Поляризация диэлектриков

3.9 Остаточная (электретная) поляризация

 

У многих диэлектриков поляризованное состояние, созданное каким-либо способом, можно  зафиксировать так, что оно сохраняется  после выключения внешнего поля без  всяких посторонних воздействий  в течение длительного времени. Такие диэлектрики получили название электретов. Электронное состояние  может быть создано различными методами. В соответствии с этим электреты  делятся на:

1. Термоэлектреты;
2. Фотоэлектреты;
3. Электроэлектреты;
4. Магнитоэлектреты;
5. Трибоэлектреты;
6. Механоэлектреты;
7. Радиоэлектреты.

Электрет  создает в окружающем пространстве электрическое поле, подобно магниту, являющемуся источником постоянного  магнитного поля. Электретное состояние  является метастабильным.[4]

Термоэлектреты  получают следующим образом. При  повышенной температуре диэлектрик поляризуется в сильном внешнем  поле, а затем в этом же поле охлаждается. В результате такой обработки  поляризованное состояние оказывается «замороженным. Поляризованноес остояние термоэлектрета может сохраняться в течение многих лет. Нагрев термоэлектрета при Е=0 приводит к его деполяризации.

Фотоэлектреты формируют из диэлектриков, обладающих повышенной фотопроводимостью, при  одновременном воздействии электрического поля и света. Фотоэлектретное состояние  может быть ликвидировано сильным  электрическим полем. При одновременном  воздействии электрического и магнитного поля может быть получен магнитоэлектрет.

Электро-, трибо-, механо-, и радиоэлектреты получают при воздействии лишь одного фактора: соответственно, сильного электрического поля, трения,  механической деформации и радиационных воздействий.[8]

3.10 Спонтанная (сегнетоэлектрическая) поляризация

 

В некоторых  классах полярных ионных кристаллов и веществах в определенном температурном  интервале наблюдаются фазовые  переходы без изменения агрегатного  состояния, в процессе которых происходит существенная перестройка их структуры. Такая перестройка, не нарушая физически  и химически однородное строение вещества, приводит к существенному  изменению электрических свойств  диэлектриков (проводимости, диэлектрической  проницаемости), оптической активности и др. Вблизи фазовых переходов, возникающих  при изменении параметров окружающей среды, данные параметры могут изменяться резко, иногда на несколько порядков по величине. Такие фазовые переходы, при которых неполярные вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят в полярное состояние, называют сегнетоэлектрическими.

Неполярная  фаза, как правило, является более  высокотемпературной, чем полярная, но в каждом сегнетоэлектрическом веществе фазовые переходы имеют свои особенности.[4]

3.11 Пьезоэлектрическая поляризация

 

В диэлектриках с нецентросимметричной структурой, индуцированной внешним полем, возможна вынужденная поляризация, при которой дипольный момент возникает под действием механических напряжений.

Появление поляризации в диэлектрике  под действием механических напряжений называется прямым пьезоэффектом. Кроме  прямого пьезоэффекта существует и  обратный. Он заключается в том, что  при наложении внешнего электрического поля кристалл несколько сжимается  или расширяется. Пьезоэффект наблюдается  во всех нецентросимметричных кристаллах. Под действием механических напряжений происходит смещение заряженных частиц и, таким образом, возникает дипольный  момент. Смещение частиц в кристаллах с центром симметрии не приводит к появлению поляризованного  состояния, т. к. в этом случае в силу наличия центра симметрии происходит электрическая компенсация моментов, образованных за счет смещения положительно и отрицательно заряженных частиц.

Механизм возникновения пьезополяризации в кварце показан на рисунке 11.

Рисунок 11 – Механизм возникновения пьезополяризации в кварце:  – элементарная ячейка при отсутствии внешних воздействий, – ячейка растянута,     – ячейка сжата.

 

Пьезоэлектрики находят применение в качестве мощных излучателей и  чувствительных приемников ультразвука, стабилизаторов частоты, электрических  фильтров высоких и низких частот, трансформаторов напряжений и тока.

4. Классификации диэлектриков

 

Классификация диэлектриков по виду поляризации:

1. Линейные диэлектрики;
2. Нелинейные диэлектрики;
3. Неполярные диэлектрики;
4. Полярные диэлектрики;
5. Ионные диэлектрики.

Линейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, применяемым в основном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов.

Нелинейные  диэлектрики относят к активным диэлектрикам, параметры которых  зависят от величины приложенной  разности потенциалов. Емкостью конденсатора с нелинейным диэлектриком можно  управлять электрическим полем.

Неполярные  диэлектрики (нейтральные) — состоят  из неполярных молекул, у которых  центры тяжести положительного и  отрицательного зарядов совпадают. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных, являются углеводородные материалы, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. В неполярных однородных диэлектриках наблюдается только электронная  поляризация. Если материал является  неоднородным, то кроме электронной  поляризации в диэлектрике также  наблюдается миграционная поляризация.

Полярные  диэлектрики (дипольные) — состоят  из полярных молекул, обладающих электрическим  моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных  зарядов не совпадают. К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные  и эпоксидные смолы, кремнийорганические  соединения, хлорированные углеводороды и др. В полярных однородных диэлектриках наблюдается электронная и дипольно-релаксационная поляризации. Если материал является  неоднородным, то в нем также наблюдается  миграционная поляризация.

Ионные  соединения  представляют собой  твердые неорганические диэлектрики  с ионным типом химической связи. Для  этой группы соединений характерны  кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на  электронную и ионную поляризации. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов в решетке имеют также и ионно-релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др. [4].

5  Виды поляризации по скорости протекания процесса

 

1. Быстрые поляризации:
1. Электронная;
2. Ионная;
2. Замедленные поляризации:
1. Дипольно-релаксационная поляризация;
2. Ионно-релаксационная поляризация;
3. Электронно-релаксационная поляризация;
4. Миграционная поляризация;
5. Спонтанная поляризация;

Быстрые поляризации - это упругие поляризации, которые происходят практически  мгновенно, без потерь энергии приложенного электрического поля, то есть без выделения  тепла в диэлектрике. Быстрые (деформационные) поляризации обусловленные упруго связанными частицами. Упруго связанные  частицы имеют одно положение  равновесия, около которого они совершают  тепловые колебания, и под действием  приложенного поля они смещаются  на небольшие расстояния

Замедленные поляризации - это релаксационные поляризации, которые происходят не мгновенно, с  потерями энергии приложенного электрического поля, с выделением тепла в материале. Замедленные поляризации обусловленные  слабо связанными частицами. Слабо  связанные частицы имеют несколько  положений равновесия, в которых  они в отсутствие электрического поля могут находиться равновероятно. Переход слабо связанных частиц из одного равновесного положения в  другое осуществляется под действием  флуктуации теплового движения. Слабо  связанная частица какое-то время  колеблется около положения равновесия, затем под действием флуктуации скачком меняет это положение  равновесия на другое. Время нахождения частицы в определенном положении  равновесия зависит от высоты потенциального барьера между данными положениями  равновесия. Смещение слабо связанных  частиц происходит на гораздо больше расстояния, чем смещение упруго связанных частиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Различают поляризацию, возникающую  под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствии поля. В  некоторых случаях поляризация  диэлектриков проявляется под действием  механических напряжений. Способность  различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется  относительной диэлектрической  проницаемостью. Осуществляется благодаря  сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных  атомов, молекул, ионов, либо ориентации электрических диполей, существовавших в диэлектрике и в отсутствие электрического поля.

В любом веществе, независимо от наличия  или отсутствия в нем свободных  электрических зарядов, всегда имеются  связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные  заряды в диэлектрике смещаются  из своих равновесных состояний: положительные - в направлении вектора  напряженности поля , отрицательные - в обратном направлении.

У разных материалов разная диэлектрическая  проницаемость. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока — около 80.

 

 

 

 

 

 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Введение в электробезопасность [Electronic resource]. – Режим доступа: http://www.electricsafety.ru/article5.php
2. Консультационный центр MATLAB [Electronic resource]. – Режим доступа:  http://matlab.exponenta.ru/pde/book6/3.php
3. Агеева Н.Д. Электротехническое материаловедение [Текст] / Н.Г. Винаковская, В.Н. Лифанов – Дальневосточный государственный технологический университет, 2006, С. 7.
4. Электронный каталог о образовательных ресурсов [Electronic resource]. Режим доступа: http://ctl.mpei.ru/LocalContent.aspx?id=polar
5. Учебник по электротехническим материалам [Electronic resource]. Режим доступа: http://www.electrofaq.com/ETMbook/POLAR/POL15.HTM
6. Костюков Н.С. Релаксационная поляризация в твёрдых диэлектриках [Текст] / Лукичёв А.А. – “Вестник АНЦ РАН”. Сер.2. Физика, химия, астрономия, 1997, вып. 1. С. 12-21.
7. Лекции по курсу Электротехнические материалы  [Electronic resource]. Режим доступа: http://www.bez-dvoek.ru/education/tkm/POLAR/POL18.HTM
8. Новикова С.Ю. Электронное издание Физика Диэлектриков [Electronic resource] – Режим доступа: http://www.iu4ever.org/files/FOM5/906_FOM5_phd.pdf