Hva er polarisering av dielektrikum. Dielektriske stoffer og deres egenskaper, polarisering og nedbrytningsspenning av dielektriske stoffer

UDDANNELSES- OG VITENSKAPSDEPARTEMENTET I RF

Biysk teknologiske institutt

(filial) FSBEI HPE

"Altai-staten

teknisk universitet

dem. I.I. Polzunov"

(BTI AltSTU)

Om emnet: Polarisering av dielektrikum

Fullført:

elev av PS-11-gruppen

Komarova.A.V.

Krysset av:

Shalunov A.V.

INNLEDNING 3

1 Polariseringsbegrep 3

2 Mekanismer for polarisering 4

3 typer polarisering 5

3.1 Elektronisk polarisering 5

3.2 Ionisk polarisering 6

3.3 Elastisk-dipolpolarisering 7

3.4 Ione-relaksasjonspolarisering 8

3.5 Dipol-relaksasjonspolarisering 9

3.6 Migrering (mellomlag) polarisering 11

3.7 Elektronisk avspenningspolarisering 11

3.8 Nukleær skjevhet polarisering 12

3.9 Restpolarisering (elektret) 12

3.10 Spontan (ferroelektrisk) polarisering 13

3.11 Piezoelektrisk polarisering 14

4 Klassifikasjoner av dielektriske stoffer 15

5 typer polarisering i henhold til hastigheten på prosessen 17

KONKLUSJON 19

REFERANSER 20

INTRODUKSJON

Essensen av polarisasjonsfenomenet er det under påvirkning av ytre elektrisk felt de bundne ladningene til dielektrikumet forskyves i retning av kreftene som virker på dem, og jo høyere feltstyrke, desto større blir forskyvningen.

Dielektriske stoffer har funnet sin anvendelse i elektriske enheter på grunn av deres evne til å bli polarisert.

Et dielektrikum kalles "et stoff hvis viktigste elektriske egenskap er evnen til å bli polarisert i et elektrisk felt" og hvor eksistensen av et elektrostatisk felt er mulig, siden de elektriske ladningene til dets atomer, molekyler eller ioner er koblet sammen

Dielektriske stoffer som brukes i praksis inneholder også gratis ladninger, som, som beveger seg i et elektrisk felt, bestemmer elektrisk ledningsevne på DC.

1. Konseptet med polarisering

Polarisering er en begrenset forskyvning av bundne ladninger eller orientering av dipolmolekyler som oppstår i ethvert dielektrikum når det utsettes for et elektrisk felt.

Det er to definisjoner av polarisering:

Egenskapen til lys og elektromagnetiske vibrasjoner som skal lokaliseres i ett spesifikt plan. Polariseringsplan for den innfallende strålen.

Avsetning på elektrodene av ulike stoffer som svekker strømmen. Polarisering av elektroder.

Avhengig av mekanismen eller rekkefølgen på forskyvningen elektriske ladninger Følgende typer polarisering skilles:

Elektronisk polarisering;

Ionisk polarisering;

Elastisk dipolpolarisering;

Ion-avslappende polarisering;

Dipol-avslapning polarisering;

Migrasjon (mellomlags) polarisering;

Elektronisk avspenning polarisering;

Kjernefysisk fortrengning polarisering;

Gjenværende (elektret) polarisering;

Spontan (ferroelektrisk) polarisering;

Piezoelektrisk polarisering.

1. Mekanismer for polarisering

Kapasitansverdien til en kondensator med et dielektrikum og den elektriske ladningen som er akkumulert i den, bestemmes av flere polarisasjonsmekanismer, som er forskjellige for forskjellige dielektrikum og kan forekomme samtidig for samme materiale.

Figur 1 viser den ekvivalente kretsen til et dielektrikum der det er forskjellige polarisasjonsmekanismer, som kan representeres som en serie kondensatorer koblet parallelt med en spenningskilde.

Avhengig av arten av den kjemiske bindingen, skilles følgende 3 hovedmekanismer for polarisering av dielektriske ut: elektronisk, ionisk og dipol (orienterende).

Elektronisk polarisering er iboende i all dielektrikum og råder i krystaller med kovalent binding. Under påvirkning av et eksternt elektrisk felt P forskyves elektronene til et atom i forhold til kjernen (deformasjon av elektronskallet) og induserte dipoler oppstår. De dielektriske egenskapene til induserte dipoler er blant resonansfenomenene.

Den elektroniske polarisasjonsmekanismen er den minste tregheten, fordi Massen til elektronet er betydelig mindre enn massen til partiklene som deltar i polarisasjonsprosessen. Etableringstiden for elektronisk polarisering er ≈ 10-15 s, som er sammenlignbar med perioden med lysoscillasjoner.

1. Typer polarisering

3.1 Elektronisk polarisering

Elektronisk polarisering - dette er en forskyvning av elektronbaner i forhold til en positivt ladet kjerne. Det forekommer i alle atomer av ethvert stoff og derfor i alle dielektrikum, uavhengig av tilstedeværelsen av andre typer polarisering i dem. Restitusjonstiden er 10 -13 sekunder.

Elektronisk polarisering observeres i alle typer dielektrikum og er ikke assosiert med energitap opp til resonansfrekvenser. Den dielektriske konstanten til et stoff med rent elektronisk polarisering er numerisk lik kvadratet på lysets brytningsindeks. Polariserbarheten til partikler under elektronisk polarisering er ikke avhengig av temperatur, og dielektrisitetskonstanten avtar med økende temperatur på grunn av dielektrikumets termiske ekspansjon og en reduksjon i antall partikler per volumenhet. Temperaturkurven er lik tetthetskurven; Dessuten er de mest dramatiske reduksjonene observert under overganger av et stoff fra fast til flytende og fra flytende til gassformig, som vist i figur 2.

Figur 2 – Overgang av et stoff fra fast til flytende og fra flytende til gassformig

a) under spenning; b) uten spenning;

Figur 3 – Polarisering av atomer

Figur 3 viser en grafisk fremstilling av polarisasjonen av atomer.

Som vi ser, er banene til elektroner forlenget under påvirkning av spenning.

3.2 Ionisk polarisering

Ionepolarisering observeres i stoffer med ioniske kjemiske bindinger og manifesterer seg i forskyvning av motsatt ladede ioner i forhold til hverandre. Som indikert er tiden for elektronisk polarisering veldig kort - 2 - 3 størrelsesordener lengre enn elektronisk polarisering.

I dielektrika med en ionisk type kjemisk binding, under påvirkning av et elektrisk felt, forskyves positive ioner i forhold til negative. Tiden for å etablere ionepolarisering er vanligvis 10 -14 - 10 -15 s. Dette betyr at denne polarisasjonen har tid til å etablere seg fullt ut i vekslende felt, inkludert mikrobølgefelt (10 10 - 10 11 Hz). Samtidig er det i det infrarøde området av spekteret en forsinkelse i etableringen av ionepolarisering.

Den dielektriske konstanten øker med økende temperatur for uorganiske glass av forskjellige sammensetninger, for keramisk materiale - elektrisk porselen, som inneholder en stor mengde glassaktig fase.

Figur 4 – Ionisk polarisering av et molekyl

Figur 4 viser et diagram over den ioniske polarisasjonen av molekylet.

3.3 Elastisk-dipol polarisering

Mange dielektrika inneholder molekyler som har sitt eget elektriske moment. Når retningen på dipolorienteringen endres i et eksternt elektrisk felt, oppstår elastiske gjenopprettingskrefter.

I gasser og væsker er polare molekyler feilorientert på grunn av termisk bevegelse, slik at den resulterende polarisasjonen er null. Under påvirkning av et eksternt felt etableres en viss preferanseorientering av dipolene i feltets retning.

I et eksternt elektrisk felt er det et elastisk avvik av dipolmomentene fra likevektsorienteringen, som vist i figur 5.

Figur 5 – Elastisk rotasjon av en dipol i et eksternt felt

Når dipolene er koblet stivt nok, oppstår elastiske endringer i deres retning når et eksternt elektrisk felt påføres.

Polariserbarhet avhenger av det elektriske momentet til hvert molekyl, energien til intermolekylære bindinger og retningen til det elektriske feltet. Når de interne og eksterne feltene er parallelle, er polariserbarheten null. Derfor kan bidraget fra elastisk dipolpolarisering forårsake anisotropi av den dielektriske konstanten.

3.4 Ione-relaksasjonspolarisering

Det er observert i uorganiske glass og i noen ioniske stoffer med løs pakking av ioner. I disse tilfellene mottar svakt bundne ioner av et stoff under påvirkning av et eksternt elektrisk felt overflødige overføringer i retning av feltet, som vist i figur 6.

Med økende temperatur øker polarisasjonen betydelig.

Figur 6 – Avhengighet av potensiell ionenergi av avstand i et eksternt elektrisk felt

I fravær av et eksternt elektrisk felt er alle retninger for ioneoverføring gjennom potensialbarrieren like sannsynlige. Derfor er fordelingen av ioner jevn.

Test >> Biologi

Bestemmes av prosessene for både elektrisk ledningsevne og polarisering. Dielektrikk i et elektrisk felt La oss installere et meterlangt tre... hva skjer i et elektrisk felt polarisering dielektrisk, dvs. forskyvning i motsatte retninger av motsatte navn...

Elektrostatisk feltpotensial. Dielektrikk i et elektrostatisk felt

Forelesning >> Fysikk

Overflater. Dipol i et elektrisk felt. Polarisering dielektrikum. Feltstyrke i dielektrisk. Elektrisk skjevhet. Arbeid ved... null, på overflaten dielektrisk tilhørende elektriske ladninger vises. Polarisering dielektrisk betyr at...

Bestemmelse av elektrisk styrke av gass dielektrikum

Laboratoriearbeid >> Industri, produksjon

Elektriske isolasjonsmaterialer. Hva kaller de polarisering dielektrisk. Hvilke typer polarisering kan betraktes som øyeblikkelig, men hvilke...

Beregning av det elektriske feltet i dielektrisk

Forelesning >> Fysikk

Siden feltet er svekket pga polarisering dielektrisk. 3. Betingelser for E og D ved grensen til to... som er det totale dipolmomentet dielektrisk lik null. Polarisering ferroelektrisk i ekstern elektrisk...

Referert til en enhetsvolum av dielektrikum. Noen ganger kalles polarisasjonsvektoren kort bare polarisering.

• Polarisasjonsvektoren er anvendelig for å beskrive den makroskopiske polarisasjonstilstanden, ikke bare for vanlige dielektrika, men også for ferroelektriske stoffer, og i prinsippet alle medier med lignende egenskaper. Det er anvendelig ikke bare for å beskrive indusert polarisering, men også spontan polarisering (i ferroelektrikk).

Polarisering er en tilstand av et dielektrikum, som er preget av tilstedeværelsen av et elektrisk dipolmoment i et hvilket som helst (eller nesten hvilket som helst) element i volumet.

Det skilles mellom polarisering indusert i et dielektrikum under påvirkning av et eksternt elektrisk felt og spontan (spontan) polarisering, som oppstår i ferroelektrikk i fravær av et eksternt felt. I noen tilfeller oppstår polarisering av et dielektrikum (ferroelektrisk) under påvirkning av mekanisk stress, friksjonskrefter eller på grunn av temperaturendringer.

Polarisering endrer ikke nettoladningen i noe makroskopisk volum i et homogent dielektrikum. Imidlertid er det ledsaget av utseendet på overflaten av bundne elektriske ladninger med en viss overflatetetthet σ. Disse bundne ladningene skaper i dielektrikumet et ekstra makroskopisk felt med intensitet E 1, rettet mot det ytre feltet med intensitet E 0. Den resulterende feltstyrken E inne i dielektrikumet er E = E 0 - E 1 .

Typer polarisering

Avhengig av polarisasjonsmekanismen kan polarisasjonen av dielektrikum deles inn i følgende typer:

• Elektronisk - forskyvning av elektronskall av atomer under påvirkning av et eksternt elektrisk felt. Den raskeste polarisasjonen (opptil 10−15 s). Ikke forbundet med tap.
• Ionisk - nodeforskyvning krystallstruktur under påvirkning av et eksternt elektrisk felt, og forskyvningen er mindre enn gitterkonstanten. Strømningstid 10−13 s, uten tap.
• Dipol (Orientering) - oppstår med tap for å overvinne kommunikasjonskrefter og indre friksjon. Assosiert med orienteringen av dipoler i et eksternt elektrisk felt.
• Elektronrelaksasjon - orientering av defekte elektroner i et eksternt elektrisk felt.
• Ioneavslapning - forskyvning av ioner som er svakt festet i nodene til krystallstrukturen, eller plassert i mellomrommet.
• Strukturell - orientering av urenheter og inhomogene makroskopiske inneslutninger i dielektrikumet. Den tregeste typen.
• Spontan (spontan) - på grunn av denne typen polarisering, i dielektrikum der den observeres, viser polarisasjonen betydelig ikke-lineære egenskaper selv ved lave verdier av det ytre feltet, fenomenet hysterese observeres. Slike dielektriske (ferroelektriske) er preget av svært høye dielektriske konstanter (fra 900 til 7500 for noen typer kondensatorkeramikk). Innføringen av spontan polarisering øker som regel tapstangensen til materialet (opptil 10 −2)
• Resonant - orienteringen til partikler hvis naturlige frekvenser faller sammen med frekvensene til det eksterne elektriske feltet.
• Migrasjonspolarisering er forårsaket av tilstedeværelsen i materialet av lag med forskjellig ledningsevne, dannelsen av romladninger, spesielt ved høyspenningsgradienter, har store tap og er en saktevirkende polarisering.

Polarisering av dielektrikum (bortsett fra resonanspolarisering) er maksimal i statiske elektriske felt. I vekslende felt, på grunn av tilstedeværelsen av treghet av elektroner, ioner og elektriske dipoler, avhenger den elektriske polarisasjonsvektoren av frekvensen. I denne forbindelse introduseres begrepet dielektrisk konstant dispersjon.

Polarisasjonsvektorens avhengighet av det ytre feltet

I et konstant felt

I svake felt

I et konstant eller ganske sakte varierende eksternt elektrisk felt med en tilstrekkelig lav styrke på dette feltet, vil polarisasjonsvektoren P, som regel (med unntak av ferroelektrikk), avhenger lineært av feltstyrkevektoren E:

(i SGS-systemet), (i SI-systemet; ytterligere formler i dette avsnittet er gitt bare i SGS, SI-formler fortsetter å avvike bare i den elektriske konstanten)

hvor er en koeffisient avhengig av kjemisk oppbygning, konsentrasjon, struktur (inkludert fra aggregeringstilstand) miljø, temperatur, mekanisk stress, etc. (fra noen faktorer sterkere, fra andre svakere, selvfølgelig, avhengig av endringsområdet for hver), og kalt (elektrisk) polariserbarhet (og oftere, i det minste for det tilfellet) , når det uttrykkes ved en skalar - dielektrisk susceptibilitet) til et gitt medium. For et homogent medium med fast sammensetning og struktur under faste forhold, kan det betraktes som en konstant. Men i forbindelse med alt som er sagt ovenfor, avhenger det generelt sett av et punkt i rom, tid (eksplisitt eller gjennom andre parametere), etc.

For isotrope væsker, isotropiske faste stoffer eller krystaller er høy symmetri tilstrekkelig - bare et tall (skalar). I et mer generelt tilfelle (for krystaller med lav symmetri, under påvirkning av mekaniske påkjenninger, etc.) - en tensor (en symmetrisk tensor av andre rang, vanligvis ikke-degenerert), kalt polariserbarhet tensor. I dette tilfellet kan du skrive om formelen slik (i komponenter):

hvor mengdene med symboler tilsvarer vektor- og tensorkomponentene som tilsvarer de tre romlige koordinatene.

Det kan bemerkes at polariserbarhet er en av de mest praktiske fysiske størrelsene for ganske enkelt å illustrere den fysiske betydningen av tensorer og deres anvendelse i fysikk.

Som for enhver symmetrisk ikke-degenerert tensor av andre rang, for polariserbarhetstensoren kan du velge (hvis mediet er inhomogent - det vil si at tensoren avhenger av et punkt i rommet - så i det minste lokalt, hvis mediet er homogent, deretter globalt) den såkalte. eget grunnlag - rektangulære kartesiske koordinater, der matrisen blir diagonal, og deretter - bare i disse koordinatene (!) - er notasjonen litt forenklet:

hvor er tre egenverdier til polariserbarhetstensoren.

Hvis alle disse tre egenverdiene er lik hverandre, er multiplikasjon med en tensor ekvivalent med multiplikasjon med et tall, og mediet er isotropisk (med hensyn til polariserbarhet). (Dette gjør det klart hvorfor en krystall med høy symmetri ikke kan produsere anisotropi: bare tre identiske egenverdier kan tilfredsstille symmetrikravene).

I sterke felt

I tilstrekkelig sterke felt er alt beskrevet ovenfor komplisert av det faktum at når den elektriske feltstyrken øker, tapes lineariteten til avhengigheten før eller senere. P fra E.

Naturen til den fremvoksende ikke-lineariteten og den karakteristiske feltstyrken som ikke-lineariteten blir merkbar med, avhenger selvfølgelig også av de individuelle egenskapene til mediet, forhold osv.

Vi kan fremheve deres sammenheng med de som er beskrevet ovenfor.

Således, for elektronisk og ionepolarisering i felt som nærmer seg verdier i størrelsesorden forholdet mellom ioniseringspotensialet og den karakteristiske størrelsen til molekylet U 0 /D, er det karakteristisk at veksten av polarisasjonsvektoren først akselererer med økende felt (øker skråningen til grafen P(E)), og deretter jevnt over til dielektrisk sammenbrudd.

Dipol (Orientering) polarisering ved vanligvis litt lavere ytre feltstyrker er i størrelsesorden kT/p(Hvor s- dipolmomentet til molekylet, T- temperatur, k- Boltzmann konstant) - det vil si når energien til interaksjonen til en dipol (molekyl) med feltet blir sammenlignbar med den gjennomsnittlige energien til termisk bevegelse (rotasjon) til dipolen - tvert imot begynner den å nå metning (med en ytterligere økning i feltstyrke, før eller senere det elektroniske eller ionepolarisasjonsscenarioet beskrevet høyere, og ender i et sammenbrudd).

I et tidsavhengig felt

Avhengigheten av polarisasjonsvektoren av et eksternt felt som raskt varierer i tid er ganske kompleks. Det avhenger av den spesifikke typen endring i det ytre feltet med tiden, hastigheten på denne endringen (eller for eksempel oscillasjonsfrekvensen) til det ytre feltet, den rådende polarisasjonen i et gitt stoff eller medium (som også viser seg å være forskjellig for ulike avhengigheter av det eksterne feltet på tid, frekvenser, etc. .).

Med en tilstrekkelig langsom endring i det ytre feltet, skjer polarisasjonen generelt som i et konstant felt eller svært nær det (men hvor sakte feltendringen må være for at dette skal skje avhenger, og ofte ekstremt sterkt, av den rådende typen polarisering og andre forhold, for eksempel temperatur).

En av de vanligste tilnærmingene til å studere avhengigheten av polarisasjon av naturen til et tidsvarierende felt er studiet (teoretisk og eksperimentelt) av tilfellet med en sinusformet tidsavhengighet av det ytre feltet og avhengigheten av polarisasjonsvektoren (også endres i dette tilfellet i henhold til en sinusformet lov med samme frekvens), dens amplitude og faseskift fra frekvens.

Hver polarisasjonsmekanisme tilsvarer generelt et eller annet frekvensområde og den generelle karakteren av avhengigheten av frekvens.

Frekvensområdet der det er fornuftig å snakke om polariseringen av dielektrikum som sådan, strekker seg fra null et sted til det ultrafiolette området, der ionisering under påvirkning av feltet blir intens.

Ethvert stoff, uavhengig av dets aggregeringstilstand og detaljene i dets atom-molekylære struktur, for eksempel en atomær, molekylær eller ionisk krystall, etc., består til syvende og sist av positivt ladede kjerner og negativt ladede elektroner.

Derfor er det bare én polarisasjonsmekanisme - dette er forskyvningen av positive ladninger langs polarisasjonsfeltet og negative ladninger mot polarisasjonsfeltet (fig. 3.14). Her er det på sin plass å understreke at stoffet ikke polariseres av et eksternt felt (se for eksempel (3.2) ovenfor), men av det totale feltet som skapes både av ytre ladninger (som ikke tilhører dielektrikumet) og av det polariserte stoffet. seg selv. I fremtiden vil vi ikke vektlegge dette spesifikt.

Ris. 3.14. Forskyvning av positive ladninger langs polarisasjonsfeltet
og negative ladninger mot polarisasjonsfeltet

Når du studerer polarisasjonsegenskapene til spesifikke stoffer, er det rimelig og nyttig å fremheve hovedtrekkene til en enkelt mekanisme for bevegelse av ladninger under påvirkning av et polariserende felt, som bestemmer resultatet: graden og arten av polarisasjonen av substans. Dette fører til vurdering av en rekke "spesielle" polarisasjonsmekanismer, for eksempel:

og mange andre.

Noen få ord om den ovennevnte ioniske polarisasjonen, som forekommer i krystaller som natriumklorid NaCl. Under påvirkning av feltet forskyves positivt ladede natriumioner Na + og negativt ladede klorioner Cl – i forskjellige retninger fra deres likevektsposisjoner, på grunn av hvilket hver elementær celle i krystallen får et elektrisk dipolmoment. Dette eksemplet er nyttig i følgende forstand: uansett hvor komplekst et dielektrikum er - i dette tilfellet en ionisk krystall - skyldes polarisasjonen forskyvningen av positive og negative ladninger i motsatte retninger. Spørsmålet er hvilke spesifikke ladningsbærere som er i stand til slik bevegelse: frie elektroner i et metall, elektroner i elektronskallet til nøytrale atomer eller molekyler i en gass eller væske som er sterkt bundet til kjernene, ioner i nodene til et krystallgitter, og så videre. Dette bestemmes av hvordan dielektrikumet er bygget opp.

Prosessene som skjer i et dielektrikum under polariseringen kan forstås basert på konseptet om et dielektrikum som et medium bestående av parvis koblede motstående ladninger. I motsetning til ledere har dielektrikum ikke gratis ladninger som under påvirkning av et eksternt felt kan bevege seg gjennom hele prøvevolumet. Ladningene som utgjør molekylene til et dielektrikum er tett bundet til hverandre og er i stand til å bevege seg bare innenfor deres molekyl (eller atom), det vil si i en avstand av størrelsesorden cm.

I nesten alle tilfeller der dielektrikumet består av elektrisk nøytrale partikler (atomer og molekyler), uavhengig av dens aggregeringstilstand, er det mulig å redusere alle "submekanismer" av polarisering til to typer. For å gjøre dette er det vanlig å dele alle atomer og molekyler og dielektrikumene som består av dem i to klasser:

Ris. 3.15. Polarisering av et ikke-polart dielektrikum

Ris. 3.16. Orienteringsmekanisme for polarisering av et polart dielektrikum

Her er vektoren til dipolmomentet til ett molekyl, summeringen utføres over alle molekyler som befinner seg inne i et fysisk uendelig lite volum. Tenk for eksempel på en jevnt polarisert kule (fig. 3.17).

Ris. 3.17. Polarisering og elektrisk felt til en jevnt polarisert ball

Når et upolart dielektrikum er polarisert, deformeres elektronskallet til et atom eller molekyl - elektroner forskyves mot det polariserende feltet, kjerner forskyves langs feltet. En viss avstand vises mellom de tidligere (i fravær av et polariserende felt) sammenfallende sentre for positive og negative ladninger. Som et resultat får atomet eller molekylet noe indusert dipolmoment.

Det er mer eller mindre åpenbart at det induserte dipolmomentet vil være proporsjonalt med størrelsen på det eksterne elektriske feltet. Dette kan forstås ved å vurdere oppførselen til potensiell energi P( x) interaksjon av to partikler, hvor X- avstanden mellom dem. La likevektstilstanden tilsvare avstanden (partiklene er på ett punkt og det er ikke noe dipolmoment). For små avvik fra likevektsposisjonen kan utvidelsen av potensiell energi i Taylor-serien begrenses til de første leddene

Tatt i betraktning at den første deriverte ved likevektspunktet er null og at den andre deriverte på dette punktet er positiv , finner vi at nær punktet for stabil likevekt oppfører den potensielle energien seg som

Følgelig, når man avviker fra denne posisjonen, oppstår det en kraft

,

lik den elastiske kraften når en fjær strekkes. Hvis ladningene i molekylet er "koblet sammen" med en slik "fjær", så når et felt påføres E den nye likevektsavstanden mellom partiklene vil bli bestemt av relasjonen

Som et resultat finner vi verdien av dipolmomentet generert under påvirkning av feltet

Multiplisere det induserte dipolmomentet med konsentrasjonen av polariserte molekyler N/V (N- deres fullt antall i volum V), får vi polariseringen av dielektrikumet

Hvis vi skriver polarisering (3.16) i skjemaet

hvor konstanten (for et gitt stoff) per definisjon er dielektrisk følsomhet stoffer, deretter for , deretter innenfor rammen av denne modellen, kan den dielektriske følsomheten beregnes ved å bruke følgende formel

I molekyler som kalles polare, er sentrene for positive og negative ladninger forskjøvet i forhold til hverandre, så et slikt molekyl har sitt eget dipolmoment. Når et slikt molekyl plasseres i et elektrisk felt, deformeres elektronskallet, avstanden mellom ladningssentrene øker, og et visst indusert dipolmoment legges til det opprinnelige iboende dipolmomentet. Imidlertid kan det vises at dette ekstra induserte dipolmomentet er mye mindre enn det iboende. Selvfølgelig er dette sant hvis det polariserende feltet er mye mindre enn feltet som eksisterer inne i molekylet. I størrelsesorden er det intramolekylære feltet lik atomenheten for elektrisk feltstyrke: V/m. I det skriftlige uttrykket for atomenheten for elektrisk feltstyrke, massen til elektronet, dets ladning og Plancks konstant. Tatt i betraktning at for eksempel "sammenbruddet" - som fører til en gnistutladning - feltstyrken for tørr luft er bare V/m, det vil si fem størrelsesordener mindre, kan det hevdes at i de aller fleste eksperimenter, indusert dipolmoment, i nærvær av sitt eget, kan neglisjere. I fremtiden, når man vurderer polarisasjonen av dipoldielektriske stoffer, vil denne effekten (induksjon av et ekstra moment) ikke bli tatt i betraktning.

Vektorene til de iboende dipolmomentene til individuelle molekyler i normal tilstand er tilfeldig orientert på grunn av termisk bevegelse. Derfor, i fravær av et eksternt elektrisk felt, er det gjennomsnittlige totale dipolmomentet for ethvert fysisk uendelig volum av dielektrikum lik null. Med andre ord er dielektrikumet ikke polarisert: dets polarisasjon er null.

Et eksternt elektrisk felt har en tendens til å orientere dipolmomentene til molekyler parallelt med vektoren, og termisk bevegelse forhindrer dette; dielektrikumet er polarisert, og dets polarisering bør avhenge av temperatur, nemlig: med økende temperatur skal det avta. Denne avhengigheten beregnes nedenfor; det vil også bli vist at når det gjelder polare dielektriske stoffer, er deres polarisering proporsjonal med styrken til polarisasjonsfeltet. Denne polariseringen kalles orientering(Fig. 3.18).

Ris. 3.18. Orienterende polarisering av dielektrikumet

I samsvar med formel (3.8), den potensielle energien til en dipol i et eksternt felt E avhenger av dipolorientering

I henhold til Boltzmanns statistiske lov (Figur 3.19), som beskriver energifordelingen til partikler i et ytre felt under forhold med termodynamisk likevekt, bestemmes antall molekyler hvis dipolmoment er orientert i en vinkel til det ytre feltet som

Her MED- normaliseringskonstant, verdien som vi finner senere, T - absolutt temperatur, Boltzmann konstant - k B = 1,38·10 –23 J/K. På grunn av det lille dipolmomentet til molekyler, for vanlige (ikke for lave) temperaturer er eksponenten liten, og vi kan utvide eksponenten i en Taylor-serie, og etterlate de to første leddene

Ris. 3.19. L. Boltzmann (1844–1906) - østerriksk fysiker

Vi understreker at bruk av tilnærmet uttrykk (3.18) og alle konklusjoner som følger av det er berettiget ved temperaturer som ikke er for lave, når . Det er ikke vanskelig å utføre en nøyaktig beregning ved å bruke (3.17) i stedet for den omtrentlige (3.18), som leseren kan gjøre uavhengig.

Integralet over den totale romvinkelen skal gi det totale antallet N molekyler i systemet. Siden gjennomsnittsverdien av cosinus er null, er kun det første leddet i (3.18) integrert. Siden verdien av den totale solidvinkelen er lik , får vi

Nå kjenner vi konstanten MED og vi kan skrive uttrykk (3.18) i formen

Det er nødvendig å bestemme verdien av projeksjonen av det totale dipolmomentet på retningen av feltet (andre projeksjoner er åpenbart lik null på grunn av problemets aksiale symmetri). Projeksjonen av dipolmomentet til ett molekyl er lik pcosa, derav det totale dipolmomentet R av alle molekyler per volumenhet er lik

Integralet over er lik , og integralet over beregnes ved å bruke en endring av variabel

Så finner vi

Fra (3.21) følger det at ved dipolorienterende polarisering av et stoff, er polarisasjonen proporsjonal med den elektriske feltstyrken. Dessuten fant vi polarisasjonens avhengighet av temperatur. Dette er Curies lov, som bekreftes eksperimentelt (fig. 3.20).

Ris. 3.20. Avhengighet av polarisasjonen til et polart dielektrikum på temperatur (nøyaktig løsning)

For å oppsummere denne delen, vil vi kort gjenta hovedkonklusjonene. Et eksternt elektrisk felt skaper enten dipolmomenter orientert langs feltet eller orienterer dipolmomenter til individuelle molekyler, og dielektrikumet får et spesifikt makroskopisk dipolmoment. Vektoren kalles polarisasjonen av dielektrikumet. Det er proporsjonalt med styrken til det eksterne elektriske feltet, og dette forholdet kan representeres som

så måles polarisasjonsvektoren i SI i C/m 2. Dens dimensjon sammenfaller med dimensjonen til overflateladningstettheten. Dette antyder at polarisasjonsvektoren er relatert til tettheten av polarisasjonsladninger som oppstår på overflaten og i volumet til et dielektrikum plassert i et eksternt felt (fig. 3.21).

Ris. 3.21. Polarisasjonsvektor og polarisasjonsladningstetthet

Proporsjonalitet mellom polarisering R og spenning E eksternt elektrostatisk felt forklares ved elektronisk og ionepolarisering ved at med økende E dipolmomentene til individuelle atomer øker s Jeg. Med dipolpolarisering øker graden av vektororientering proporsjonalt med økningen i styrken til det eksterne elektrostatiske feltet s Jeg. Ovenfor fant vi generelle formler for dielektrisk følsomhet for forskjellige typer polarisering. Det bør understrekes at de er gyldige for gasser: vi tok ikke hensyn til påvirkningen av molekyler på hverandre, noe som er akseptabelt for systemer der partiklene ikke er for tettpakket. Men den generelle konklusjonen forblir gyldig for kondensert materiale (væsker og faste stoffer): under påvirkning av et eksternt elektrisk felt får et enhetsvolum av et dielektrikum et dipolmoment R ; i de enkleste tilfellene er det en lineær sammenheng

Alle de tre betraktede mekanismene bidrar til den totale dielektriske følsomheten til et dielektrikum:

Det skjer vanligvis sjelden at alle fraksjoner av den dielektriske susceptibiliteten er like store. For eksempel, i ioniske krystaller er dipoldelen helt fraværende. Eksperimentelt kan bidraget til hver fraksjon bli funnet ved å måle de dielektriske konstantene ved forskjellige frekvenser av den elektromagnetiske bølgen. Ved lave frekvenser (det statiske feltet som vi nå er opptatt av), bidrar alle tre deler av den dielektriske susceptibiliteten (fig. 3.22).

Ris. 3.22. Avhengighet av den totale dielektriske følsomheten til et dielektrikum
på frekvensen til den elektromagnetiske bølgen. Frekvensområder angitt:
I - radio- og mikrobølgeregion, II - infrarød region, III - ultrafiolett region

Når frekvensen øker, vil bidraget fra dipoldelen være det første som forsvinner: molekylene vil ikke ha tid til å snu seg etter det raskt skiftende elektriske feltet til bølgen. Overgangen til en ny modus utføres vanligvis ved radiofrekvenser. Med en ytterligere økning i frekvens vil bidraget fra den ioniske delen forsvinne: ioner er mer treghetsbelagte enn elektroner. I det optiske frekvensområdet dominerer den elektroniske brøkdelen av polarisasjonen. Når du beveger deg til enda høyere frekvenser - utover det ultrafiolette området - vil ikke selv elektronskyer ha tid til å følge endringer i det elektriske feltet og polariserbarheten til dielektrikumet vil forsvinne.

La oss gi et eksempel: NaCl bordsalt har en dielektrisk konstant i et statisk felt på 5,62, og i feltet til en elektromagnetisk bølge i det optiske området - bare 2,25. Det er ingen dipolpolariserbarhet i slike krystaller, og forskjellen bør tilskrives ionisk polariserbarhet.

Tilleggsinformasjon

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/index.html - elektromagnetiske bølger, elektromagnetisk bølgeskala;

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/radio.html - radiobølger;

http://www.nrao.edu/index.php/learn/radioastronomy/radiowaves - radiobølger, kilder til radiobølger.

EGENSKAPER TIL DIELEKTRIKA

DELEKTRIKK.

Dielektriske stoffer er stoffer som har lav elektrisk ledningsevne, pga de har svært få gratis ladede partikler - elektroner og ioner. Disse partiklene vises i dielektrikum bare når de varmes opp til høye temperaturer. Det er gassformige (gasser, luft), flytende (oljer, flytende organiske stoffer) og faste (parafin, polyetylen, glimmer, keramikk, etc.) dielektriske stoffer.

Når en elektrisk spenning påføres et dielektrikum, som representerer et komplekst elektrisk system, oppstår forskjellige elektriske prosesser relatert til polariseringen og dens elektriske ledningsevne. Hvis spenningen er veldig høy, kan det oppstå dielektrisk svikt, kalt sammenbrudd.

En av de viktigste egenskapene dielektrikum er deres evne til å polarisere under påvirkning av et eksternt elektrisk felt. I følge moderne konsepter kommer fenomenet polarisering ned til en endring i posisjonen i rommet til dielektriske partikler som har en elektrisk ladning av et eller annet tegn, som et resultat av at hvert makroskopisk volum av dielektrikumet får et visst indusert elektrisk moment, som dette volumet av dielektrikumet ikke hadde før eksponering for et eksternt elektrisk felt.

Polarisering er ledsaget av utseendet på overflaten av dielektrikum av bundne elektriske ladninger, som reduserer feltstyrken inne i stoffet.

En kvantitativ karakteristikk ved polarisering er polariseringen av dielektrikumet P.

Evnen til ulike materialer til å polarisere i et elektrisk felt er preget av den relative dielektriske konstanten ε.

I fravær av et eksternt elektrisk felt har ikke hvert element i det dielektriske volumet et elektrisk moment, siden den algebraiske summen av ladningene til alle dielektriske molekyler i et gitt volum er null og tyngdepunktene til positive og negative ladninger faller sammen i verdensrommet. Det antas at dette volumelementet er veldig stort sammenlignet med størrelsen på molekylet, slik at det inneholder et veldig stort antall molekyler. Under påvirkning av et eksternt elektrisk felt skjer en viss ordning i arrangementet av dielektriske molekyler i rommet, som skjematisk vist i fig.

Arrangement av ladninger i et fullt polarisert dielektrikum av en parallellplatekondensator

Det er nødvendig å merke seg to grupper av polarisering:

- elastisk polarisering, som oppstår nesten øyeblikkelig under påvirkning av et elektrisk felt, ikke ledsaget av spredning (tap) av energi i et dielektrikum (varmefrigjøring);

- avspenningspolarisering, økende og avtagende over en viss tidsperiode og ledsaget av energispredning i et dielektrikum, dvs. ved å varme den opp

1) Elektronisk polarisering

Når en spenning påføres, dannes et elektrisk felt i dielektrikumet, og elektronene i atomene forskyves i forhold til kjernen mot den positive elektroden.

Forskjøvne elektroner med positive ladninger av atomkjerner danner par av elektriske ladninger koblet til hverandre, som kalles elastiske dipoler. Dannelsen deres skjer umiddelbart (10 -15 s). De forsvinner hvis spenningen fjernes fra dielektrikumet. Denne prosessen med dannelse av elastiske dipoler kalles elektronisk polarisering.

Verdien av e avhenger av konsentrasjonen av atomer (molekyler) i dielektrikumet og deres struktur, som bestemmer polariserbarheten α e til atomet (molekylet), og beskrives med uttrykket:

e = 1 + nα e,

hvor ε er den dielektriske konstanten; n– konsentrasjon av partikler (atomer, molekyler) i dielektrikumet; α e – elektronisk polariserbarhet, bestemt av strukturen til molekylet eller atomet.

Hvis dielektrikumet er krystall, er dets ε større enn det for et amorft dielektrikum, fordi Pakningstettheten til atomer og molekyler er større i krystallinsk tilstand.

Dielektrisitetskonstanten til et stoff med rent elektronisk polarisering er numerisk lik kvadratet på lysets brytningsindeks n.

ε = n 2 .

Selv om deformasjonen av elektronbaner ikke er avhengig av temperatur, avtar elektronisk polarisering, og følgelig dielektrisk konstant ε med økende temperatur på dielektrikumet, fordi volumet øker og antall partikler per volumenhet reduseres.

2) Ionisk polarisering(eller polarisering av ioneforskyvning).

Polarisering er forårsaket av forskyvning av elastisk bundne ioner. Karakteristisk for faste stoffer med ionisk struktur, dvs. for krystallinske dielektriske stoffer. Hver ionisk krystall består av positive og negative ioner lokalisert ved nodene til krystallgitteret. Når spenning påføres, begynner elektriske krefter å virke i den, og ionene forskyves: positive i én retning, negative i motsatt retning. Hvert par ioner danner en elastisk dipol. Tiden for å etablere ionepolarisering er 10 -13 s. Sammen med prosessen med polarisasjonsforskyvning oppstår elektronisk polarisering. Intensiteten til disse prosessene i krystallinsk dielektrikum er høy, derfor ε = 7 ÷ 12 og høyere.

Elektroniske og ionepolarisasjoner hører til elastisk polarisering. Resten, diskutert nedenfor, er forskjellige manifestasjoner av avspenningspolarisering.

Under påvirkning av feltet er radikaler (grupper av atomer) også orientert - dette er dipol– radikal polarisering.

Når temperaturen øker, synker mediets viskositet, og dipolpolarisasjonen øker så lenge viskositeten er høy. Men den kaotiske naturen til termisk bevegelse øker gradvis og blir dominerende over orienteringen til dipolene, dvs. Dipolorienteringen begynner å avta med økende temperatur.

Denne polarisasjonen er karakteristisk for gasser og væsker, så vel som polare faste stoffer. organisk materiale som inneholder radikaler. Fullført på 10 -2 s. Etter at feltet er fjernet, svekkes orienteringen (avspenning oppstår).

4) Elektronisk – avspenningspolarisering.

Polarisering oppstår på grunn av overflødige "defekte" elektroner eller hull eksitert av termisk energi. Karakteristisk for dielektriske stoffer med høy brytningsindeks og elektronisk ledningsevne, samt halvledere.

5) Elastisk-dipol polarisering

Polarisering observeres i dipolmolekylene til noen krystaller, som er fiksert og roterer bare i begrenset grad gjennom en liten vinkel.

6) Mellomlag polarisering

Polarisering er forårsaket av ledende og halvledende inneslutninger og tilstedeværelsen av lag med forskjellige konduktiviteter. Polarisering viser seg i faste stoffer heterogen struktur (laminert plast) i lavfrekvensområdet, og er forbundet med betydelige tap av elektrisk energi.

7) Spontan (spontan) polarisering

Polarisering er karakteristisk for ferroelektriske stoffer, stoffer som er delt inn i regioner ( domener), som har et spontant dipolmoment i fravær av et eksternt felt. Den gjensidige orienteringen av dipolmomentene til domenene i fravær av et felt er slik at det totale dipolmomentet til stoffet er null. Superposisjonen av feltet orienterer dipolmomentene til domenene, noe som forårsaker veldig sterk polarisering.

DELEKTRISKE MATERIALER.

Klassifisering og generelle egenskaper dielektrikum. Temperaturavhengigheter.

DELEKTRISKE MATERIALER.

Stoffer som kan polariseres i et elektrisk felt. De har et indre elektrisk felt og en jevn fordeling av potensialer.

Ladebærere i dielektrikk:

1. I gasser

1) Positive og negative ioner. Årsak: ionisering av gassmolekyler.

2) Elektroner i sterke felt.

2. I væsker

1) Ioner. Årsak: dissosiasjon av flytende molekyler.

2) Kolloidalt ladede partikler i emulsjoner og suspensjoner.

3. I faste stoffer

2) Krystallgitterdefekter.

3) Elektroner eller ledningshull.

Det er polare og ikke-polare.

Figur 50.

Grunnleggende elektriske egenskaper til dielektrikum:

1. Polarisering

2. Elektrisk ledningsevne

3. Dielektriske tap

4. Elektrisk styrke

Ved beregning med likestrøm tas det kun hensyn til gjennomstrøm.

Polarisering av dielektrikum. Typer polarisering.

Polarisering er prosessen med forskyvning og rekkefølge av ladninger i et dielektrikum under påvirkning av et eksternt elektrisk felt. Det numeriske målet for polarisering er polariseringen av dielektrikumet - mengden elektrisk moment per volumenhet av dielektrikumet:

	(1.2)
	(1.2)

Hvor dp- elektrisk moment til det dielektriske elementet;

dV – volum av det dielektriske elementet

Ekstern elektrisk feltstyrke, V/m,

- dielektrisk konstant,

Relativ dielektrisk konstant.

Polarisering bestemmer egenskapen til dielektrikum for å danne elektrisk kapasitans. Samtidig forårsaker polariseringen av dielektrikum, som oppstår med forbruk av energi og frigjøring av varme, tap av elektrisk energi i isolasjonsmaterialer, spesielt ved høye frekvenser, når polarisasjonsprosessene til dielektrikumet gjentas for et større antall sykluser per tidsenhet. Derfor er polarisering beskrevet av de dielektriske parameterne og .

Det finnes flere typer polarisering.

2.2.1. Elastisk polarisering oppstår i et dielektrikum uten å frigjøre energi eller spre varme. Det er elektroniske og ioniske elastiske polarisasjoner

Elektronisk polarisering er en elastisk forskyvning og deformasjon av de elektroniske skallene til atomer, som fører til separasjon av de geometriske sentrene for positive og negative ladninger i atomet. For å etablere, kreves en minimumstid - 10 -15 s, dvs. dannes nesten umiddelbart. Polariserbarhet under elektronisk polarisering er ikke avhengig av temperatur, og dielektrisitetskonstanten avtar jevnt med økende temperatur på grunn av dielektrikumets termiske ekspansjon og en nedgang i antall atomer per volumenhet (fig. 2.2). Elektronisk polarisering observeres i alle dielektrika, uavhengig av deres kjemiske sammensetning og indre struktur.

Ionisk polarisering - den elastiske forskyvningen av ioner - noder av krystallgitteret, er karakteristisk for materialer med en ionisk struktur. Med økende temperatur forsterkes den på grunn av svekkelse av interioniske krefter. Tiden for å etablere polarisering er 10 -13 s - lengre enn for elektronisk polarisering, siden ionene er mer massive.

Siden prosessene med elektronisk og ionepolarisering skjer nesten umiddelbart, er verdien av den dielektriske konstanten til materialer med elastisk polarisering konstant og avhenger ikke av frekvensen.

2.2.2. Avslappende (uelastisk) polarisering – langsomme typer polarisering. For å implementere dem er det nødvendig å bruke en viss energi, som deretter frigjøres i form av varme når dielektrikumet går tilbake til sin opprinnelige tilstand. Det er dipol-relaksasjon, ione-relaksasjon, elektron-relaksasjon, resonans og migrasjonstyper av polarisering.

Dipol-relaksasjonspolarisering er karakteristisk for stoffer med en dipolstruktur og er forårsaket av reorientering av dipolmolekyler i et eksternt elektrisk felt påført dielektrisket. Avhengig av massen, pakningstettheten og dimensjonene til dipolene, er tiden for å etablere polarisering 10 -10 ..10 -2 s. Etter å ha fjernet feltet som forårsaket polarisasjonen, går de tilbake til sin opprinnelige kaotiske tilstand under påvirkning av termisk bevegelse av partikler, mens polarisasjonen av materialet avtar i henhold til loven

(1.2)

hvor er polarisasjonen til dielektrikumet i det øyeblikket det eksterne feltet fjernes, C/m2,

Avspenningstid (tid hvor antall ordnede dipoler reduseres med en faktor e), s.

Avhengigheten av dipolpolarisering av temperatur er vist i fig. 2.3. Nedgangen i grafen i lavtemperaturområdet skyldes den tette pakkingen av ioner og vanskeligheten med å reorientere dem, og i høytemperaturområdet - på grunn av det lille antallet dipoler per volumenhet av dielektrikumet.

Ris. 2.3. Avhengighet av dipol-relaksasjonspolarisering på temperatur

Dipol-relaksasjonspolarisering observeres i alle polare stoffer. I fast dielektrikum er polarisering ikke forårsaket av rotasjonen av selve molekylet, men av forskyvningen av de polare radikalene som er tilstede i det, for eksempel Na + og Cl - i bordsaltmolekylet.

Når frekvensen øker, reduseres dipolpolarisering og dielektrisk konstant, slik at polare dielektrika er frekvensavhengige og brukes ikke ved høye frekvenser.

Ione-relaksasjonspolarisering observeres i materialer med løs pakking av ioner og er forårsaket av fysisk bevegelse av ioner til ledige plasser i krystallgitteret under påvirkning av et eksternt elektrisk felt. Etter at feltet er fjernet, svekkes polarisasjonen gradvis. Observert kun for faste stoffer(Fig. 3.x), siden i smeltet tilstand blir ionene frie og materialet blir en leder med elektrolytisk ledningsevne.

Ris. 3.x. Avhengighet av ione-relaksasjonspolarisering

på temperatur

Elektronisk relaksasjonspolarisering er forårsaket av bevegelsen fra ett ion til et annet (i retning av feltet) av overflødige (defekte) elektroner og hull. Karakteristisk for stoffer med elektronisk elektrisk ledningsevne har den et sentralt maksimum i avhengigheten og avtar med økende frekvens.

Resonant polarisering. Det observeres i dielektrikum ved lysfrekvenser og er forårsaket av resonansen til de naturlige oscillasjonene (rotasjonen) av elektroner eller ioner og frekvensen til det eksterne elektromagnetiske feltet (lys). I praksis brukes den ikke og har praktisk talt ingen effekt på egenskapene til dielektrikumet i frekvensområdet som brukes av elektronikk og mikroelektronikk.

Migrasjonspolarisering - manifesterer seg i faste stoffer med inhomogen struktur med makroskopiske inhomogeniteter og tilstedeværelse av urenheter. Årsakene til polarisering er tilstedeværelsen av ledende og halvledende inneslutninger i ekte teknisk dielektrikk (papir, stoff). Under migrasjonspolarisering beveger elektroner og ioner seg innenfor ledende inneslutninger, og danner store polariserte områder. Denne polarisasjonen er assosiert med store energitap og observeres allerede ved lave frekvenser; relaksasjonstiden til slike dielektrikum er minutter og sekunder.

I ekte dielektrikum vises flere typer polarisering samtidig, slik at frekvens- og temperaturavhengighetene til polarisering, dielektrisitetskonstant og dielektrisk taptangens blir mer komplekse. Basert på typen polarisering skilles fire grupper av dielektriske stoffer:

1. Dielektrikum er hovedsakelig elektronisk polarisert. Dette er ikke-polare og svakt polare stoffer i krystallinsk og amorf tilstand (parafin, polystyren, polyetylen). De brukes som høyfrekvente dielektriske stoffer - isolatorer.

2. Dielektrikk med elektronisk og dipol-relaksasjonspolarisering. Dette er polare organiske, halvflytende og faste materialer (harpikser, cellulose). De brukes som lavfrekvente dielektriske - isolatorer og i lavfrekvente kondensatorer.

3. Fast uorganisk dielektrikum med elektronisk, ionisk og relaksasjonspolarisering (glimmer, kvarts, glass, keramikk, glasskeramikk). De brukes som dielektrikum i høyfrekvente kondensatorer og som isolatorer.

4. Ferrodielektrikk med alle typer polarisering. Brukes som aktiv (kontrollert) dielektrikum.

På grunn av polarisering endres det elektriske feltet inne i dielektrikumet. Dielektrisk konstant karakteriserer svekkelsen av det eksterne feltet av det indre:

	(1.2)

hvor er det eksterne elektriske feltet, V/m,

Internt elektrisk felt, V/m,

Elektrisk forskyvning, C/m2,

Overflatetetthet tilhørende ladninger på kondensatorplatene i nærvær av et dielektrikum, C/m 2,

Ytterligere overflateladningstetthet som oppstår på grunn av polarisering av dielektrikumet, C/m 2

Overflateladningstetthet på platene til en luftkondensator, C/m2

For å oppnå de nødvendige egenskapene, for eksempel en minimumstemperaturkoeffisient for kapasitans TKE, kan et komplekst dielektrikum som består av en blanding av enkle materialer med forskjellige dielektriske konstanter brukes i elektriske kondensatorer. Hvis et slikt dielektrikum brukes, beregnes dens effektive dielektriske konstant ved å bruke Lichtenecker-formelen: for kaotisk fordeling av komponenter:

,

Hvor q 1 Og q 2– volumetriske konsentrasjoner (fraksjoner) av komponenter.

POLARISERING AV DIELEKTRIKA.

Prosessen med forskyvning og bestilling av ladningsbærere under påvirkning av et elektrisk felt

Materietilstand der dets elementære volum får et elektrisk moment

Årsaker: eksternt elektrisk felt, mekanisk stress, belysning og andre miljøfaktorer, spontan polarisering.

Figur 51.

Polarisering er årsaken til utseendet til elektrisk kapasitans.

Dielektrikk:

1) lineær – isolasjon, konstant kapasitet kondensatorer

2) ikke-lineær – sensorer, kontrollerte spenningskondensatorer

Figur 52.

Polare består av polare molekyler (vann). Ikke-polar - fra ikke-polar, der det elektriske momentet = 0 (gasser, bordsalt).

Typer polarisering:

1. Rask polarisering (elastisk) - skjer uten energispredning.

1) Elektronisk polarisering - forskyvning av elektronskyen i forhold til sentrum av atomkjernen. Tidspunktet for forekomst og eliminering er 10^-14...10^-15 s. Polariserbarhet avhenger ikke av temperatur, men dielektrisk konstant gjør det. Figur 53.

2) Resonant polarisering - oppstår når frekvensene for elektronrotasjon faller sammen med en endring i magnetfeltet.

3) Ionisk polarisering - forskyvning av positive og negative ioner i forhold til hverandre. Settingstid – 10^-11 s. Eksempel: bordsalt. Når temperaturen øker, øker parametrene.

2. Avslapping

Opprettelsen krever energi frigjort i form av varme og dielektriske tap på vekselstrøm.

Varianter:

1) Dipolrelaksasjonspolarisering - rotasjon og orientering av dipolmolekyler i feltets retning.

Figur 54.

Settingstid: 10^-2…10^-10 s.

Tau er en tid for avslapning.

2) Ione-relaksasjonspolarisering - bevegelsen av ioner fra ett atom til et annet i stoffer med ufullstendig pakking av elektroner. Eksempel: glass.

Figur 55.

I væske - ledere med elektrolytisk ledningsevne.

3) Elektronisk - relaksasjon - overgang av et elektron til et annet atom under polarisering.

Settetid: 10^-2…10^-5 s for romtemperatur.

4) Migrasjon – observert i inhomogene dielektrikum med ledende inneslutninger. Eksempel: papir.

Figur 56.

Lavfrekvent polarisering. Avslapningstid: minutter og timer.

5) Spontan polarisering. Fase - tilstanden til krystallgitteret, dets struktur.

I ulike stoffer er en faseendring mulig uten å endre aggregeringstilstanden. Faseendringer i dielektrikum kan føre til spontan polarisering - ferroelektrikk. Dielektrisk konstant – opptil 10^5. Type dielektrikk – ikke-lineær. Brukes i sensorer.

Dielektrisk konstant for blandingen.