Поляризация диэлектриков

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Бийский технологический институт

(филиал) ФГБОУ ВПО

«Алтайский  государственный 

технический университет

  им. И.И. Ползунова»

(БТИ  АлтГТУ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

  На тему: Поляризация диэлектриков

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы ПС-11

Комарова.А.В.

 

Проверил:

доцент

Шалунов А. В.

 

 

 

 

2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1 Понятие поляризации 3

2 Механизмы поляризации 4

3 Виды поляризации 5

3.1 Электронная поляризация 5

3.2 Ионная поляризация 6

3.3 Упруго-дипольная поляризация 7

3.4 Ионно-релаксационная поляризация 8

3.5 Дипольно-релаксационная поляризация 9

3.6 Миграционная (межслоевая) поляризация 11

3.7 Электронно-релаксационная поляризация 11

3.8 Поляризация ядерного смещения 12

3.9 Остаточная (электретная) поляризация 12

3.10 Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация 13

3.11 Пьезоэлектрическая поляризация 14

4 Классификации диэлектриков 15

5  Виды поляризации по скорости протекания процесса 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Суть явления поляризации заключается  в том, что под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды диэлектрика смещаются в направлении  действующих на них сил и тем  больше, чем выше напряженность поля.

Свое применение в электротехнических приборах диэлектрики нашли за счет способности поляризоваться [1].

Диэлектриком называют "вещество, основным электрическим свойством  которого является способность  поляризоваться в электрическом поле" и в  котором возможно существование  электростатического поля, так как  электрические заряды его атомов, молекул или ионов связаны

. Используемые же на практике  диэлектрики содержат и свободные  заряды, которые, перемещаясь в  электрическом поле, обуславливают  электропроводность на постоянном  токе [2].

1. Понятие поляризации

 

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул, возникающая в любом диэлектрике при воздействии электрического поля.[3]

Выделяют  два определения поляризации:

1. Свойство световых и электромагнитных колебаний размещаться в одной определенной плоскости. Плоскость поляризации падающего луча.
2. Отложение на электродах различных веществ, ослабляющих силу тока. Поляризация электродов.

В зависимости  от механизма или порядка смещения электрических зарядов различают  следующие виды поляризации:

1. Электронная поляризация;
2. Ионная поляризация;
3. Упруго-дипольная поляризация;
4. Ионно-релаксационная поляризация;
5. Дипольно-релаксационная поляризация;
6. Миграционная (межслоевая) поляризация;
7. Электронно-релаксационная поляризация;
8. Поляризация ядерного смещения;
9. Остаточная (электретная) поляризация;
10. Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация;
11. Пьезоэлектрическая поляризация [4].

2. Механизмы поляризации

 

Значение  емкости конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический  заряд обусловлены несколькими  механизмами поляризации, которые  различны у разных диэлектриков и  могут иметь место одновременно у одного и того же материала.

 

На рисунке 1 представлена эквивалентная схема диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, можно представить в виде ряда подключенных параллельно к источнику напряжения  конденсаторов.

В зависимости  от характера химической связи различают  следующие 3 основные механизмы поляризации  диэлектриков: электронную, ионную и  дипольную (ориентационную).

Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и превалирует в кристаллах с  ковалентной связью. Под действием  внешнего электрического поля P происходит смещение электронов атома относительно его ядра (деформация его электронной  оболочки) и возникают индуцированные диполи. Диэлектрические свойства индуцированных диполей относятся к числу  резонансных явлений.

     Электронный механизм поляризации  является наименее инерционным,  т.к. масса электрона значительно  меньше массы частиц, участвующих  в процессе поляризации. Время  установления электронной поляризации  составляет ≈ 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний [4].

3. Виды  поляризации

3.1 Электронная поляризация

 

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации. Время восстановления составляет 10^-13 сек.

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана  с потерями энергии до резонансных  частот. Значение диэлектрической проницаемости  вещества с чисто электронной  поляризацией численно равно квадрату показателя преломления света. Поляризуемость частиц при электронной поляризации  не зависит от температуры, а диэлектрическая  проницаемость  уменьшается с  повышением температуры в связи  с тепловым расширением диэлектрика  и уменьшением числа частиц в  единице объема. Кривая зависимости  от температуры подобна кривой изменения  плотности; причем наиболее резкие снижения наблюдаются при переходах вещества из твердого состояния в жидкое и  из жидкого в газообразное, как  показано на рисунке 2.

Рисунок 2 –  Переход вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное

 

        

а)      б)

а) под напряжением; б) без напряжения;

Рисунок 3 –  Поляризация атомов

 

На рисунке 3 показано графическое изображение  поляризации атомов.

Как мы видим орбиты электронов вытягиваются под действием напряжения [4].

3.2 Ионная поляризация

 

Ионная поляризация - наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время электронной поляризации весьма мало - на 2 - 3 порядка больше электронной поляризации.

В диэлектриках с ионным типом химической связи под действием электрического поля происходит смещение положительных  ионов относительно отрицательных. Время установления ионной поляризации  составляет обычно 10^-14 – 10^-15 с. Это означает, что данная поляризация полностью успевает устанавливаться в переменных полях, включая сверхвысокочастотные (10¹⁰ - 10¹¹ Гц). В то же время в инфракрасной области спектра наблюдается запаздывание в установлении ионной поляризации.

Диэлектрическая проницаемость увеличивается  с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для керамического  материала - электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы [5].

Рисунок 4 – Ионная поляризация молекулы

 

На рисунке 4 представлена схема  ионной поляризации молекулы.

3.3 Упруго-дипольная поляризация

 

Во многих диэлектриках имеются  молекулы, которые обладают собственным электрическим моментом. При изменении направления ориентации диполей во внешнем электрическом поле возникают упругие возвращающие силы.

В газах и жидкостях полярные молекулы разориентированы за счет теплового  движения, так что результирующая поляризация равна нулю. Под действием  внешнего поля устанавливается некоторая  преимущественная ориентация диполей  в направлении поля.

Во внешнем электрическом поле имеет место упругое отклонение дипольных моментов от равновесной ориентации, как это показано на рисунке 5.

Рисунок 5 – Упругий поворот диполя  во внешнем поле

 

Когда диполи связаны достаточно жестко, при наложении  внешнего электрического поля происходят упругие изменения в их направлении.

Поляризуемость  зависит от электрического момента каждой молекулы, энергии межмолекулярных связей и направления электрического поля. Когда внутреннее и внешнее поля параллельны, поляризуемость равна нулю. Поэтому вклад упругой дипольной поляризации может обуславливать анизотропию диэлектрической проницаемости [5,6].

3.4 Ионно-релаксационная поляризация

 

Наблюдается в неорганических стеклах и в  некоторых ионных веществах с  неплотной упаковкой ионов. В  этих случаях слабо связанные  ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля получают избыточные  перебросы в направлении поля, как показано на рисунке 6.

С повышением температуры поляризация значительно  увеличивается.

Рисунок 6 – Зависимость потенциальной энергии иона от расстояния при внешнем электрическом поле

В отсутствие внешнего электрического поля все направления  перебросов ионов через потенциальный  барьер равновероятны. Поэтому распределение  ионов равномерно.

Рисунок 7 – Зависимость потенциальной энергии иона от расстояния при наличии внешнего поля

 

Из  рисунка 7 следует, что вероятность перескока иона из положения 1 в положение 2 увеличивается, а вероятность обратных перескоков уменьшается. Это происходит потому, что за счет наложения поля потенциальный барьер в первом случае уменьшается на ∆U, а во втором – увеличивается на ∆U [4,6].

 3.5 Дипольно-релаксационная поляризация

 

Если в диэлектрике имеются  полярные молекулы и связь между  ними невелика, то под действием  поля они могут относительно легко  поворачиваться. Ориентации диполей  в поле препятствует тепловое движение. В результате возникает дипольная  поляризация, зависящая от теплового  движения.

При низких температурах ориентация молекул электрическим полем  затруднена, поэтому диэлектрическая  проницаемость невелика, график зависимости показан на рисунке 8. При повышении температуры время релаксации уменьшается из-за уменьшения вязкости, ориентация молекул облегчается, что приводит к увеличению интенсивности дипольно-релаксационной поляризации и резкому росту диэлектрической проницаемости, которая, после достижения максимума, уменьшается, приблизительно обратно пропорционально температуре за счет роста теплового движения молекул, препятствующего упорядочению полярных молекул (диполей).

Рисунок 8 – Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для жидкого полярного диэлектрика при различных температурах (1 - 20^оС, 2 - 40^оС, 3 - 60^оС)

 

При повышении температуры время  релаксации уменьшается из-за уменьшения вязкости, ориентация молекул облегчается, что приводит к увеличению интенсивности  дипольно-релаксационной поляризации  и резкому росту диэлектрической  проницаемости, которая, после достижения максимума, уменьшается, приблизительно обратно пропорционально температуре  за счет роста теплового движения молекул, препятствующего упорядочению полярных молекул (диполей).

Рисунок 9 – Ориентация диполя в электрическом поле

 

Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если молекулы силы не мешают диполям ориентироваться  вдоль поля, как на рисунке 9 [6,7].

3.6 Миграционная (межслоевая) поляризация

  

Миграционная  поляризация протекает в твердых  телах неоднородной структуры при  макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии. Эта  поляризация проявляется при  низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой  поляризации являются проводящие и  полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев  с различной проводимостью и  т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в при электродных  слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной

Поляризации [4].

3.7 Электронно-релаксационная поляризация

 

   Электронно-релаксационная поляризация характерна для твердых диэлектриков, содержащих дефекты или примесные ионы, способные захватывать электроны. Такие захваченные на "ловушках" электроны или дырки при отсутствии электрического поля могут под действием тепловых флуктуаций переходить из одного вероятного положения в другое. При этом суммарный электрический момент единицы объема диэлектрика будет равен нулю.

Рисунок 10 – Двухмерная модель структуры рутила, содержащая анионную вакансию

 

Во внешнем  электрическом поле такие переходы будут осуществляться преимущественно  в направлении поля и в объеме диэлектрика индуцируется электрический  дипольный момент, т.е. будет происходить  поляризация. Для примера на рисунке 10 показана модель структуры рутила [4].

3.8 Поляризация ядерного смещения

 

Поляризация ядерного смещения возникает за счет смещения ядер в атомах и молекулах  под действием электрического поля. Под действием электрического поля ядра смещаются на некоторое расстояние от своего первоначального положения, что вызывает асимметрию в распределении  электрических зарядов.  Относится  к мгновенным поляризациям (10~13 сек) и не зависит от частоты и температуры, как и электронная [4].