Jaka jest polaryzacja dielektryków. Dielektryki i ich właściwości, polaryzacja i wytrzymałość na przebicie dielektryków

MINISTERSTWO EDUKACJI I NAUKI FEDERACJI ROSYJSKIEJ

Instytut Technologiczny Biysk

(oddział) FGBOU VPO

„Państwo Ałtaj”

Uniwersytet Techniczny

ich. I.I. Połzunow”

(WIT AltSTU)

Na temat: Polaryzacja dielektryków

Zakończony:

grupa studencka PS-11

Komarowa A.V.

W kratę:

Shalunov A.V.

WSTĘP 3

1 Pojęcie polaryzacji 3

2 Mechanizmy polaryzacji 4

3 Rodzaje polaryzacji 5

3.1 Polaryzacja elektroniczna 5

3.2 Polaryzacja jonowa 6

3.3 Polaryzacja sprężysto-dipolowa 7

3.4 Polaryzacja relaksacyjna jonów 8

3.5 Dipolowa polaryzacja relaksacyjna 9

3.6 Polaryzacja migracyjna (międzywarstwowa) 11

3.7 Polaryzacja elektronowo-relaksacyjna 11

3.8 Polaryzacja polaryzacji jądrowej 12

3.9 Polaryzacja remanentna (elektretowa) 12

3.10 Polaryzacja spontaniczna (ferroelektryczna) 13

3.11 Polaryzacja piezoelektryczna 14

4 Klasyfikacje dielektryków 15

5 Rodzaje polaryzacji w zależności od szybkości procesu 17

WNIOSEK 19

REFERENCJE 20

WPROWADZANIE

Istota zjawiska polaryzacji polega na tym, że pod wpływem czynnika zewnętrznego pole elektryczne związane ładunki dielektryka przemieszczają się w kierunku działających na nie sił, a im więcej, tym większe natężenie pola.

Dielektryki znalazły zastosowanie w urządzeniach elektrycznych dzięki zdolności do polaryzacji.

Dielektryk nazywany jest „substancją, której główną właściwością elektryczną jest zdolność do polaryzacji w polu elektrycznym” i w której możliwe jest istnienie pola elektrostatycznego, ponieważ ładunki elektryczne jej atomów, cząsteczek lub jonów są połączone

Stosowane w praktyce dielektryki zawierają również ładunki swobodne, które poruszając się w polu elektrycznym powodują przewodnictwo elektryczne DC.

1. Pojęcie polaryzacji

Polaryzacja to ograniczone przemieszczenie związanych ładunków lub orientacja cząsteczek dipolowych, które występują w dowolnym dielektryku pod wpływem pola elektrycznego.

Istnieją dwie definicje polaryzacji:

Właściwość wibracji świetlnych i elektromagnetycznych do umieszczenia w jednej określonej płaszczyźnie. Płaszczyzna polaryzacji wiązki padającej.

Osadzanie na elektrodach różnych substancji, które osłabiają siłę prądu. Polaryzacja elektrod.

W zależności od mechanizmu lub kolejności przemieszczania ładunki elektryczne Wyróżnia się następujące typy polaryzacji:

Polaryzacja elektroniczna;

polaryzacja jonowa;

Polaryzacja sprężysto-dipolowa;

Polaryzacja relaksacyjna jonów;

polaryzacja dipolowo-relaksacyjna;

polaryzacja migracyjna (międzywarstwowa);

Elektroniczna polaryzacja relaksacyjna;

polaryzacja przemieszczenia jądrowego;

polaryzacja szczątkowa (elektretowa);

Polaryzacja spontaniczna (ferroelektryczna);

Polaryzacja piezoelektryczna.

1. Mechanizmy polaryzacji

Wartość pojemności kondensatora z dielektrykiem i nagromadzony w nim ładunek elektryczny wynika z kilku mechanizmów polaryzacyjnych, które są różne dla różnych dielektryków i mogą występować jednocześnie w tym samym materiale.

Rysunek 1 pokazuje równoważny obwód dielektryka, w którym występują różne mechanizmy polaryzacji, który można przedstawić jako szereg kondensatorów połączonych równolegle ze źródłem napięcia.

W zależności od charakteru wiązania chemicznego wyróżnia się 3 główne mechanizmy polaryzacji dielektryków: elektronowy, jonowy i dipolowy (orientacyjny).

Polaryzacja elektronowa jest nieodłączna we wszystkich dielektrykach i przeważa w kryształach z wiązanie kowalencyjne. Pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego P elektrony atomu przemieszczają się względem jego jądra (deformacja jego powłoki elektronowej) i powstają indukowane dipole. Właściwości dielektryczne indukowanych dipoli należą do zjawisk rezonansowych.

Elektroniczny mechanizm polaryzacji jest najmniej bezwładny, ponieważ masa elektronu jest znacznie mniejsza niż masa cząstek biorących udział w procesie polaryzacji. Czas ustalenia polaryzacji elektronowej wynosi ≈ 10-15 s, co jest porównywalne z okresem oscylacji światła.

1. Rodzaje polaryzacji

3.1 Polaryzacja elektroniczna

Polaryzacja elektroniczna - jest przemieszczeniem orbit elektronów względem dodatnio naładowanego jądra. Występuje we wszystkich atomach dowolnej substancji, a co za tym idzie we wszystkich dielektrykach, niezależnie od obecności w nich innych rodzajów polaryzacji. Czas odnowienia to 10 -13 sek.

Polaryzacja elektronowa jest obserwowana we wszystkich rodzajach dielektryków i nie wiąże się ze stratami energii do częstotliwości rezonansowych. Wartość przenikalności substancji o polaryzacji czysto elektronicznej jest liczbowo równa kwadratowi współczynnika załamania światła. Polaryzowalność cząstek podczas polaryzacji elektronów nie zależy od temperatury, a przenikalność elektryczna maleje wraz ze wzrostem temperatury ze względu na rozszerzalność cieplną dielektryka i spadek liczby cząstek na jednostkę objętości. Krzywa temperatura w funkcji temperatury jest podobna do krzywej gęstości; Najostrzejsze redukcje obserwuje się podczas przechodzenia substancji ze stanu stałego do stanu ciekłego oraz ze stanu ciekłego do stanu gazowego, jak pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2 - Przejście substancji ze stanu stałego w ciecz i ze stanu ciekłego w gazowy

a) pod napięciem b) bez napięcia;

Rysunek 3 - Polaryzacja atomów

Rysunek 3 przedstawia graficzną reprezentację polaryzacji atomów.

Jak widać, orbity elektronów rozciągają się pod wpływem napięcia.

3.2 Polaryzacja jonowa

Polaryzacja jonowa - obserwowana w substancjach z jonowym wiązaniem chemicznym i przejawia się przemieszczeniem przeciwnie naładowanych jonów względem siebie. Jak wskazano, czas polaryzacji elektronów jest bardzo krótki, o 2±3 rzędy wielkości dłuższy niż polaryzacja elektronów.

W dielektrykach z jonowym typem wiązania chemicznego pod działaniem pola elektrycznego jony dodatnie są przemieszczane względem ujemnych. Czas ustanowienia polaryzacji jonowej wynosi zwykle 10 -14 - 10 -15 s. Oznacza to, że polaryzacja ta ma czas na pełne ustalenie się w polach przemiennych, w tym mikrofalowych (10 10 - 10 11 Hz). Jednocześnie w zakresie podczerwieni widma następuje opóźnienie w ustaleniu polaryzacji jonowej.

Stała dielektryczna wzrasta wraz ze wzrostem temperatury dla szkieł nieorganicznych o różnym składzie, dla materiału ceramicznego - porcelany elektrotechnicznej, zawierającej dużą ilość fazy szklistej.

Rysunek 4 - Polaryzacja jonowa cząsteczki

Rysunek 4 przedstawia schemat polaryzacji jonowej cząsteczki.

3.3 Polaryzacja sprężysto-dipolowa

W wielu dielektrykach znajdują się cząsteczki, które mają swój własny moment elektryczny. Przy zmianie kierunku orientacji dipoli w zewnętrznym polu elektrycznym powstają sprężyste siły przywracające.

W gazach i cieczach cząsteczki polarne są źle zorientowane z powodu ruchu termicznego, tak że wynikowa polaryzacja wynosi zero. Pod działaniem pola zewnętrznego ustala się pewną preferencyjną orientację dipoli w kierunku pola.

W zewnętrznym polu elektrycznym występuje sprężyste odchylenie momentów dipolowych od orientacji równowagowej, jak pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5 - Elastyczna rotacja dipola w polu zewnętrznym

Gdy dipole są sztywno sprzężone, po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego zachodzą zmiany sprężyste w ich kierunku.

Polaryzowalność zależy od momentu elektrycznego każdej cząsteczki, energii wiązań międzycząsteczkowych oraz kierunku pola elektrycznego. Gdy pola wewnętrzne i zewnętrzne są równoległe, polaryzowalność wynosi zero. Dlatego udział polaryzacji sprężystej dipola może determinować anizotropię przenikalności.

3.4 Polaryzacja relaksacyjna jonów

Obserwuje się go w szkłach nieorganicznych oraz w niektórych substancjach jonowych z luźnym upakowaniem jonów. W takich przypadkach słabo związane jony substancji pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego otrzymują nadmiarowe transfery w kierunku pola, jak pokazano na rysunku 6.

Wraz ze wzrostem temperatury polaryzacja znacznie wzrasta.

Rysunek 6 - Zależność energii potencjalnej jonu od odległości w zewnętrznym polu elektrycznym

W przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego wszystkie kierunki przenoszenia jonów przez barierę potencjału są jednakowo prawdopodobne. Dlatego rozkład jonów jest równomierny.

Praca testowa >> Biologia

Określony przez procesy zarówno przewodności elektrycznej, jak i polaryzacja. Dielektryki w polu elektrycznym Zainstalujmy licznik drewniany ... przez to, co dzieje się w polu elektrycznym polaryzacja dielektryk, czyli przesunięcie w przeciwnych kierunkach przeciwnych ...

Potencjał pola elektrostatycznego. Dielektryki w polu elektrostatycznym

Wykład >> Fizyka

Powierzchnie. Dipol w polu elektrycznym. Polaryzacja dielektryki. Siła pola w dielektryk. przemieszczenie elektryczne. Pracuj na ... zero, na powierzchni dielektryk pojawiają się związane ładunki elektryczne. Polaryzacja dielektryk oznacza, że...

Wyznaczanie wytrzymałości elektrycznej gazów dielektryki

Prace laboratoryjne >> Przemysł, produkcja

materiały elektroizolacyjne. Jak się nazywa polaryzacja dielektryk. Jakie typy polaryzacja można uznać za natychmiastowe, a które ...

Obliczanie pola elektrycznego w dielektryk

Wykład >> Fizyka

Gdy pole jest osłabione przez polaryzacja dielektryk. 3. Warunki dla E i D na granicy dwóch... , która ogólnie jest momentem dipolowym dielektryk równa się zero. Polaryzacja ferroelektryk w zewnętrznej instalacji elektrycznej...

Na jednostkę objętości dielektryka. Czasami wektor polaryzacji jest krótko nazywany po prostu polaryzacją.

• Wektor polaryzacji ma zastosowanie do opisu makroskopowego stanu polaryzacji nie tylko zwykłych dielektryków, ale także ferroelektryków iw zasadzie wszelkich ośrodków o podobnych właściwościach. Ma zastosowanie nie tylko do opisu polaryzacji indukowanej, ale także polaryzacji spontanicznej (dla ferroelektryków).

Polaryzacja to stan dielektryka, który charakteryzuje się obecnością elektrycznego momentu dipolowego w dowolnym (lub prawie każdym) elemencie jego objętości.

Rozróżnia się polaryzację indukowaną w dielektryku pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego i polaryzację spontaniczną (spontaniczną), która występuje w ferroelektrykach przy braku pola zewnętrznego. W niektórych przypadkach polaryzacja dielektryka (ferroelektryka) zachodzi pod wpływem naprężeń mechanicznych, sił tarcia lub zmian temperatury.

Polaryzacja nie zmienia całkowitego ładunku w żadnej makroskopowej objętości wewnątrz jednorodnego dielektryka. Towarzyszy mu jednak pojawienie się na jego powierzchni związanych ładunków elektrycznych o określonej gęstości powierzchniowej σ. Te związane ładunki tworzą w dielektryku dodatkowe pole makroskopowe o sile E 1 skierowane na pole zewnętrzne o sile E 0 . Wynikowe natężenie pola E wewnątrz dielektryka E=E0-E1.

Rodzaje polaryzacji

W zależności od mechanizmu polaryzacji, polaryzację dielektryków można podzielić na następujące typy:

• Elektroniczne - przemieszczenie powłok elektronowych atomów pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. Najszybsza polaryzacja (do 10-15 s). Nie związane ze stratą.
• Jonowy - przemieszczenie węzłów struktury krystalicznej pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego i przemieszczenie o wielkość mniejszą niż wartość stałej sieciowej. Czas przepływu wynosi 10-13 s, bez strat.
• Dipol (orientacja) - postępuje ze stratami, aby pokonać siły komunikacji i tarcie wewnętrzne. Związany z orientacją dipoli w zewnętrznym polu elektrycznym.
• Relaksacja elektronowa - orientacja wadliwych elektronów w zewnętrznym polu elektrycznym.
• Relaksacja jonowa - przemieszczenie jonów luźno związanych w węzłach struktury krystalicznej lub znajdujących się w przestrzeni międzywęzłowej.
• Strukturalny - orientacja zanieczyszczeń i niejednorodnych wtrąceń makroskopowych w dielektryku. Najwolniejszy typ.
• Spontaniczna (spontaniczna) - ze względu na ten rodzaj polaryzacji, w dielektrykach, w których jest obserwowana, polaryzacja wykazuje znacznie nieliniowe właściwości nawet przy niskich wartościach pola zewnętrznego obserwuje się zjawisko histerezy. Takie dielektryki (ferroelektryki) wyróżniają się bardzo wysokimi stałymi dielektrycznymi (od 900 do 7500 dla niektórych typów ceramiki kondensatorowej). Wprowadzenie polaryzacji spontanicznej z reguły zwiększa tangens strat materiału (do 10 −2)
• Rezonans - orientacja cząstek, których częstotliwości własne pokrywają się z częstotliwościami zewnętrznego pola elektrycznego.
• Polaryzacja migracji jest spowodowana obecnością w materiale warstw o ​​różnej przewodności, powstawanie ładunków kosmicznych, szczególnie przy wysokich gradientach napięcia, ma duże straty i jest polaryzacją o opóźnionym działaniu.

Polaryzacja dielektryków (z wyjątkiem rezonansowego) jest maksymalna w statycznych polach elektrycznych. W polach przemiennych, ze względu na obecność bezwładności elektronów, jonów i dipoli elektrycznych, wektor polaryzacji elektrycznej zależy od częstotliwości. W związku z tym wprowadzono pojęcie rozproszenia przenikalności.

Zależność wektora polaryzacji od pola zewnętrznego

W stałym polu

W słabych polach

W stałym lub raczej wolno zmieniającym się zewnętrznym polu elektrycznym o wystarczająco małej sile tego pola wektor polaryzacji P z reguły (z wyjątkiem ferroelektryków) zależy liniowo od wektora natężenia pola mi:

(w systemie CGS), (w systemie SI; dalsze wzory w tym paragrafie są podane tylko w CGS, wzory SI nadal różnią się tylko stałą elektryczną)

gdzie jest współczynnik zależny od skład chemiczny, koncentracja, struktura (w tym od stan skupienia) otoczenia, temperatury, naprężeń mechanicznych itp. (mocniej od jednych czynników, słabszy od innych oczywiście i w zależności od zakresu zmian każdego z nich) oraz zwana polaryzowalnością (elektryczną) (a częściej przynajmniej z tego powodu przypadku , gdy jest wyrażona jako skalar - podatność dielektryczna) danego ośrodka. Dla jednorodnego ośrodka o ustalonym składzie i strukturze w ustalonych warunkach można ją uznać za stałą. Jednak w związku ze wszystkim, co zostało powiedziane powyżej, ogólnie rzecz biorąc, zależy to od punktu w przestrzeni, czasu (jawnie lub poprzez inne parametry) itp.

Dla cieczy izotropowych, izotropowych ciał stałych lub kryształów o wystarczająco dużej symetrii - wystarczy liczba (skalar). W bardziej ogólnym przypadku (dla kryształów o małej symetrii, pod działaniem naprężeń mechanicznych itp.) - tensor (symetryczny tensor drugiego rzędu, ogólnie rzecz biorąc niezdegenerowany), zwany tensor polaryzowalności. W takim przypadku możesz przepisać formułę w ten sposób (w składnikach):

gdzie wielkości z symbolami odpowiadają składowym wektora i tensora odpowiadającym trzem współrzędnym przestrzennym.

Można zauważyć, że polaryzowalność jest jedną z najwygodniejszych wielkości fizycznych dla prostej ilustracji fizycznego znaczenia tensorów i ich zastosowania w fizyce.

Jeśli chodzi o dowolny tensor symetryczny niezdegenerowany drugiego rzędu, to dla tensora polaryzowalności można wybrać podstawa własna – prostokątne współrzędne kartezjańskie, w których macierz staje się diagonalna, a następnie – tylko w tych współrzędnych (!) – zapis jest nieco uproszczony:

gdzie są trzy wartości własne tensora polaryzowalności.

Jeśli wszystkie te trzy wartości własne są sobie równe, to mnożenie przez tensor jest równoważne mnożeniu przez liczbę, a ośrodek jest izotropowy (w odniesieniu do polaryzowalności). (Z tego wynika, dlaczego kryształ o wysokiej symetrii nie może dać anizotropii: tylko trzy identyczne wartości własne mogą spełnić wymagania symetrii).

Na silnych polach

W dostatecznie silnych polach wszystko opisane powyżej komplikuje fakt, że wraz ze wzrostem natężenia pola elektrycznego prędzej czy później traci się liniowość zależności P z mi.

Charakter powstającej nieliniowości i charakterystyczna wielkość pola, przy którym nieliniowość staje się zauważalna, zależą również oczywiście od indywidualnych właściwości ośrodka, warunków itp.

Możesz podkreślić ich związek z tymi opisanymi powyżej.

Tak więc dla polaryzacji elektronów i jonów w polach zbliżonych do wartości rzędu stosunku potencjału jonizacyjnego do charakterystycznej wielkości cząsteczki U 0 /D, typowe jest przyspieszenie wzrostu wektora polaryzacji wraz ze wzrostem pola (wzrost nachylenia wykresu P(E)), a następnie płynnie przechodzi w rozpad dielektryka.

Polaryzacja dipolowa (orientacyjna) przy zwykle nieco niższych wartościach natężenia pola zewnętrznego - około kT/p(gdzie p jest momentem dipolowym cząsteczki, T- temperatura, k- stała Boltzmanna) - czyli gdy energia oddziaływania dipola (cząsteczki) z polem staje się porównywalna ze średnią energią ruchu termicznego (obrotu) dipola - przeciwnie, zaczyna osiągać nasycenie (przy dalszy wzrost natężenia pola, prędzej czy później scenariusz polaryzacji elektronowej lub jonowej, opisany powyżej, a kończący się przebiciem).

W polu zależnym od czasu

Zależność wektora polaryzacji od szybko zmieniającego się pola zewnętrznego w czasie jest dość skomplikowana. Zależy to od konkretnego rodzaju zmiany pola zewnętrznego w czasie, szybkości tej zmiany (lub np. częstotliwości drgań) pola zewnętrznego, polaryzacji panującej w danej substancji lub medium (co również okazuje się być różne dla różnych zależności pola zewnętrznego od czasu, częstotliwości itp.).

Przy wystarczająco powolnej zmianie pola zewnętrznego, polaryzacja zwykle zachodzi jak w polu stałym lub bardzo blisko niego (jednak jak wolna musi być zmiana pola, aby to nastąpiło, zależy, a często bardzo silnie, od dominującego typu polaryzacji i innych warunków, takich jak temperatura).

Jednym z najczęstszych podejść do badania zależności polaryzacji od charakteru pola zmiennego w czasie jest badanie (teoretyczne i eksperymentalne) przypadku sinusoidalnej zależności czasu od pola zewnętrznego oraz zależności wektora polaryzacji (co również zmienia się w tym przypadku zgodnie z prawem sinusoidalnym z tą samą częstotliwością), amplitudą i przesunięciem fazowym w funkcji częstotliwości.

Każdy mechanizm polaryzacji jako całość odpowiada temu lub innemu zakresowi częstotliwości i ogólnemu charakterowi zależności częstotliwości.

Zakres częstotliwości, w którym sensowne jest mówienie o polaryzacji dielektryków jako takich, rozciąga się gdzieś od zera do obszaru ultrafioletowego, w którym jonizacja staje się intensywna pod wpływem pola.

Każda substancja, niezależnie od jej stanu skupienia i szczegółów jej struktury atomowej i molekularnej, na przykład kryształ atomowy, molekularny lub jonowy itp., ostatecznie składa się z dodatnio naładowanych jąder i ujemnie naładowanych elektronów.

W związku z tym istnieje tylko jeden mechanizm polaryzacji - jest to przemieszczenie ładunków dodatnich wzdłuż pola polaryzującego i ładunków ujemnych względem pola polaryzującego (rys. 3.14). W tym miejscu należy podkreślić, że substancja jest spolaryzowana nie polem zewnętrznym (patrz na przykład (3.2) powyżej), ale całkowitym polem wytworzonym zarówno przez ładunki zewnętrzne (nie należące do dielektryka), jak i przez spolaryzowane sama substancja. W dalszej części nie będziemy tego specjalnie podkreślać.

Ryż. 3.14. Przemieszczenie ładunków dodatnich wzdłuż pola polaryzacyjnego
i ujemnych ładunków w polu polaryzacyjnym

Badając właściwości polaryzacyjne określonych substancji, rozsądne i przydatne jest wyróżnienie tych głównych cech pojedynczego mechanizmu ruchu ładunków pod działaniem pola polaryzacyjnego, które determinują wynik: stopień i charakter polaryzacji substancja. Prowadzi to do rozważenia szeregu „szczególnych” mechanizmów polaryzacyjnych, takich jak:

i wiele innych.

Kilka słów o wspomnianej wyżej polaryzacji jonowej, która zachodzi w kryształach soli kuchennej typu NaCl. Pod wpływem pola dodatnio naładowane jony sodu Na + i ujemnie naładowane jony chloru Cl - są przemieszczane w różnych kierunkach ze swoich pozycji równowagowych, dzięki czemu każda elementarna komórka kryształu uzyskuje elektryczny moment dipolowy. Ten przykład jest przydatny w następującym sensie: bez względu na to, jak złożony jest dielektryk - w tym przypadku kryształ jonowy - jego polaryzacja wynika z przesunięcia w przeciwnych kierunkach ładunków dodatnich i ujemnych. Pytanie brzmi, jakie konkretne nośniki ładunku są zdolne do takiego ruchu: swobodne elektrony w metalu, elektrony powłoki elektronowej obojętnych atomów lub cząsteczki w gazie lub cieczy silnie związane z jądrami, jony w węzłach kryształu krata i tak dalej. Jest to określone przez sposób ułożenia dielektryka.

Procesy zachodzące w dielektryku podczas jego polaryzacji można zrozumieć w oparciu o koncepcję dielektryka jako ośrodka składającego się z połączonych parami różnych ładunków. W przeciwieństwie do przewodników, w dielektrykach nie ma wolnych ładunków, które pod wpływem pola zewnętrznego mogą poruszać się po całej objętości próbki. Ładunki tworzące molekuły dielektryka są ze sobą mocno połączone i mogą poruszać się tylko w obrębie swojej cząsteczki (lub atomu), to znaczy w odległości rzędu cm.

W prawie wszystkich przypadkach, gdy dielektryk składa się z cząstek obojętnych elektrycznie (atomów i molekuł), niezależnie od stanu skupienia, możliwe jest sprowadzenie wszystkich „podmechanizmów” polaryzacji do dwóch typów. Aby to zrobić, zwyczajowo dzieli się wszystkie atomy i cząsteczki oraz dielektryki składające się z nich na dwie klasy:

Ryż. 3.15. Polaryzacja niepolarnego dielektryka

Ryż. 3.16. Mechanizm orientacji polaryzacji polarnego dielektryka

Oto wektor momentu dipolowego jednej cząsteczki, sumowanie odbywa się na wszystkich cząsteczkach znajdujących się w fizycznie nieskończenie małej objętości . Rozważmy na przykład kulę o jednorodnej polaryzacji (rysunek 3.17).

Ryż. 3.17. Polaryzacja i pole elektryczne jednostajnie spolaryzowanej kuli

Kiedy niepolarny dielektryk jest spolaryzowany, powłoka elektronowa atomu lub cząsteczki ulega deformacji - elektrony są przemieszczane w kierunku pola polaryzującego, jądra są przemieszczane wzdłuż pola. Pomiędzy poprzednio (przy braku pola polaryzującego) zbieżnymi środkami ładunków dodatnich i ujemnych pojawia się pewna odległość. W rezultacie atom lub cząsteczka nabywa trochę wywołany moment dipolowy.

Jest mniej lub bardziej oczywiste, że indukowany moment dipolowy będzie proporcjonalny do wielkości zewnętrznego pola elektrycznego. Można to zrozumieć, rozważając zachowanie energii potencjalnej П( x) oddziaływania dwóch cząstek, gdzie X- odległość między nimi. Niech odległość odpowiada stanowi równowagi (cząstki są w tym samym punkcie i nie ma momentu dipolowego). W przypadku małych odchyleń od położenia równowagi w rozwinięciu energii potencjalnej w szeregu Taylora możemy ograniczyć się do kilku pierwszych wyrazów

Biorąc pod uwagę, że pierwsza pochodna w punkcie równowagi jest równa zero, a druga pochodna w tym punkcie jest dodatnia , stwierdzamy, że w pobliżu punktu stabilnej równowagi energia potencjalna zachowuje się jak

W związku z tym, gdy odbiega od tej pozycji, powstaje siła

,

podobna do siły sprężystości, gdy sprężyna jest rozciągnięta. Jeśli ładunki w cząsteczce są „połączone” taką „sprężyną”, to po przyłożeniu pola mi nowa odległość równowagowa między cząstkami zostanie określona przez zależność

W rezultacie znajdujemy wielkość momentu dipolowego, który powstał pod działaniem pola

Mnożenie indukowanego momentu dipolowego przez stężenie spolaryzowanych cząsteczek N/V (N- ich całkowita liczba w objętości V), otrzymujemy polaryzację dielektryczną

Jeśli zapiszemy polaryzację (3.16) w postaci

gdzie stała (dla danej substancji) jest z definicji podatność dielektryczna substancji, to dla , to w ramach tego modelu podatność dielektryczną można obliczyć za pomocą następującego wzoru

W cząsteczkach zwanych polarnymi centra ładunków dodatnich i ujemnych są przesunięte względem siebie, więc taka cząsteczka ma swój własny moment dipolowy. Gdy taka cząsteczka znajduje się w polu elektrycznym, jej powłoka elektronowa ulega deformacji, zwiększa się odległość między centrami ładunku, a pewien indukowany moment dipolowy dodaje się do początkowego wewnętrznego momentu dipolowego. Można jednak wykazać, że ten dodatkowy indukowany moment dipolowy jest znacznie mniejszy niż samoistny. Oczywiście jest to prawdą, jeśli pole polaryzacyjne jest znacznie mniejsze niż pole istniejące wewnątrz cząsteczki. W porządku wielkości pole wewnątrzcząsteczkowe jest równe atomowej jednostce natężenia pola elektrycznego: V/m. W pisemnym wyrażeniu na atomową jednostkę natężenia pola elektrycznego masa elektronu, jego ładunek, stała Plancka. Biorąc pod uwagę, że np. „awaria” – prowadząca do wyładowania iskrowego – natężenie pola dla suchego powietrza wynosi tylko V/m, czyli o pięć rzędów wielkości mniej, można argumentować, że w zdecydowanej większości eksperymentów indukowany moment dipolowy, w obecności własnego, może być zaniedbany. W przyszłości, przy rozpatrywaniu polaryzacji dielektryków dipolowych, efekt ten (indukcja dodatkowego momentu) nie będzie brany pod uwagę.

Wektory wewnętrznych momentów dipolowych poszczególnych cząsteczek w stanie normalnym są zorientowane losowo pod wpływem ruchu termicznego. Dlatego przy braku zewnętrznego pola elektrycznego średni całkowity moment dipolowy dowolnej fizycznie nieskończenie małej objętości dielektrycznej wynosi zero. Innymi słowy, dielektryk nie jest spolaryzowany: jego polaryzacja wynosi zero.

Zewnętrzne pole elektryczne ma tendencję do orientowania momentów dipolowych cząsteczek równolegle do wektora, ale ruch termiczny temu zapobiega, dielektryk jest spolaryzowany, natomiast jego polaryzacja powinna zależeć od temperatury, czyli powinna maleć wraz ze wzrostem temperatury. Poniżej obliczona jest ta zależność, zostanie również pokazane, że w przypadku dielektryków polarnych ich polaryzacja jest proporcjonalna do natężenia pola polaryzującego. Ta polaryzacja nazywa się orientacja(Rys. 3.18).

Ryż. 3.18. Polaryzacja orientacyjna dielektryka

Zgodnie ze wzorem (3.8) energia potencjalna dipola w polu zewnętrznym mi zależy od orientacji dipola

Zgodnie z prawem statystycznym Boltzmanna (rysunek 3.19), które opisuje rozkład energii cząstek w polu zewnętrznym w warunkach równowagi termodynamicznej, liczbę cząsteczek, których moment dipolowy jest zorientowany pod kątem do pola zewnętrznego, określa się jako

Tutaj Z- stała normalizacyjna, której wartość znajdziemy później, T- temperatura bezwzględna, stała Boltzmanna - k B = 1,38 10 -23 J/K. Ze względu na mały moment dipolowy cząsteczek, dla zwykłych (niezbyt niskich) temperatur wykładnik jest mały i możemy rozszerzyć wykładnik w szereg Taylora, pozostawiając dwa pierwsze wyrazy

Ryż. 3.19. L. Boltzmann (1844–1906) – fizyk austriacki

Podkreślamy, że użycie przybliżonego wyrażenia (3.18) i wszelkich wniosków z niego wynikających jest uzasadnione przy niezbyt niskich temperaturach, gdy . Nie jest trudno dokonać dokładnego obliczenia za pomocą (3.17) zamiast przybliżonego (3.18), które czytelnik może wykonać samodzielnie.

Całka po pełnym kącie bryłowym powinna dać całkowitą liczbę N cząsteczki w systemie. Ponieważ średnia wartość cosinusa wynosi zero, całkuje się tylko pierwszy wyraz w (3.18). Ponieważ wartość całkowitego kąta bryłowego wynosi , otrzymujemy

Teraz znamy stałą Z i możemy zapisać wyrażenie (3.18) jako

Konieczne jest wyznaczenie wartości rzutu całkowitego momentu dipolowego na kierunek pola (wiadomo, że inne rzuty są zerowe ze względu na osiową symetrię problemu). Rzut momentu dipolowego jednej cząsteczki to pcosa, stąd całkowity moment dipolowy R wszystkich cząsteczek na jednostkę objętości jest równa

Całka po jest , a całka po jest obliczana ze zmiany zmiennej

Znajdujemy wtedy

Z (3.21) wynika, że ​​w przypadku dipolowej polaryzacji materii polaryzacja jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego. Ponadto znaleźliśmy zależność polaryzacji od temperatury. Jest to prawo Curie, które potwierdza doświadczenie (ryc. 3.20).

Ryż. 3.20. Zależność temperaturowa polaryzacji polarnego dielektryka (rozwiązanie dokładne)

Podsumowując tę ​​sekcję, krótko powtarzamy główne wnioski. Zewnętrzne pole elektryczne albo tworzy zorientowane na pole momenty dipolowe, albo orientuje momenty dipolowe poszczególnych cząsteczek, a dielektryk uzyskuje pewien makroskopowy moment dipolowy. Wektor nazywany jest polaryzacją dielektryka. Jest proporcjonalna do natężenia zewnętrznego pola elektrycznego, a zależność tę można przedstawić jako

następnie wektor polaryzacji w SI jest mierzony w C/m2. Jego wymiar pokrywa się z wymiarem gęstości ładunku powierzchniowego. Sugeruje to, że wektor polaryzacji jest powiązany z gęstością ładunków polaryzacyjnych powstających na powierzchni iw objętości dielektryka umieszczonego w polu zewnętrznym (rys. 3.21).

Ryż. 3.21. Wektor polaryzacji i gęstość ładunków polaryzacyjnych

Proporcjonalność między polaryzacją R i napięcie mi zewnętrzne pole elektrostatyczne tłumaczy się w przypadku polaryzacji elektronowej i jonowej tym, że wraz ze wzrostem mi wzrastają momenty dipolowe poszczególnych atomów p i. Przy polaryzacji dipolowej proporcjonalnie do wzrostu natężenia zewnętrznego pola elektrostatycznego wzrasta stopień orientacji wektorów p i. Powyżej znaleźliśmy ogólne wzory na podatność dielektryczną dla różnych typów polaryzacji. Należy podkreślić, że są one ważne dla gazów: nie wzięliśmy pod uwagę wpływu cząsteczek na siebie, co jest akceptowalne dla układów, w których cząstki nie są zbyt gęsto upakowane. Ale ogólny wniosek pozostaje ważny dla mediów skondensowanych (cieczy i ciał stałych): pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego jednostka objętości dielektryka nabiera momentu dipolowego R ; w najprostszych przypadkach występuje zależność liniowa

Wszystkie trzy rozważane mechanizmy przyczyniają się do całkowitej podatności dielektrycznej dielektryka:

Rzadko zdarza się, aby wszystkie części podatności dielektrycznej były jednakowo duże. Na przykład w kryształach jonowych część dipolowa jest całkowicie nieobecna. Eksperymentalnie udział każdej frakcji można znaleźć, mierząc przenikalności przy różnych częstotliwościach fali elektromagnetycznej. Przy niskich częstotliwościach (pole statyczne, którym teraz zajmiemy się), wszystkie trzy części podatności dielektrycznej mają swój udział (rys. 3.22).

Ryż. 3.22. Zależność całkowitej podatności dielektrycznej dielektryka
na częstotliwości fali elektromagnetycznej. Określone zakresy częstotliwości:
I - obszar radia i mikrofal, II - podczerwień, III - region ultrafioletowy

Wraz ze wzrostem częstotliwości udział części dipolowej najpierw zniknie: cząsteczki nie będą miały czasu na obrót, podążając za szybko zmieniającym się polem elektrycznym fali. Przejście do nowego trybu odbywa się zwykle na częstotliwościach z zakresu radiowego. Wraz z dalszym wzrostem częstotliwości udział części jonowej zniknie: jony są bardziej bezwładne niż elektrony. W zakresie częstotliwości optycznych dominuje elektronowa frakcja polaryzacji. Po przejściu na jeszcze wyższe częstotliwości - poza obszar ultrafioletu - nawet chmury elektronowe nie będą miały czasu na śledzenie zmian w polu elektrycznym i zniknie polaryzowalność dielektryka.

Podajmy przykład: dla soli kuchennej NaCl stała dielektryczna w polu statycznym wynosi 5,62, a w polu fali elektromagnetycznej o zakresie optycznym - tylko 2,25. W takich kryształach nie ma polaryzowalności dipolowej, a różnicę należy przypisać polaryzowalności jonowej.

Dodatkowe informacje

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/index.html - fale elektromagnetyczne, skala fal elektromagnetycznych;

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

http://www.nrao.edu/index.php/learn/radioastronomy/radiowaves - fale radiowe, źródła fal radiowych.

WŁAŚCIWOŚCI DIELEKTRYCZNE

DIELEKTRYK.

Dielektryki - substancje o niskiej przewodności elektrycznej, ponieważ. mają bardzo mało wolnych naładowanych cząstek - elektronów i jonów. Cząstki te pojawiają się w dielektrykach dopiero po podgrzaniu do wysokich temperatur. Wyróżnia się dielektryki gazowe (gazy, powietrze), płynne (oleje, płynne substancje organiczne) i stałe (parafina, polietylen, mika, ceramika itp.).

Kiedy napięcie elektryczne jest przyłożone do dielektryka, który jest złożonym układem elektrycznym, zachodzą różne procesy elektryczne związane z jego polaryzacją i przewodnością elektryczną. W przypadku bardzo wysokiego napięcia może nastąpić zniszczenie dielektryka, zwane przebiciem.

Jeden z najważniejsze właściwości dielektryki to ich zdolność do polaryzacji pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Zgodnie ze współczesnymi koncepcjami zjawisko polaryzacji sprowadza się do zmiany położenia w przestrzeni cząstek dielektrycznych, które mają taki lub inny ładunek elektryczny, w wyniku czego każda makroskopowa objętość dielektryka uzyskuje pewną indukowaną (indukowaną) moment elektryczny, którego ta objętość dielektryka nie posiadała przed oddziaływaniem zewnętrznego pola elektrycznego.

Polaryzacji towarzyszy pojawienie się na powierzchni dielektryków związanych ładunków elektrycznych, które zmniejszają natężenie pola wewnątrz substancji.

Ilościową charakterystyką polaryzacji jest polaryzacja dielektryka P.

Zdolność różnych materiałów do polaryzacji w polu elektrycznym charakteryzuje się przenikalnością względną ε.

W przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego każdy element objętości dielektrycznej nie ma momentu elektrycznego, ponieważ suma algebraiczna ładunków wszystkich cząsteczek dielektrycznych w danej objętości wynosi zero, a środki ciężkości ładunków dodatnich i ujemnych pokrywają się w kosmosie. Zakłada się, że ten element objętości jest bardzo duży w porównaniu do wymiarów cząsteczki, a więc zawiera bardzo dużą liczbę cząsteczek. Pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego następuje pewne uporządkowanie rozmieszczenia cząsteczek dielektrycznych w przestrzeni, jak pokazano schematycznie na ryc.

Rozmieszczenie ładunków w całkowicie spolaryzowanym dielektryku płaskiego kondensatora

Należy zwrócić uwagę na dwie grupy polaryzacji:

- polaryzacja elastyczna, płynący niemal natychmiast pod działaniem pola elektrycznego, nie towarzyszy rozproszenie (straty) energii w dielektryku (wydzielanie ciepła);

- polaryzacja relaksacyjna, wzrastające i malejące w pewnym okresie czasu i towarzyszy rozpraszanie energii w dielektryku, tj. ogrzewanie to

1) Polaryzacja elektroniczna

Po przyłożeniu napięcia w dielektryku powstaje pole elektryczne, a elektrony w atomach są przemieszczane względem jądra do elektrody dodatniej.

Przemieszczone elektrony o dodatnich ładunkach jąder atomowych tworzą pary połączonych ze sobą ładunków elektrycznych, które nazywane są sprężystymi dipolami. Ich tworzenie następuje natychmiast (10 -15 s). Znikają po usunięciu napięcia z dielektryka. Ten proces tworzenia elastycznych dipoli nazywa się polaryzacja elektroniczna.

Wartość e zależy od stężenia atomów (cząsteczek) w dielektryku i ich struktury, która determinuje polaryzowalność αe atomu (cząsteczki) i jest opisana wyrażeniem:

e = 1 + n e,

gdzie ε jest przenikalnością; n jest stężeniem cząstek (atomów, molekuł) w dielektryku; α e - polaryzowalność elektronowa, określona przez strukturę cząsteczki lub atomu.

Jeśli dielektrykiem jest kryształ, to jego ε jest większe niż dielektryka amorficznego, ponieważ gęstość upakowania atomów i cząsteczek jest większa w stanie krystalicznym.

Przenikalność substancji o polaryzacji czysto elektronicznej jest liczbowo równa kwadratowi współczynnika załamania światła n.

ε = n 2 .

Chociaż deformacja orbit elektronowych nie zależy od temperatury, polaryzacja elektronów, a co za tym idzie przenikalność ε maleje wraz ze wzrostem temperatury dielektryka, ponieważ jego objętość wzrasta, a liczba cząstek na jednostkę objętości maleje.

2) Polaryzacja jonowa(lub polaryzacja przemieszczenia jonów).

Polaryzacja wynika z przemieszczania się jonów związanych elastycznie. Jest to typowe dla ciał stałych o strukturze jonowej, tj. do dielektryków krystalicznych. Każdy kryształ jonowy składa się z jonów dodatnich i ujemnych znajdujących się w węzłach sieci krystalicznej. Po przyłożeniu napięcia zaczynają w nim działać siły elektryczne, a jony są przemieszczane: dodatnie - w jednym kierunku, ujemne - w przeciwnym. Każda para jonów tworzy elastyczny dipol. Czas powstania polaryzacji jonowej wynosi 10 -13 s. Wraz z procesem przesunięcia polaryzacji postępuje polaryzacja elektronów. Intensywność tych procesów w dielektrykach krystalicznych jest duża, stąd więcej ε = 7 ÷ 12 i więcej.

Polaryzacje elektronowe i jonowe odnoszą się do polaryzacji sprężystej. Pozostałe, omówione poniżej, to różne przejawy polaryzacji relaksacyjnej.

Pod działaniem pola zorientowane są również rodniki (grupy atomów) - są to dipol– polaryzacja rodnikowa.

Wraz ze wzrostem temperatury lepkość ośrodka maleje, a polaryzacja dipolowa rośnie tak długo, jak lepkość jest wysoka. Jednak losowość ruchu termicznego stopniowo wzrasta i staje się dominująca nad orientacją dipoli, tj. orientacja dipola zaczyna spadać wraz ze wzrostem temperatury.

Ta polaryzacja jest charakterystyczna dla gazów i cieczy, a także dla polaryzacji stałej materia organiczna zawierające rodniki. Ukończono w 10 -2 s. Po usunięciu pola orientacja słabnie (występuje relaksacja).

4) elektronicznie – polaryzacja relaksacyjna.

Polaryzacja powstaje z powodu nadmiaru „wadliwych” elektronów lub dziur wzbudzonych energią cieplną. Jest to typowe dla dielektryków o wysokim współczynniku załamania i przewodności elektrycznej, a także dla półprzewodników.

5) Polaryzacja sprężysto-dipolowa

Polaryzację obserwuje się w cząsteczkach dipolowych niektórych kryształów, które są nieruchome i tylko w ograniczonym stopniu obracają się pod małym kątem.

6) Międzywarstwa polaryzacja

Polaryzacja jest spowodowana wtrąceniami przewodzącymi i półprzewodnikowymi oraz obecnością warstw o ​​różnej przewodności. Polaryzacja pojawia się w ciała stałe niejednorodna struktura (tworzywa warstwowe) w zakresie niskich częstotliwości i wiąże się ze znacznymi stratami energii elektrycznej.

7) Spontaniczna (spontaniczna) polaryzacja

Polaryzacja jest charakterystyczna dla ferroelektryków, substancji rozbijających się na regiony ( domeny), które mają spontaniczny moment dipolowy przy braku pola zewnętrznego. Wzajemna orientacja momentów dipolowych domen przy braku pola jest taka, że ​​całkowity moment dipolowy substancji jest równy zero. Superpozycja pola orientuje momenty dipolowe domen, co powoduje bardzo silną polaryzację.

MATERIAŁY DIELEKTRYCZNE.

Klasyfikacja i ogólne właściwości dielektryków. Zależności temperaturowe.

MATERIAŁY DIELEKTRYCZNE.

Substancje, które można spolaryzować w polu elektrycznym. Mają wewnętrzne pole elektryczne i równomierny rozkład potencjałów.

Nośniki ładunku w dielektrykach:

1. W gazach

1) Jony dodatnie i ujemne. Powód: jonizacja cząsteczek gazu.

2) Elektrony w silnych polach.

2. W płynach

1) Jony. Powód: dysocjacja cząsteczek cieczy.

2) Koloidalne naładowane cząstki w emulsjach i zawiesinach.

3. W stanie stałym

2) Wady sieci krystalicznej.

3) Elektrony lub dziury przewodzące.

Są polarne i niepolarne.

Rysunek 50.

Podstawowe właściwości elektryczne dielektryków:

1. Polaryzacja

2. Przewodność elektryczna

3. Straty dielektryczne

4. Siła elektryczna

Przy obliczaniu prądu stałego brany jest pod uwagę tylko prąd przelotowy.

Polaryzacja dielektryków. Rodzaje polaryzacji.

Polaryzacja to proces przemieszczania i porządkowania ładunków w dielektryku pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. Liczbową miarą polaryzacji jest polaryzacja dielektryka - ilość momentu elektrycznego na jednostkę objętości dielektryka:

	(1.2)
	(1.2)

gdzie dp- moment elektryczny elementu dielektrycznego;

dV to objętość elementu dielektrycznego

Natężenie zewnętrznego pola elektrycznego, V/m,

- stała dielektryczna,

Względna przenikalność elektryczna.

Polaryzacja określa właściwość dielektryków do tworzenia pojemności elektrycznej. Jednocześnie polaryzacja dielektryków zachodząca wraz z wydatkowaniem energii i wydzielaniem ciepła powoduje straty energii elektrycznej w materiałach izolacyjnych, zwłaszcza przy wysokich częstotliwościach, gdy procesy polaryzacji dielektryka powtarzają się z większą liczbą cykli na jednostkę czasu. Dlatego polaryzacja jest opisana parametrami dielektrycznymi i .

Istnieje kilka rodzajów polaryzacji.

2.2.1. Polaryzacja elastyczna - zachodzi w dielektryku bez wydzielania energii i rozpraszania ciepła. Rozróżnij polaryzację sprężystą elektronową i jonową

Polaryzacja elektronowa - sprężyste przemieszczenie i odkształcenie powłok elektronowych atomów, prowadzące do rozdzielenia geometrycznych środków ładunków dodatnich i ujemnych w atomie. Do ustalenia wymagany jest minimalny czas - 10 -15 s, tj. powstały niemal natychmiast. Polaryzowalność podczas polaryzacji elektronowej nie zależy od temperatury, a stała dielektryczna maleje płynnie wraz ze wzrostem temperatury ze względu na rozszerzalność cieplną dielektryka i spadek liczby atomów na jednostkę objętości (ryc. 2.2). Polaryzacja elektronowa jest obserwowana we wszystkich dielektrykach, niezależnie od ich składu chemicznego i budowy wewnętrznej.

Polaryzacja jonowa - elastyczne przemieszczenie jonów - węzłów sieci krystalicznej, jest charakterystyczna dla materiałów o strukturze jonowej. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta z powodu osłabienia sił międzyjonowych. Czas ustalenia polaryzacji 10 -13 s jest dłuższy niż w przypadku polaryzacji elektronowej, ponieważ jony są bardziej masywne.

Ponieważ procesy polaryzacji elektronowej i jonowej zachodzą niemal natychmiastowo, przenikalność materiałów o polaryzacji sprężystej jest stała i nie zależy od częstotliwości.

2.2.2. Polaryzacja relaksacyjna (nieelastyczna) - typy polaryzacji wolne. Do ich realizacji wymagane jest zużycie pewnej energii, która jest następnie uwalniana w postaci ciepła, gdy dielektryk powraca do swojego pierwotnego stanu. Wyróżnia się polaryzację dipolową, jonową, elektronową, rezonansową i migracyjną.

Polaryzacja dipolowo-relasacyjna jest charakterystyczna dla substancji o strukturze dipolowej i jest spowodowana reorientacją cząsteczek dipolowych w zewnętrznym polu elektrycznym przyłożonym do dielektryka. W zależności od masy, gęstości upakowania i wymiarów dipoli, czas ustalenia polaryzacji wynosi 10 -10 ..10 -2 s. Po usunięciu pola, które spowodowało polaryzację, wracają one do swojego początkowego stanu chaotycznego pod wpływem ruchu termicznego cząstek, podczas gdy polaryzacja materiału maleje zgodnie z prawem

(1.2)

gdzie jest polaryzacja dielektryka w momencie usunięcia pola zewnętrznego, C / m 2,

Czas relaksacji (czas, w którym liczba uporządkowanych dipoli zmniejsza się o współczynnik e), s.

Zależność temperaturową polaryzacji dipolowej pokazano na rys. . 2.3. Spadek wykresu w obszarze niskiej temperatury wynika z gęstego upakowania jonów i trudności w ich reorientacji, a w obszarze wysokiej temperatury jest spowodowany małą liczbą dipoli na jednostkę objętości dielektryka.

Ryż. 2.3. Zależność temperaturowa polaryzacji dipolowo-relaksacyjnej

Polaryzacja dipolowo-relaksu jest obserwowana we wszystkich substancjach polarnych. W dielektrykach stałych polaryzacja jest spowodowana nie rotacją samej cząsteczki, ale przemieszczeniem obecnych w niej polarnych rodników, na przykład Na + i Cl - w cząsteczce soli.

Wraz ze wzrostem częstotliwości polaryzacja dipola i stała dielektryczna maleją, więc dielektryki polarne są zależne od częstotliwości i nie są używane przy wysokich częstotliwościach.

Polaryzacja jonowo-relaksu jest obserwowana w materiałach z luźnym upakowaniem jonów i jest spowodowana fizycznym przemieszczaniem się jonów w puste przestrzenie sieci krystalicznej pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. Po usunięciu pola polaryzacja stopniowo słabnie. Obserwowane tylko dla ciała stałe(rys. 3.x), ponieważ w stanie stopionym jony stają się wolne, a materiał staje się przewodnikiem o przewodności elektrolitycznej.

Ryż. 3.x. Zależność polaryzacji jonowo-relaksacyjnej

temperatura

Elektroniczna polaryzacja relaksacyjna jest spowodowana przemieszczaniem się od jednego jonu do drugiego (w kierunku pola) nadmiaru (wadliwych) elektronów i dziur. Jest to typowe dla substancji o przewodności elektrycznej elektronów, ma centralne maksimum w zależności i maleje wraz ze wzrostem częstotliwości.

polaryzacja rezonansowa. Jest obserwowany w dielektrykach przy częstotliwościach światła i wynika z rezonansu naturalnych oscylacji (rotacji) elektronów lub jonów oraz częstotliwości zewnętrznego pola elektromagnetycznego (światła). W praktyce nie jest on stosowany i praktycznie nie wpływa na właściwości dielektryka w zakresie częstotliwości wykorzystywanych przez elektronikę i mikroelektronikę.

Polaryzacja migracyjna - przejawia się w ciałach stałych o niejednorodnej strukturze z makroskopowymi niejednorodnościami i obecnością zanieczyszczeń. Przyczyną polaryzacji jest obecność wtrąceń przewodzących i półprzewodnikowych w rzeczywistych dielektrykach technicznych (papier, tkanina). Podczas polaryzacji migracyjnej elektrony i jony poruszają się w obrębie wtrąceń przewodzących, tworząc duże obszary spolaryzowane. Ta polaryzacja wiąże się z dużymi stratami energii i jest już obserwowana przy niskich częstotliwościach, czas relaksacji takich dielektryków wynosi minuty i sekundy.

W rzeczywistych dielektrykach występuje jednocześnie kilka rodzajów polaryzacji, przez co zależność częstotliwościowa i temperaturowa polaryzacji, przenikalność dielektryczna i tangens strat dielektrycznych stają się bardziej skomplikowane. W zależności od rodzaju polaryzacji istnieją cztery grupy dielektryków:

1. Dielektryki głównie z polaryzacją elektronową. Są to substancje niepolarne i słabo polarne w stanie krystalicznym i amorficznym (parafina, polistyren, polietylen). Stosowany jako dielektryki wysokiej częstotliwości - izolatory.

2. Dielektryki o polaryzacji elektronowej i dipolowo-relasacyjnej. Są to polarne materiały organiczne, półpłynne i stałe (żywice, celuloza). Stosowane są jako dielektryki niskiej częstotliwości - izolatory oraz w kondensatorach niskiej częstotliwości.

3. Dielektryki stałe nieorganiczne z polaryzacją elektronową, jonową i relaksacyjną (mika, kwarc, szkło, ceramika, ceramika szklana). Stosowane są jako dielektryki w kondensatorach wysokiej częstotliwości oraz jako izolatory.

4. Ferrodielektryki o wszystkich typach polaryzacji. Stosowane są jako aktywne (kontrolowane) dielektryki.

W wyniku polaryzacji zmienia się pole elektryczne wewnątrz dielektryka. Przenikalność charakteryzuje osłabienie pola zewnętrznego przez pole wewnętrzne:

	(1.2)

gdzie jest zewnętrzne pole elektryczne, V/m,

Wewnętrzne pole elektryczne, V/m,

Przemieszczenie elektryczne, C/m2,

Gęstość powierzchniładunki związane na płytach kondensatora w obecności dielektryka, C / m 2,

Dodatkowa gęstość ładunku powierzchniowego wynikająca z polaryzacji dielektrycznej, C/m 2

Gęstość ładunku powierzchniowego na płytach kondensatora powietrznego, C / m 2

Aby uzyskać niezbędne właściwości, na przykład minimalny współczynnik temperaturowy pojemności TKE, w kondensatorach elektrycznych można zastosować złożony dielektryk, składający się z mieszaniny prostych materiałów o różnych stałych dielektrycznych. W przypadku zastosowania takiego dielektryka jego efektywną przenikalność elektryczną oblicza się według wzoru Lichteneckera: dla przypadku losowego rozkładu składników:

,

gdzie q 1 oraz q2 to stężenia objętościowe (frakcje) składników.

POLARYZACJA DIELEKTRYKI.

Proces przemieszczania i porządkowania nośników ładunku pod działaniem pola elektrycznego

Stan substancji, w którym jej elementarna objętość nabiera momentu elektrycznego

Przyczyny: zewnętrzne pole elektryczne, naprężenia mechaniczne, oświetlenie i inne czynniki środowiskowe, polaryzacja spontaniczna.

Rysunek 51.

Polaryzacja jest przyczyną pojawienia się pojemności elektrycznej.

Dielektryki:

1) liniowy - izolacja, kondensatory o stałej pojemności

2) nieliniowe - czujniki, kontrolowane kondensatory napięciowe

Rysunek 52.

Polar składa się z cząsteczek polarnych (wody). Niepolarny - od niepolarnego, w którym moment elektryczny \u003d 0 (gazy, sól).

Rodzaje polaryzacji:

1. Szybka polaryzacja (elastyczna) - zachodzi bez rozpraszania energii.

1) Polaryzacja elektronowa - przemieszczenie chmury elektronowej względem środka jądra atomu. Czas wystąpienia i eliminacji - 10^-14 ... 10^-15 s. Polaryzowalność nie zależy od temperatury, ale przenikalność tak. Rysunek 53.

2) Polaryzacja rezonansowa - występuje, gdy częstotliwości rotacji elektronów pokrywają się ze zmianą pola magnetycznego.

3) Polaryzacja jonowa - przesunięcie względem siebie jonów dodatnich i ujemnych. Czas rozliczenia - 10^-11 s. Przykład: sól kuchenna. Wraz ze wzrostem temperatury parametry rosną.

2. Relaks

Aby go wytworzyć, zużywana jest energia, uwalniana w postaci ciepła, straty dielektryczne w prądzie przemiennym.

Odmiany:

1) Polaryzacja relaksacji dipolowej - rotacja i orientacja cząsteczek dipolowych w kierunku pola.

Rysunek 54.

Czas ustalania: 10^-2…10^-10 s.

Tau to czas relaksu.

2) Polaryzacja relaksacyjna jonów - ruch jonów z jednego atomu do drugiego w substancjach z niepełnym upakowaniem elektronów. Przykład: szkło.

Rysunek 55.

W cieczy - przewodniki o przewodności elektrolitycznej.

3) Elektroniczna - relaksacja - przejście elektronu do innego atomu podczas polaryzacji.

Czas ustalania: 10^-2…10^-5 s dla temperatury pokojowej.

4) Migracja - obserwowana w niejednorodnych dielektrykach z wtrąceniami przewodzącymi. Przykład: papier.

Rysunek 56.

Polaryzacja niskiej częstotliwości. Czas relaksu: minuty i godziny.

5) Spontaniczna polaryzacja. Faza - stan sieci krystalicznej, jej struktura.

W różnych substancjach możliwa jest zmiana fazy bez zmiany stanu skupienia. Zmiana fazy w dielektrykach może prowadzić do spontanicznej polaryzacji - ferroelektryków. Stała dielektryczna - do 10^5. Rodzaj dielektryków jest nieliniowy. Stosowany w czujnikach.

Stała dielektryczna mieszaniny.