Поляризация диэлектриков это кратко и понятно

Обновлено: 05.07.2024

Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур. Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

При наложении электрического напряжения в диэлектрике, представляющем сложную электрическую систему, протекают разнообразные электрические процессы, связанные с его поляризацией, электрической проводимостью. В случае очень большого напряжения может произойти разрушение диэлектрика, называемое пробоем.

Одним из важнейших свойств диэлектриков является их способность поляризоваться под воздействием внешнего электрического поля. Согласно современным представлениям явление поляризации сводится к изменению положения в пространстве частиц диэлектрика, имеющих электрический заряд того или иного знака, в результате чего каждый макроскопический объем диэлектрика приобретает некоторый наведенный (индуцированный) электрический момент, которым этот объем диэлектрика до воздействия внешнего электрического поля не обладал.

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества.

Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика P .

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε.

При отсутствии внешнего электрического поля каждый элемент объема диэлектрика не имеет электрического момента, так как алгебраическая сумма зарядов всех молекул диэлектрика в данном объеме равна нулю и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают в пространстве. При этом предполагается, что этот элемент объема весьма велик по сравнению с размерами молекулы, так что в нем содержится весьма большое число молекул. Под действием внешнего электрического поля происходит некоторое упорядочение расположения в пространстве молекул диэлектрика, как это схематически представлено на рис.

Расположение зарядов в полностью поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

Необходимо отметить две группы поляризации:

- упругая поляризация, протекающая практически мгновенно под действием электрического поля, не сопровождающаяся рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике (выделением теплоты);

- релаксационная поляризация, нарастающая и убывающая в течение некоторого промежутка времени и сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием

1) Электронная поляризация

При подаче напряжения в диэлектрике создается электрическое поле, и электроны в атомах смещаются относительно ядра к положительному электроду.

Смещенные электроны с положительными зарядами ядер атомов образуют пары связанных друг с другом электрических зарядов, которые называются упругими диполями. Образование их происходит мгновенно (10 -15 с). Они исчезают, если с диэлектрика снято напряжение. Этот процесс образования упругих диполей называется электронной поляризацией.

Величина e зависит от концентрации атомов (молекул) в диэлектрике и их структуры, определяющей поляризуемость α_э атома (молекулы), и описывается выражением:

где ε – диэлектрическая проницаемость; n – концентрация частиц (атомов, молекул) в диэлектрике; α_э – электронная поляризуемость, определяемая структурой молекулы или атома.

Если диэлектрик кристалл, то у него ε больше, чем у аморфного диэлектрика, т.к. плотность упаковки атомов и молекул больше в кристаллическом состоянии.

Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света n.

Хотя деформация электронных орбит не зависит от температуры, электронная поляризация, а, следовательно, диэлектрическая проницаемость ε с увеличением температуры диэлектрика уменьшается, т.к. увеличивается его объем и уменьшается число частиц в единице объема.

2) Ионная поляризация (или поляризация ионного смещения).

Поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов. Характерна для твердых тел с ионным строением, т.е. для кристаллических диэлектриков. Всякий ионный кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. При наложении напряжения в нем начинают действовать электрические силы, и ионы смещаются: положительные – в одном направлении, отрицательные – в противоположном. Каждая пара ионов образует упругий диполь. Время установления ионной поляризации 10 -13 с. Наряду с процессом поляризационного смещения протекает электронная поляризация. Интенсивность этих процессов у кристаллических диэлектриков велика, поэтому больше ε = 7 ÷ 12 и выше.

Электронная и ионная поляризации относятся к упругой поляризации. Остальные, рассматриваемые далее, являются различными проявлениями релаксационной поляризации.

Под действием поля ориентируются и радикалы (группы атомов) – это дипольно – радикальная поляризация.

С увеличением температуры вязкость среды уменьшается, и дипольная поляризация возрастает, пока велика вязкость. Но постепенно нарастает хаотичность теплового движения и становится преобладающей над ориентацией диполей, т.е. дипольная ориентация с ростом температуры начинает падать.

Эта поляризация свойственна газам и жидкостям, а также твердым полярным органическим веществам, имеющим в составе радикалы. Совершается за время 10 -2 с. После снятия поля ориентация ослабевает (происходит релаксация).

4) Электронно– релаксационная поляризация.

5) Упруго – дипольная поляризация

Поляризация наблюдается у дипольных молекул некоторых кристаллов, закрепленных и только ограниченно поворачивающихся на небольшой угол.

6) Междуслойнаяполяризация

Поляризация обусловлена проводящими и полупроводящими включениями и наличием слоев с различной проводимостью. Поляризация проявляется в твердых телах неоднородной структуры (слоистые пластики) в области низких частот, и связана со значительными потерями электрической энергии.

7) Самопроизвольная (спонтанная) поляризация

Поляризация характерна для сегнетоэлектриков, веществ, разбивающихся на области (домены), обладающие спонтанным дипольным моментом в отсутствие внешнего поля. Взаимная ориентация дипольных моментов доменов в отсутствие поля такова, что суммарный дипольный момент вещества равен нулю. Наложение поля ориентирует дипольные моменты доменов, что вызывает очень сильную поляризацию.

СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

ДИЭЛЕКТРИКИ.

Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика P .

Расположение зарядов в полностью поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

Необходимо отметить две группы поляризации:

1) Электронная поляризация

2) Ионная поляризация (или поляризация ионного смещения).

Под действием поля ориентируются и радикалы (группы атомов) – это дипольно – радикальная поляризация.

4) Электронно– релаксационная поляризация.

5) Упруго – дипольная поляризация

6) Междуслойнаяполяризация

7) Самопроизвольная (спонтанная) поляризация

Пишу для школьников (для лучшего понимания ими основ физики). Материал излагаю в соответствии с признанной ныне научной трактовкой физических явлений. Критике существующей теории и глубоким теоретическим рассуждениям здесь не место.

Ранее говорилось, что в диэлектриках практически нет свободных зарядов, значит, и не может быть электрического тока. Однако, если диэлектрик нагреть до очень высокой температуры или создать условия для ионизации, то он приобретёт способность пропускать электрический ток, то есть становится проводником (пробой диэлектрика).

Как уже было сказано, при равновесии зарядов электрического поля внутри проводников нет. Диэлектрики же пропускают внутрь себя электрическое поле, но ослабляют его. Почему? На этот вопрос ответим, рассмотрев поведение диэлектрика во внешнем электрическом поле.

На рисунке изображены молекулы полярных диэлектриков (жёсткие диполи) в виде палочек, заштрихованные концы которых заряжены положительно.

Рисунок а) соответствует отсутствию внешнего электрического поля. Здесь дипольные моменты молекул диэлектрика ориентированы хаотично, и суммарный дипольный момент равен нулю.

При наличии электрического поля (рис. б) и рис.в) дипольные моменты молекул стремятся ориентироваться вдоль силовых линий электрического поля. Чем сильнее поле, тем больше эта ориентация.

Как уже отмечалось, к диэлектрикам относятся материалы с шириной запрещенной зоны более
3 эВ.

4.1 Поляризация диэлектриков

► Сущность поляризации. Ее количественная оценка и влияние на свойства диэлектрика

Поляризацией называется состояние диэлектрика, при котором любой элемент его объема обладает электрическим моментом. Как правило, поляризация возникает под действием внешнего электрического поля, хотя в некоторых случаях возможна спонтанная поляризация. Иногда поляризация возникает под действием механических напряжений.

Кроме того, поляризацией называется сам процесс смещения и упорядочения связанных зарядов под действием внешнего поля.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε, которая является характеристикой интенсивности процесса поляризации в данном диэлектрике.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость ε_а, значение которой зависит от выбранной системы единиц, связана с относительной диэлектрической проницаемостью через электрическую постоянную ε₀ = 8,854*10 -12 Ф/м:

(4.1)

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества. В результате этого каждый элементарный объем dV диэлектрика приобретает индуцированный (наведенный) электрический момент dp; именно его образование является сущностью явления поляризации.

Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика – векторная физическая величина, равная отношению электрического момента элемента диэлектрика к объему этого элемента и выражаемая в Кл/м 2 :

(4.2)

Направление поляризованности совпадает с направлением электрического момента – от отрицательного заряда к положительному.

При описании любых явлений в диэлектрике, в том числе и поляризации, обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами для подвода электрического напряжения, т.е. некоторый участок изоляции. Рассмотрим простейший случай такого участка – плоский конденсатор с активным поперечным сечением диэлектрика (т.е. площадью каждого электрода, или обкладки) S и толщиной слоя диэлектрика (т.е. расстоянием между обкладками) h (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Расположение зарядов в поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

Пусть поверхностная плотность связанных зарядов, выявившихся в результате поляризации на поверхностях диэлектрика, которые прилегают к обкладкам, равна σ. Поскольку в глубине диэлектрика, как видно из рисунка 4.1, положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируют друг друга, электрический момент всего объема диэлектрика определяется произведением заряда у каждой обкладки, равного σ·S, на расстояние между обкладками h. Объем диэлектрика можно найти как S·h, тогда поляризованность будет равна

(4.3)

где р_i – электрический момент i-той частицы в элементарном объеме ΔV;

N – количество частиц в ΔV.

Таким образом, поляризованность однородного плоского диэлектрика в равномерном электрическом поле численно равна поверхностной плотности связанных зарядов в нем.

У обычных линейных диэлектриков поляризованность пропорциональна напряженности внешнего поля Е:

(4.4)

Безразмерный параметр χ называется электрической восприимчивостью вещества.

В изотропных веществах направления векторов Р и Е совпадают. Для анизотропных диэлектриков (кристаллы, текстуры) направление Р образует с направлением Е некоторый угол.

Электрическая восприимчивость χ и относительная диэлектрическая проницаемость ε связаны между собой. Эту связь можно вывести через еще одну физическую характеристику поля – электрическое смещение D:

(4.5)

В то же время электрическое смещение может быть найдено через поляризованность Р:

(4.6)

Тогда, приравняв правые части формул (4.5) и (4.6), подставив вместо Р его выражение из (4.4) и сократив ε₀, получим искомую связь в виде

(4.7)

Для любого вещества ε > 1, т.к. χ – положительная величина. Только для вакуума χ = 0 и, следовательно, ε = 1. У газов, плотность которых мала и число поляризующихся частиц в единице объема незначительно, ε ≈ 1 (например, для воздуха при нормальных условиях давления и температуры ε = 1,00058). Для жидких и твердых тел ε составляет единицы, десятки и даже более того.

Значение ε характеризует способность диэлектрика образовывать электрическую емкость. Емкость участка изоляции:

(4.8)

где Λ – приведенная длина участка изоляции.

Для тела с постоянным по всей длине поперечным сечением S и длиной h (например, жила провода или кабеля, диэлектрик плоского конденсатора):

(4.9)

а для цилиндра с внешним и внутренним диаметрами D и d соответственно и осевой длиной l (например, диэлектрик цилиндрического конденсатора или изоляция коаксиального кабеля):

(4.10)

Поэтому относительную диэлектрическую проницаемость ε можно определить как число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора при заполнении его данным диэлектриком, а абсолютную диэлектрическую проницаемость ε_а – как удельную емкость конденсатора.

Параметр ε характеризует также способность вещества накапливать электростатическую энергию:

(4.11)

где С – емкость участка изоляции;

U – напряжение между электродами.

Кроме того, ε вместе с относительной магнитной проницаемостью μ, определяет условия распространения электромагнитных волн в различных средах. Скорость света (электромагнитной волны) в вакууме:

(4.12)

где μ₀ = 4π·10 -7 Г/м – магнитная постоянная.

Скорость электромагнитной волны в веществе:

(4.13)

Отношение скоростей света в вакууме и в веществе с/v есть абсолютный показатель преломления n вещества; следовательно,

(4.14)

Большинство диэлектриков относится к немагнитным материалам, т.е. для них μ ≈ 1 и

(4.15)

Таким образом, при одном и том же периоде колебаний Т, волна распространяется в веществе медленнее, чем в вакууме, а ее длина λ в веществе меньше, чем в пустоте λ₀:

(4.16)

Волновое сопротивление диэлектрика Z₀, т.е. отношение модулей напряженностей электрического поля Е и магнитного поля Н электромагнитной волны в диэлектрике, определяется выражением:

(4.17)

Если рассматривать не макроскопический (т.е. содержащий весьма большое число молекул) объем диэлектрика, а отдельную молекулу или другую способную поляризоваться частицу, то для линейных диэлектриков индуцированный электрический момент частицы р_и определяется как

(4.18)

где α – поляризуемость частицы.

Если в единице объема диэлектрика содержится N частиц с поляризуемостью α каждая, то поляризованность будет определяться как

(4.19)

что при сопоставлении с выражением (4.4) дает

(4.20)

или, с учетом (4.7), относительная диэлектрическая проницаемость будет равна

(4.21)

т. е. она зависит от поляризуемости частиц и их содержания в единице объема вещества.

С улучшением условий для протекания поляризационных процессов, число заряженных частиц, которые находятся на обкладках конденсатора, возрастает. Подобное качество постепенного накопления энергии получило название диэлектрической проницаемости K или относительной диэлектрической проницаемости вещества ε_r.

Что такое поляризация

Явление возникает тогда, когда в изоляционном материале из-за наличия внешнего электрического поля образуется дипольный момент. Когда ток взаимодействует с диэлектрическим (изолирующим) материалом, последний реагирует сдвигом в распределении заряженных частиц, при этом позитивно заряженные частицы выстраиваются в направлении существующего поля, а негативно заряженные – в обратном направлении. Схема размещения зарядов не зависит от конструкции конденсатора.

Поляризация диэлектриков является термином, который применяется для описания поведения материала с подобными свойствами, располагающегося во внешнем поле. Существующие частицы взаимодействуют с электрическим полем, имеющемся на пластинах конденсатора, в результате чего образуются электрически связанные частицы. Они формируются вследствие контакта конденсаторных пластин конденсатора, а свободные заряды в это же время получают возможность свободного передвижения. Используя модель конденсатора, представляется возможным определить значение диэлектрической проницаемости. Для этого вычисляют показатель относительной проницаемости, используя значение ёмкости так называемого эталонного конденсатора. Эта ёмкость обычно соотносится с показателем диэлектрической проницаемости вакуума.

Понятие диэлектрической проницаемости является одним из определяющих терминов в электростатике. Он однозначно связан с электронной поляризуемостью материалов - явлением, которое управляет всеми механизмами диэлектрической поляризации.

Интенсивность поляризационных процессов Р, протекающих в любом диэлектрике, является отношением суммарного дипольного момента к единице объёма конденсатора:

где ε₀ - константа, которая именуется показателем диэлектрической проницаемости абсолютного вакуума.

Итоговая интенсивность поляризационных процессов, которые протекают в диэлектриках, представляет собой векторную сумму нескольких источников: смещения электронов P_э, смещения ионов P_и, переориентации диполей P_д, и смещения заряда в пространстве P_п:

Поэтому важно знать, в какой мере виды поляризации диэлектриков влияют на их значение в действующих электрических полях разной мощности.

Типы поляризации диэлектриков

Для каждой разновидности поляризационных процессов характерны собственные характеристики времени, которые зависят от показателя частоты имеющегося электрического поля. Быстрее всего реализуется механизм электронного смещения, что чаще всего и случается в высокочастотных полях. Ионная и, тем более, дипольная поляризация возникают при меньшей частотности, поэтому диэлектрическая проницаемость не относится к числу электрофизических констант. Однако при возрастании частоты показатель диэлектрической проницаемости, как правило, снижается, а механизмы её действия теряют первоначальную интенсивность.

Влияние частоты обуславливается сдвигом по фазе на 90 градусов параметров напряжения и тока на идеальном конденсаторе в цепях переменного тока. Фактические материалы-диэлектрики, которые имеются в распоряжении инженеров, характеризуются различного рода дефектами, наличие которые обуславливает дополнительные диэлектрические потери. В частности, значение угла запаздывания, который определяет расхождение между реальным и идеальным токами в конденсаторе получило название тангенса потерь (tg δ) или коэффициента рассеяния. С ростом характеристик диэлектрических констант фактические значения тангенса потерь обычно увеличиваются.

Частота, на которой используется диэлектрик, определяет влияние механизмов поляризации, отображаемое его материалом. При постоянном мониторинге за сменой показателей электрического поля в переменном контуре возможны три варианта:

Когда продолжительность релаксации лишь немного больше, чем инверсия поля, ионы вообще не могут следовать за полем, следовательно, потери невелики;
Когда продолжительность релаксации намного быстрее, чем поле инверсии, рассматриваемые процессы могут легко следовать за частотой поля, но потери по-прежнему невелики;
Если время релаксации и частота поля одинаковы, процессы следуют за полем с некоторым запаздыванием, а генерируемые потери являются максимальными.

Таким образом эффективность диэлектрика минимальна тогда, когда фактический период релаксации не зависит от характеристик поля. Эти свойством обладают, в частности, диэлектрические композиции из керамических материалов, которые практически всегда являются поликристаллами. В электростатических системах повышенной и высокой частоты такой показатель называют Q-фактором; он считается величиной, которая обратна показателю тангенса потерь.

Электронная

Возникает одновременно при активном воздействии электрического поля. В этом случае ядро атома вместе с его электронным облаком движутся во взаимно противоположных направлениях. В результате они удаляются друг от друга, а образующийся диполь обладает крайне малыми размерами. Соответственно эффект поляризации, если и возникает, то имеет весьма незначительные объём и влияние.

Рассматриваемый вид поляризации характеризуется небольшим относительным сдвигом позитивного и негативного заряда, которые перемещаются во взаимно обратных направлениях. Электронная поляризация активна, если имеющееся электрическое поле деформирует область негативно заряженных электронов, которые расположены у позитивно заряженных ядер. Существуют материалы, молекулы которых находятся в состоянии перманентной поляризации. Причина этого явления – наличие сильных и постоянных химических связей. Например, в воде электронный тип поляризации обусловлен молекулами, которые непрерывно вращаются под влиянием сильного электрического поля. В данном случае явление поляризации диэлектриков вызывает э дипольный момент, равный промежутку между центрами смещения негативных и позитивных зарядов, умноженному на их количество. Значение показателя электронной поляризации Р может быть вычислено как величина дипольного момента p, которая отнесена к единице объёма V поляризованного материала

Ионная

В некоторых твёрдых веществах-диэлектриках, например, в керамике, ионы в кристаллической решетке размещаются симметрично, естественно, что в таком случае поляризация отсутствует. Но, если ввести в такое электрическое поле некоторое количество положительно и отрицательно заряженных частиц, то их притягивание будет осуществляться в разных направлениях. Этим вызывается ионная поляризация, вызывающая изменения диэлектрических констант.

Всегда имеется некоторое расстояние между смежными ядрами в молекуле твёрдого тела-диэлектрика, поэтому в молекуле всегда наличествует дипольный момент, который не зависит от характеристик внешнего электрического поля. внешнего электрического поля. Как известно, молекулы поваренной соли имеют только два иона, поэтому в каждой молекуле появляется свой дипольный момент, направление которого – от негативно до позитивно заряженного иона.

Дипольная

Существует много ионных соединений, у которых более двух атомов. В этих случаях количество ионных связей, и, следовательно, моментов, также увеличивается. Результирующий параметр (который заключается в разделении позитивно и негативно заряженных частиц в структуре отдельной молекулы) будет являться векторной суммой отдельных дипольных моментов.

В том случае, когда молекула имеет центр симметрии, равнодействующий дипольный момент молекулы равен нулю. Чистый дипольный момент молекулы присутствует только в асимметричных молекулярных структурах. Эту величину называют постоянным дипольным моментом, поскольку он присутствует там даже тогда, когда внешнее поле отсутствует.

Некоторые твёрдые тела обладают постоянными молекулярными диполями. Они вращаются, создавая при этом средний дипольный момент, который направлен в направлении приложенного поля. Дипольная ориентация часто встречается в полимерных материалах, атомная структура которых допускает подобную переориентацию.

Самопроизвольная

Этот вид электрической поляризации характерен для некоторых непроводящих кристаллов или диэлектриков, у которых отмечается разделение центра положительного и отрицательного электрического заряда. Таким образом, одна сторона кристалла имеет положительный заряд, а противоположная – отрицательный. Направление такой поляризации может быть изменено приложением соответствующего электрического поля. Таие материалы называются сегнетоэлектриками. Типичным примером сегнетоэлектричества являются процессы, происходящие в кристаллах титаната бария BaTiO₃ . Эта соль состоит из кристаллов, структурными единицами которых являются крошечные электрические диполи, т.е., в каждом блоке центры положительного заряда и отрицательного заряда разделены. Иногда эти диполи спонтанно выстраиваются в кластеры, называемые доменами, причём в сегнетоэлектриках домены с помощью сильного внешнего электрического поля ориентируются преимущественно в одном направлении. Обращение внешнего поля меняет преобладающую ориентацию сегнетоэлектрических доменов на противоположную, но переключение на новое направление отстаёт от изменения внешнего электрического поля. Это отставание называется сегнетоэлектрическим гистерезисом.

Выше характерной температуры, называемой температурой точки Кюри, явление сегнетоэлектричества исчезает, потому что тепло интенсивно встряхивает диполи и тем самым преодолевает силы, самопроизвольно выравнивающие их.

Механизмы поляризации диэлектриков, кроме описанных, реализуются и в форме межфазной поляризации. В керамических материалах это явление возникает из-за посторонних зарядов, которые возникают из-за загрязнений или неправильной геометрии на границах раздела поликристаллических твердых тел. Эти заряды частично подвижны, поэтому перемещаются под действием приложенного поля.

Читайте также: