Релаксационная поляризация твёрдого диэлектрика

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

_____________________________________________________________________________

Физический факультет

Кафедра нанотехнологии

РЕФЕРАТ по Физике диэлектриков

“Релаксационная поляризация твёрдого диэлектрика”

Выполнил:

Студент физического факультета

3 курса 10 группы

Проверил:

Ростов-на-Дону 2011

14

СОДЕРЖАНИЕ

1.Твёрдые диэлектрики…………………………………………………….3-4 стр

2.Виды релаксационной поляризации…………………………………...4-11 стр

3. Релаксационные потери………………………………………………11-13 стр

4.Заключение………………………………………………………………...13 стр

5.Список литературы………………………………………………………..14 стр

1 Твердые диэлектрики

Твердые диэлектрики - это чрезвычайно широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, теплофизическими, механическими свойствами. Например, диэлектрическая проницаемость меняется от значения, незначительно превышающего 1, до более чем 50000, в зависимости от типа диэлектриков: неполярный, полярный, сегнетоэлектрик. В главе 1 приводились определения различных типов диэлектриков. Вкратце коснемся этих определений применительно к твердым диэлектрикам.

Неполярный диэлектрик - вещество, содержащее молекулы с преимущественно ковалентной связью.

Полярный диэлектрик - вещество, содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры.

Сегнетоэлектрик - вещество, имеющее в составе области со спонтанной поляризацией.

Механизмы поляризации у них резко различаются:

- чисто электронная поляризация у неполярных диэлектриков типа полиэтилена, полистирола, при этом e -мала, не более 3, диэлектрические потери тоже малы;

- ионная поляризация у ионных кристаллов типа NaCl или дипольная у полярных диэлектриков типа льда, при этом e может находиться в пределах от 3-4 до 100, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на частотах вращения диполей и других резонансных частотах;

- доменная поляризация у сегнетоэлектриков - при этом e максимальна и может достигать 10000-50000, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на резонансных частотах и в области повышенных частот.

Особенности механизмов проводимости в твердых диэлектриках - концентрация носителей очень мала, подвижность ионов в гомогенных материалах очень мала, подвижность электронов в чистых материалах велика, в технически чистых - мала. Механизмы электропроводности различны в разных веществах. Ионная проводимость реализуется у полидисперсных диэлектриков (картон, бумага, гетинакс, дерево) и ионных кристаллов. В первом случае ионы передвигаются по границам раздела, образованным слипшимися дисперсными частицами. Появление носителей заряда сильно связано с влажностью этих материалов и определяется, как рассматривалось в гл.1 и 2 диссоциацией примесей и полярных групп основного вещества на поверхности раздела. В случае ионных кристаллов, в проводимости участвуют ионы основного вещества, примесей, дефекты структуры. Электронная проводимость реализуется у титанатов бария, стронция и т.д., электронная, дырочная и ионная проводимость у полимеров.

Термины относящиеся к твёрдым диэлектрикам:

химическая стойкость - способность выдерживать контакты с разными средами (кислота - кислотостойкость, щелочь - щелочестойкость, озон - озоностойкость, масло - маслостойкость, вода - водостойкость);

трекингостойкость - способность противостоять действию дуги;

дендритостойкость - способность противостоять образованию дендритов.

2 Виды релаксационной поляризации

Релаксационные (замедленные) виды поляризации — проявляются в газах, жидкостях и твердых диэлектриках в том случае, если они состоят из полярных молекул, диполей или молекул, имеющих отдельные радикалы или части (сегменты), обладающие собственными электрическими моментами.

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

В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации.

Возможны и различные разновидности релаксационных поляризаций, связанные, главным образом, с химическим составом, структурой и типом дефектов поляризации:

1.электронно - релаксационная;

2.дипольно-релаксационная;

3.ионно - релаксационная;

4.миграционная;

5.спонтанная.

Дипольная релаксационная поляризация (ориентационная)

Поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым движением частиц.

Диэлектрик может состоять из полярных молекул. Такая молекула состоит из положительных и отрицательных ионов и ее дипольный электрический момент

μ = q·l,

q – заряд одного из ионов; l – расстояние между центрами ионов. Такая система зарядов называется твердым диполем, а диэлектрик, состоящий из полярных молекул – полярным.

Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Поворот диполей в направлении поля протекает в вязкой среде и связан с совершением работы по преодолению сил вязкого сопротивления среды, поэтому дипольная поляризация связана с потерями энергии

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).

Электронно – релаксационная поляризация

Поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления и электронной электропроводностью, а также полупроводников.

Ионно-релаксационная поляризация

Наблюдается в диэлектриках с ионным типом химических связей, например в неорганических стеклах, имеющих неплотную упаковку ионов. Во многих диэлектриках имеются слабосвязанные ионы. Это могут быть ионы, находящиеся в междоузлиях, или ионы, локализованные вблизи структурных дефектов. За счет тепловых флуктуаций ионы могут переходить из одних положений равновесия в другие, преодолевая потенциальные барьеры. Слабо связанные ионы вещества под действием приложенного электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля, и смещаются на расстояния, существенно превышающие величину смещения ионов при упругой ионной поляризации. Под действием поля изменяется потенциальный рельеф и появляется некоторое преимущественное перемещение ионов в дефектных областях.

Рис: Зависимость потенциальной энергии иона от расстояния при наличии внешнего поля.

При отсутствии внешнего электрического поля такие перемещения являются случайными и диэлектрик остается неполяризованным. Поэтому после исчезновения внешнего поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.

Рис: Зависимость потенциальной энергии иона от расстояния при внешнем электрическом поле Е=0.

При этом наблюдается необратимое рассеяние энергии в виде тепла. Таким образом возникает поляризация. В зависимости от особенностей структуры диэлектрика и типа дефектов время релаксации ионной тепловой поляризации при комнатной температуре колеблется от с.

Поляризация этого типа наблюдается при низких частотах.

Упруго – дипольная поляризация

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

Упругий поворот диполя во внешнем поле

Миграционная (межслоевая) поляризация

Миграционная поляризация является дополнительным механизмом поляризации, проявляющимся в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей.

Эта поляризация отключается при наиболее низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. Причинами возникновения такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью.

Физической основой миграционной поляризации является перемещение слабосвязанных ионов в объеме диэлектрика на значительное расстояние, соизмеримое с толщиной всего диэлектрика. Эти перемещения приводят к образованию пространственных зарядов на границах раздела диэлектрика, поэтому эта поляризация называется межслоевой. Время на такие перемещения велико, поэтому идет запаздывание (релаксация). И так же, как и ионно-релаксационная, дипольно-релаксационная поляризация происходит с выделением тепла.

В общем виде процесс миграционной поляризации аналогичен ионно-релаксационной поляризации, с тем отличием, что перемещение зарядов происходит на значительно большие расстояния.

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. Поляризация нелинейно зависит от напряжения электрического поля и достигает насыщения при некотором значении напряженности электрического поля. Поэтому диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика нелинейно зависит от напряженности электрического поля, достигая максимума при определенном его значении. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости также имеет один или несколько максимумов при определенных температурах (титанаты бария и стронция). Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках проявляется в определенной области температур, исчезая выше некоторой температуры, называемой температурой Кюри. При этой температуре в сегнетоэлектрике наблюдается фазовый переход второго рода, т.е. изменяется тип кристаллической структуры.

Температурная и частотная зависимости ε для наиболее изученного сегнетоэлектрика титаната бария BaTiO3 показана на рисунке

Для сегнетоэлектрических материалов характерно нелинейное изменение ε от напряженности электрического поля, поэтому они относятся к нелинейным диэлектрикам.

Остаточная поляризация

Остаточная поляризация  – поляризация, которую имеют сегнетоэлектрики при нулевом значении электрического поля

Поляризация существует длительное время в диэлектрике после снятия напряжения. Этот тип поляризации наблюдается в электретах(диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внеш. воздействия, вызвавшего поляризацию, и создающие электрич. поле в окружающем пр-ве (электрич. аналоги пост. магнитов)).

Остаточная поляризация может быть получена также в кристаллич. веществе за счёт ориентации в поле т. н. квазидиполей (две  вакансии  противоположного знака, примесный ион - вакансия и т. п.) или за счёт скопления носителей заряда вблизи электродов. Обладает сильной зависимостью от напряженности электрического поля и температуры.