Виды поляризации диэлектриков
Существо поляризации большинства диэлектриков состоит в возникновении электрического (дипо́льного) момента в объёме диэлектрика вследствие перемещения связанных электрических зарядов (зарядов, связанных в атомах, молекулах, кристаллической решётке) под действием внешнего электрического поля. Объясним этот механизм поляризации на примере поляризации атома. Перед приложением внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды в атоме распределены так, что внешне атом проявляет себя как электрически нейтральный. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов при этом совпадают. При воздействии внешнего электрического поля симметрия в распределении зарядов нарушается, возникает индуцированный элек трический момент. Центр тяжести положительных зарядов при этом смещается в направлении напряженности внешнего поля, а центр тяжести отрицательных зарядов – в противоположном направлении. Такой механизм поляризации называется электронной поляризацией. Смещение центра тяжести отрицательных зарядов пропорционально напряженности внешнего поля. Проследим, как этот механизм проявляется на временной зависимости электрического тока поляризации в течение одного периода (рисунок 4.3).
Рисунок 4.3 – Изменение во времени электрического тока поляризации диэлектрика с электронной поляризацией
В первой четверти периода напряжённость внешнего поля непрерывно возрастает и в момент t = T/4 достигает максимума. Тотчас после приложения поля центр тяжести отрицательных зарядов отклонится и через диэлектрик потечёт относительно большой ток. При дальнейшем возрастании напряжённости поля смещение центра тяжести хотя и увеличивается, но все медленнее, так как поле должно преодолевать всё большие упругие силы. Поэтому ток постепенно уменьшается. При t = T/4 ток становится равным нулю и смещение электронов против направления напряжённости внешнего поля заканчивается. С этого момента направление движения электронов изменится, так как упругие силы связи стремятся возвратить их в исходное положение. Поэтому при уменьшении напряжённости внешнего поля ток течёт в обратном направлении и постепенно увеличивается. При t = T/2 центры тяжести зарядов находятся в исходном положении. Во втором полупериоде процесс повторяется с той разницей, что заряды смещаются в направлении, обратном направлению их смещения в первом полупериоде. Этот процесс периодически повторяется. Время, в течение которого заряды в атомах способны реагировать на внешнее поле, очень мало и имеет порядок 10-15 с, то есть реакция почти мгновенна, поэтому вектор тока опережает вектор напряжения на 90°. При других типах поляризации это время больше, так как механизм поляризации является иным. Часто речь идёт о смещении более тяжёлых частиц, встречающих сопротивление среды. В таких случаях опережение вектора тока по отношению к вектору напряжения меньше 90°. Каким бы ни был физический механизм при различных типах поляризации, внешне поляризация проявляется всегда одинаково, т.е. как нарушение симметрии распределения электрических зарядов в диэлектрике. Заряды противоположных знаков, смещённые внешним полем со своих равновесных положений, образуют электрические диполи, поле которых действует навстречу причине их возникновения и способно скомпенсировать часть внешнего электрического поля. Поле диполей связывает часть зарядов на электродах. В общем случае электрическая поляризация представляет собой комплекс явлений, связанных с различными механизмами поляризации и происходящих на микроскопическом уровне. Основным механизмом поляризации можно считать упругое смещение частиц в диэлектрике. Поляризация такого типа называется упругой. При упругом смещении электронов в атомах говорят об упругой электронной по ляризации. При взаимно упругом смещении противоположно заряженных ионов в кристаллической решётке ионных кристаллов говорят об упругой ионной поляризации. В случае упругого смещения противоположно заряженных частиц в молекуле с постоянным дипольным моментом говорят об упругой дипольной поляризации. Общим признаком таких механизмов поляризации является то, что поляризация происходит очень быстро и без потерь. Может случиться, что индуцированный электрический момент возникает в результате смещения слабосвязанных частиц (электронов или ионов), которые не связаны упругими силами, или в результате ориентации постоянных диполей в направлении внешнего поля. Реакция этих частиц на изменения внешнего поля уже не такая быстрая, как в случае поляризации упругого типа. После исчезновения внешнего поля частицы возвращаются в исходное положение не мгновенно, а через определённое время, и не под действием упругих сил связи, а в результате хаотического теплового движения. Такие механизмы поляризации называются релаксационнымии характерны тем, что сопровождаются потерями электрической энергии и сильно зависят от интенсивности теплового движения, т. е. от температуры. К этим основным механизмам поляризации в некоторых специальных случаях добавляются особые типы поляризации – миграционная и спонтанная. Миграционная поляризациязаключается в возникновении индуцированного дипольного момента вследствие смещения свободных зарядов, которые не имеют возможности нейтрализации на электродах. Такие заряды концентрируются под действием внешнего поля на блокирующих барьерах различного характера и образуют пространственные заряды, поле которых внешне проявляет себя как поляризация особого вида. Это типично для неоднородных диэлектриков. Спонтанная поляризациязаключается в ориентации спонтанно (самопроизвольно) образовавшихся электрических моментов в направлении внешнего электрического поля. Это типично для сегнетоэлектриков. Оба особых типа поляризации имеют нелинейныйхарактер. О релаксационном характере поляризации можно говорить в узком и широком смысле. В узком смысле релаксационной поляризацией считается такая поляризация, при которой зависимость поляризованности от времени после приложения или снятия внешнего постоянного поля имеет экспоненциальный характер и описывается выражениями (4.1) или (4.2). После приложения поля поляризованность растёт во времени , (4.1) где Pr(t) – релаксационная поляризованность в момент t; Pr ∞(t) – релаксационная поляризованность в установившемся состоянии; Т – постоянная времени; e – основание натуральных логарифмов (e =2,718). После снятия внешнего поля релаксационная поляризованность уменьшается согласно формуле . (4.2) Кривые изменения релаксационной поляризованности во времени при приложении и снятии внешнего поля показаны на рисунке 4.4. Важным параметром процесса релаксационной поляризации является постоянная времени Т. Она равна времени, за которое релаксационная поляризованность после снятия электрического поля уменьшается до 1/е, то есть приблизительно до 37% первоначального уровня. Неполярнымисчитаются такие диэлектрики, частицы которых не имеют постоянного дипо ́ льного моментаи у которых могут возникать только индуцированные дипо́льные моменты под действием внешнего электрического поля. Основной вопрос в том, является ли молекула материала полярной или неполярной, принадлежит характеру химических связей и ориентации дипо́лей. Если эти связи без дипо́льного момента, то есть чисто ковалентные, или если эти связи – переходного типа с дипо́льными моментами, которые ориентированы так, что взаимно компенсируются; центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекулах материала совпадают и материал является неполярным. На практике к неполярным материалам относят и такие полярные материалы, у которых полярность очень слабо выражена, то есть молекулы имеют лишь малый постоянный дипо́льный момент.
Рисунок 4.4 – Изменение во времени поляризованности при релаксационном характере поляризации: a – при возникновении; б – при исчезновении К неполярным электроизоляционным материалам относятся поли этилен, политетрафторэтилен, полистирол, парафин и др. Слабополярным является нефтяное (минеральное) масло. Полярнымисчитаются такие материалы, молекулы которых и без воздействия внешнего электрического поля имеют электрический момент (собственный, или постоянный, дипо́льный момент). Это молекулы, в которых отдельные атомы связаны полярными связями со взаимно нескомпенсированными дипо́льными моментами связей. К полярным материалам относятся целлюлоза, поливинилхлорид, хлорированные дифенилы и др. Поляризованностьдиэлектрика равна индуцированному диполь-моменту единицы объёма диэлектрика, т. е является суммой элементарных дипо́льных моментов в единице объёма Способность диэлектрика к поляризации можно охарактеризовать тремя величинами – поляризуемостью, диэлектрической восприимчивостьюи относительной диэлектрической проницаемостью. В технике чаще всего используется относительная диэлектрическая проницае мость. Поляризуемость связана с поляризованностью диэлектрика P = NαE , (4.3) где Р – поляризованность; N – концентрация индуцированных диполей; α – поляризуемость; Е – напряжённость постоянного электрического поля. Относительная диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость диэлектрика связаны с поляризованностью , (4.4) где – диэлектрическая постоянная ( =8,854·10-12 Ф/м); – относительная диэлектрическая проницаемость; – диэлектрическая восприимчивость. Из сравнения выражений (4.3)и (4.4)следует соотношение между относительной диэлектрической проницаемостью, относительной диэлектрической восприимчивостью и поляризуемостью диэлектрика . (4.5)
Популярное: Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (268)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |