانون کاهش می یابد.

(1.2)

قطبش دی الکتریک در لحظه حذف میدان خارجی کجاست، C/m2،

زمان آرامش (زمانی که در طی آن تعداد دوقطبی های مرتب شده با ضریب e کاهش می یابد)، s.

وابستگی قطبش دوقطبی به دما در شکل 1 نشان داده شده است. 2.3. کاهش نمودار در ناحیه دمای پایین به دلیل بسته بندی متراکم یون ها و دشواری جهت گیری مجدد آنها و در منطقه با دمای بالا - به دلیل تعداد کم دوقطبی در واحد حجم دی الکتریک است.

برنج. 2.3. وابستگی قطبش آرامش دوقطبی به دما

پلاریزاسیون دوقطبی آرامش در همه مواد قطبی مشاهده می شود. در دی الکتریک جامد، قطبش نه به دلیل چرخش خود مولکول، بلکه به دلیل جابجایی رادیکال های قطبی موجود در آن، به عنوان مثال، Na + و Cl - در مولکول نمک خوراکی ایجاد می شود.

با افزایش فرکانس، قطبش دوقطبی و ثابت دی الکتریک کاهش می یابد، بنابراین دی الکتریک های قطبی وابسته به فرکانس هستند و در فرکانس های بالا استفاده نمی شوند.

پلاریزاسیون آرام سازی یونی در موادی با بسته بندی شل یون ها مشاهده می شود و در اثر حرکت فیزیکی یون ها به فضای خالی در شبکه کریستالی تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی ایجاد می شود. پس از حذف میدان، قطبش به تدریج ضعیف می شود. مشاهده شده فقط برای مواد جامد(شکل 3.x)، از آنجایی که در حالت مذاب یون ها آزاد می شوند و ماده به رسانایی با رسانایی الکترولیتی تبدیل می شود.

برنج. 3.x. وابستگی پلاریزاسیون آرامش یونی

روی دما

پلاریزاسیون آرامش الکترونیکی در اثر حرکت از یک یون به یون دیگر (در جهت میدان) الکترون ها و حفره های اضافی (عیب) ایجاد می شود. مشخصه مواد با رسانایی الکتریکی الکترونیکی، دارای حداکثر مرکزی در وابستگی است و با افزایش فرکانس کاهش می یابد.

قطبش رزونانسی در دی الکتریک ها در فرکانس های نور مشاهده می شود و در اثر تشدید نوسانات طبیعی (چرخش) الکترون ها یا یون ها و فرکانس میدان الکترومغناطیسی خارجی (نور) ایجاد می شود. در عمل از آن استفاده نمی شود و عملاً تأثیری بر خواص دی الکتریک در محدوده فرکانسی مورد استفاده الکترونیک و میکروالکترونیک ندارد.

قطبش مهاجرت - خود را در جامدات ساختار ناهمگن با ناهمگنی های ماکروسکوپی و وجود ناخالصی ها نشان می دهد. علل پلاریزاسیون وجود آخال های رسانا و نیمه هادی در دی الکتریک های فنی واقعی (کاغذ، پارچه) است. در طول قطبش مهاجرت، الکترون‌ها و یون‌ها در داخل اجزای رسانا حرکت می‌کنند و نواحی پلاریزه بزرگی را تشکیل می‌دهند. این قطبش با تلفات انرژی زیاد همراه است و در فرکانس های پایین مشاهده می شود؛ زمان آرامش چنین دی الکتریک ها دقیقه و ثانیه است.

در دی الکتریک های واقعی، چندین نوع پلاریزاسیون به طور همزمان ظاهر می شوند، بنابراین وابستگی های فرکانس و دمای قطبش، ثابت دی الکتریک و مماس تلفات دی الکتریک پیچیده تر می شوند. بر اساس نوع پلاریزاسیون، چهار گروه از دی الکتریک ها متمایز می شوند:

1. دی الکتریک ها عمدتا به صورت الکترونیکی پلاریزه می شوند. اینها مواد غیر قطبی و ضعیف قطبی در حالت کریستالی و آمورف (پارافین، پلی استایرن، پلی اتیلن) ​​هستند. آنها به عنوان دی الکتریک فرکانس بالا - عایق استفاده می شوند.

2. دی الکتریک با قطبش الکترونیکی و دوقطبی آرامش. اینها مواد آلی، نیمه مایع و جامد قطبی (رزین، سلولز) هستند. آنها به عنوان دی الکتریک های فرکانس پایین - عایق ها و در خازن های فرکانس پایین استفاده می شوند.

3. دی الکتریک معدنی جامد با قطبش الکترونیکی، یونی و آرامش (میکا، کوارتز، شیشه، سرامیک، سرامیک شیشه ای). آنها به عنوان دی الکتریک در خازن های فرکانس بالا و به عنوان عایق استفاده می شوند.

4. فرودی الکتریک با انواع پلاریزاسیون. به عنوان دی الکتریک فعال (کنترل شده) استفاده می شود.

در اثر پلاریزاسیون، میدان الکتریکی داخل دی الکتریک تغییر می کند. ثابت دی الکتریک تضعیف میدان خارجی توسط میدان داخلی را مشخص می کند:

	(1.2)

میدان الکتریکی خارجی کجاست، V/m،

میدان الکتریکی داخلی، V/m،

جابجایی الکتریکی، C/m2،

تراکم سطحبارهای مرتبط روی صفحات خازن در حضور دی الکتریک، C/m 2،

چگالی بار سطحی اضافی ناشی از قطبش دی الکتریک، C/m 2

چگالی بار سطحی در صفحات یک خازن هوا، C/m2

برای به دست آوردن خواص لازم، به عنوان مثال، حداقل ضریب دمایی ظرفیت TKE، یک دی الکتریک پیچیده متشکل از مخلوطی از مواد ساده با ثابت های دی الکتریک مختلف می تواند در خازن های الکتریکی استفاده شود. اگر از چنین دی الکتریک استفاده شود، ثابت دی الکتریک موثر آن با استفاده از فرمول Lichtenecker محاسبه می شود: در مورد توزیع آشفته اجزا:

,

جایی که q 1و q 2- غلظت حجمی (کسری) اجزاء.

قطبش دی الکتریک.

فرآیند جابجایی و ترتیب حامل های بار تحت تأثیر میدان الکتریکی

حالتی از ماده که در آن حجم اولیه آن یک گشتاور الکتریکی پیدا می کند

دلایل: میدان الکتریکی خارجی، استرس مکانیکی، روشنایی و سایر عوامل محیطی، قطبش خود به خود.

شکل 51.

پلاریزاسیون دلیل ظاهر شدن ظرفیت الکتریکی است.

دی الکتریک ها:

1) خطی - عایق، خازن با ظرفیت ثابت

2) غیر خطی - سنسورها، کندانسورهای ولتاژ کنترل شده

شکل 52.

قطبی از مولکول های قطبی (آب) تشکیل شده است. غیر قطبی - از غیر قطبی، که در آن ممان الکتریکی = 0 (گازها، نمک خوراکی).

انواع پلاریزاسیون:

1. قطبش سریع (الاستیک) - بدون اتلاف انرژی رخ می دهد.

1) قطبش الکترونیکی - جابجایی ابر الکترونی نسبت به مرکز هسته اتم. زمان وقوع و حذف 10^-14...10^-15 s می باشد. قطبش پذیری به دما بستگی ندارد، اما ثابت دی الکتریک بستگی دارد. شکل 53.

2) قطبش تشدید - زمانی اتفاق می افتد که فرکانس های چرخش الکترون با تغییر در میدان مغناطیسی منطبق شود.

3) پلاریزاسیون یونی - جابجایی یون های مثبت و منفی نسبت به یکدیگر. زمان ته نشینی - 10^-11 ثانیه. مثال: نمک خوراکی. با افزایش دما، پارامترها افزایش می یابد.

2. آرامش

ایجاد آن نیاز به انرژی آزاد شده به صورت تلفات حرارتی و دی الکتریک در جریان متناوب دارد.

انواع:

1) پلاریزاسیون آرامش دوقطبی - چرخش و جهت گیری مولکول های دوقطبی در جهت میدان.

شکل 54.

زمان ته نشینی: 10^-2…10^-10 ثانیه.

تاو زمان آرامش است.

2) پلاریزاسیون یون-آرامش - حرکت یون ها از یک اتم به اتم دیگر در موادی با بسته بندی ناقص الکترون ها. مثال: شیشه.

شکل 55.

در مایع - هادی با رسانایی الکترولیتی.

3) الکترونیکی - آرامش - انتقال یک الکترون به اتم دیگر در حین قطبش.

زمان ته نشینی: 10^-2…10^-5 ثانیه برای دمای اتاق.

4) مهاجرت - در دی الکتریک های ناهمگن با آخال های رسانا مشاهده شده است. مثال: کاغذ.

شکل 56.

پلاریزاسیون فرکانس پایین زمان استراحت: دقیقه و ساعت.

5) قطبش خود به خود. فاز - وضعیت شبکه کریستالی، ساختار آن.

در مواد مختلف، تغییر فاز بدون تغییر حالت تجمع امکان پذیر است. تغییرات فاز در دی الکتریک ها می تواند منجر به پلاریزاسیون خود به خود - فروالکتریک ها شود. ثابت دی الکتریک - تا 10^5. نوع دی الکتریک - غیر خطی. مورد استفاده در سنسورها

ثابت دی الکتریک مخلوط.