Виды поляризации

Виды поляризации

Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

Тема 2. Поляризация диэлектриков.

Представление об идеальном диэлектрике.

Все диэлектрические материалы имеют молекулярное или ионное строение. Молекулы, в свою очередь состоят из атомов, состоящих в свою очередь, из электронов и положительно заряженных ядер. При этом суммарный заряд всех отрицательно и положительно заряженных частиц, образующих диэлектрик, равен нулю. Идеальный диэлектрик состоит только из связанных между собой заряженных частиц, которые в силу пространственной структуры молекул, могут образовывать электрические диполи (полярные молекулы); свободных носителей заряда в нем нет. Поэтому электропроводность в идеальном диэлектрике отсутствует. Под действием приложенного напряжения все связанные заряженные частицы диэлектрика упорядоченно смещаются из своих равновесных состояний на ограниченные расстояния, а электрические диполи выравниваются по полю. В результате этих процессов диэлектрик поляризуется, в нем возникает электрический дипольный момент. Упорядоченное смещение связанных заряженных частиц и ориентация диполей приводит к образованию в материале так называемых токов смещения.

В реальных диэлектриках, используемых в электротехнике, в результате дефектов строения и наличия ионогенных примесей, кроме связанных заряженных частиц появляются и свободные заряженные частицы (свободные заряды), которые не связаны с определенными молекулами и не имеют постоянного равновесного положения. Под действием приложенного напряжения эти свободные частицы перемещаются в диэлектрике на относительно большие расстояния. Содержание свободных зарядов в диэлектриках ничтожно мало, их электропроводность в 10 11 – 10 26 раз меньше, чем у проводников. Таким образом, в реальных диэлектриках под действием внешнего электромагнитного поля имеет место как поляризация, так и электропроводность, обусловленная перемещением свободных зарядов на относительно большие расстояния.

Способность диэлектрика поляризоваться под действием приложенного электромагнитного поля является его фундаментальным свойством. которым обладают как реальные диэлектрики, так и идеальный диэлектрик.

2.1. Перекличка. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

2.1.1. Ковалентная связь.

2.1.2. Ионная связь.

2.1.3. Характеристики электрического диполя.

Как известно молекулы состоят из атомов, окруженных электронными оболочками. При этом электроны могут равномерно распределяться по молекуле, а могут и концентрироваться на каких-либо атомах. В первом случае говорят, что молекула неполярная. Пример — молекула водорода или атом гелия, или молекула бензола. Во втором случае в молекуле образуются области с положительным и отрицательным зарядом. Если в молекуле можно выделить направление, вдоль которого с одной стороны можно расположить положительные заряды, а с другой стороны — отрицательные, то такая молекула называется полярной или дипольной. Пример, молекула HCl, в которой электрон переходит с атома водорода на атом хлора, тем самым хлор заряжается отрицательно, а водород — положительно.

Поляризация – это такое явление, когда под действием внешнего электрического поля происходит ограниченное перемещение связанных заряженных частиц и некоторое упорядочение в расположении диполей, совершающих хаотическое тепловое движение. в результате чего в диэлектрике образуется результирующий электрический дипольный момент.

В отсутствии внешнего электрического поля все связанные и свободные заряженные частицы диэлектрика, а также его полярные молекулы (диполи), расположены таким образом, что общий электрический дипольный момент всех микроскопических объемов равен или близок к нулю. Под действием приложенного электрического поля все связанные заряженные частицы смещаются из своих равновесных положений на ограниченные расстояния. Возникает поляризация диэлектрика и его результирующий дипольный момент становится отличным от нуля.

Следует различать два основных вида поляризации. Первый вид поляризации происходит в диэлектрике под действием электрического поля практически мгновенно, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла. Он называется упругой илидеформационной поляризацией. Второй вид поляризации нарастает и убывает замедленно и сопровождается нагреванием диэлектрика. Второй вид поляризации называется релаксационной. Вид поляризации в первую очередь зависит от того, какие частицы диэлектрика, смещаясь, вызывает поляризацию, а также на какие расстояния они смещаются. Все частицы диэлектрика, способные смещаться и вызывать поляризацию, можно разделить на две группы упруго (сильно) связанные и слабо связанные.

Упруго связанные заряды имеют одно положение равновесия, около которого они совершают тепловое движение. Под действием электрического поля они смещаются на небольшие расстояния: электроны смещаются в пределах атома или иона, атомы – в пределах молекулы, ионы – в пределах ячейки кристаллической решетки и т.д.

Слабо связанные частицы (например, ионы в неплотно упакованной кристаллической решетке, в аморфном теле или на дефектах строения) имеют несколько положений равновесия, в которых они располагаются случайно и равновероятно. Слабо связанные частицы могут случайно перемещаться между положениями равновесия в ходе теплового движения. Электрическое поле придает таким переходам направленный характер. Смещение слабо связанных частиц происходит на гораздо большие расстояния, чем для упруго связанных зарядов.

Соответственно первый вид поляризации вызван процессами, которые связаны с упруго связанными частицами, релаксационная поляризация связана со слабо связанными зарядами.

К деформационным видам поляризации относится электронная и ионная.

1. Электронная поляризация заключается в упругом смещении (деформации) электронных оболочек атомов относительно ядра (рис.3.) и имеет место во всех диэлектриках. Время установления этого вида поляризации чрезвычайно мало (&#&64; = 10 -14 – 10 -15 с). Показатели электронной поляризации не зависят от температуры и частоты приложенного напряжения, а с увеличением размера атома возрастают пропорционально кубу радиуса атома.

2. Ионная поляризация. Наблюдается в кристаллических и аморфных телах ионного строения (кварц, асбест, слюда, стекло и др.)

Достаточно часто молекула диэлектрика состоит из атомов различных химических элементов, имеющих разные электрические заряды. Ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, несут на себе электрические заряды разной полярности. По действием внешнего электрического поля происходит смещение ионов на расстояние в пределах шага решетки, т.е. происходит упругая деформация всей кристаллической решетки (для аморфных веществ – апериодической сетки). Например, поваренная соль NaCl имеет кубическую кристаллическую решетку. Под действием внешнего электрического поля эта решетка деформируется, отдельные ячейки теряют кубическую форму, отдельные ребра решетки растягиваются и сжимаются. Показатели ионной поляризации не зависят от частоты напряжения, однако линейно зависят от температуры вещества, так как происходит изменение энергии упругой связи между ионами.

К релаксационным видам поляризации относятся:

3. Ионно-релаксационная поляризация. Она наблюдается в стеклах, а также в веществах с неплотной упаковкой кристаллической решетки (электротехническая керамика, асбест, мрамор), когда в отдельных узлах решетки имеются незанятые вакансии. В отсутствии электрического поля слабо связанные ионы при тепловом движении могут хаотично перемещаться между вакансиями, а под действием внешнего поля переходы в направлении поля становятся более вероятными, что приводит к появлению направленных переходов ионов. Ионы могут перемещаться на расстояния большие, чем шаг кристаллической решетки. С повышением температуры ионно-релаксационная поляризация нелинейно усиливается за счет увеличения числа ионов, участвующих в перемещениях.

4. Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках молекулярного строения с полярными молекулами, находящимися в газообразном, жидком и твердом аморфном состоянии. У таких диэлектриков молекулы даже в отсутствии внешнего электрического поля уже имеют постоянный дипольный момент m, (например, полихлордифенилы, ПВХ и др.). Дипольно-релаксационная поляризация заключается в более упорядоченном положении дипольных молекул (диполей), совершающих тепловое движение. Этот вид поляризации зависит от температуры и частоты приложенного напряжения. С увеличением температуры межмолекулярные силы ослабляются, снижается вязкость вещества, что усиливает дипольную поляризацию. Дальнейшее увеличение температуры усиливает тепловое движение и снижает ориентирующее воздействие поля. Дипольная поляризация при этом начинает снижаться.

5.189.137.82 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Два основных вида поляризации диэлектриков:

Мгновенная — поляризация под воздействием электрического поля происходит практически мгновенно, без рассеяния энергии, т. е. без вы­деления теплоты;

Замедленная — поляризация, совершаемая не мгновенно, а нарастающая и убы­вающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлек­трике, т. е. его нагреванием. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией.

К первому виду поляризации относятся электронная и ионная, остальные механизмы принадлежат к релаксационной поляризации. Особым механизмом поляризации является резонансная, наблю­даемая в диэлектриках при весьма высоких частотах.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время уста­новления электронной поляризации ничтожно мало (около 10 -15 с). Смещение и деформация электронных орбит атомов или ионов не зависит от температуры, однако электронная поляризация вещества уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика с электронной поляризацией при изменении температуры обусловли­вается лишь изменением его плотности. Электронная поляризация наблюдается у всех видов ди­электриков и не связана с потерей энергии.

Ионная поляризация характерна для твер­дых тел с ионным строением и обусловливается смещением упруго-связанных ионов. С повышением температуры она усиливается в ре­зультате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении.

Время установления ионной поляризации около 10 -13 с.

Дипольно-релаксационная поляризация для краткости называется дипольной, отличается от электронной и ион­ной тем, что она связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причи­ной поляризации.

Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не препятствуют диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, что должно усиливать дипольную поляризацию, однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому с увеличением температуры дипольная поляризация сначала возрастает (пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения), а затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать.

Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поля­ризация связана с потерями энергии. В быстропеременных полях диполи не успевают ориентироваться в направле­нии поля, и дипольная поляризация при повышенных частотах при­ложенного напряжения может полностью исчезать.

Промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориен­тированных полем диполей после его снятия уменьшится вследствие теплового движения в 2,7 раза по сравнению с первоначальным зна­чением, называют временем релаксации .

Дипольная поляризация свойственна полярным газам и жид­костям. Этот вид поляризации может наблюдаться также и в твер­дых полярных органических веществах. В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями возможна ориентация и более крупных частиц.

Ионно-релаксационная поляр изация наблю­дается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристал­лических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов. В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотического теплового движения смещаются в направлении поля.

После снятия электрического поля ионно-релаксационная по­ляризация постепенно ослабевает по экспоненциальному закону, а с повышением температуры — заметно усиливается.

Электронно-релаксационная поляризация от­личается от электронной и ионной и возникает вследствие возбуж­дения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок.

Электронно-релаксационная поляризация характерна для ди­электриков с высоким показателем преломления, большим внутрен­ним полем и электронной электропроводностью.

Следует отметить высокое значение диэлектрической проницае­мости, которое может быть при электронно-релаксационной поля­ризации, а также наличие максимума в температурной зависимости .

Миграционная поляризация понимается как допол­нительный механизм поляризации, проявляющийся в твердых те­лах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие к полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т. д.

При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих вклю­чений перемещаются в пределах каждого включения, образуя боль­шие поляризованные области. В слоистых материалах на границах раздела слоев и в прпэлектродных слоях может быть накопление зарядов медленно движущихся ионов.

В веществах с самопроизвольной поляризацией (сегнетоэлектрики) имеются от­дельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. Однако при этом ориентация электри­ческих моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень силь­ной поляризации. В отличие от других видов поляризации при не­котором значении напряженности внешнего поля наступает насы­щение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастания интенсивности поляризации. Поэтому диэлектрическая проницае­мость при спонтанной поляризации зависит от напряженности элек­трического поля. В температурной зависимости наблюдается один или несколько максимумов. В переменных электрических полях материалы с самопроизвольной поляризацией характеризуются зна­чительным рассеянием энергии, т. е. выделением теплоты.

Можно изобразить эквивалентную электрическую схему замещения диэлектрика с различными видами поляризации в электрическом поле.

Рис.2. Эквивалентная электрическая схема замещения диэлектрика с различными видами поляризации в электрическом поле

Емкость конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд обусловливаются суммарным воздействием различных механизмов поляризации. Разные виды поляризации могут наблюдаться у разных диэлектриков, а также могут быть одновременно у одного и того же материала.

Основные виды поляризации диэлектрика

Под действием приложенного электрического напряжения диэлектрик- способен поляризоваться, т. е. происходит ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных моментов.

Различают 3 основные вида поляризации:

1 Электронная поляризация — упругое смещение электронных оболочек относительно ядра в атомах диэлектрика. Это мгновенный процесс, происходящий за 10 -15 -10 -16 с. Электронная поляризация характерна для всех диэлектриков: полярных, неполярных, с ионной кристаллической решеткой.

2 Ионная поляризация представляет собой упругое смещение друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов. Ионная поляризация завершается за 10 -13 -10 -12 с.

Электронная и ионная поляризации относятся к быстрым, не релаксационным видам поляризации, совершаются в диэлектриках под действием электрического поля мгновенно и без рассеяния энергии, т. е. без выделения тепла.

3 Дипольная поляризация происходит в полярных диэлектриках. Она представляет собой поворот (ориентацию) полярных молекул (диполей). Для ориентации диполя в направлении электрического поля требуется некоторое время релаксации &#&64;. После снятия внешнего поля в течение &#&64; ориентация полярной молекулы под действием теплового движения уменьшается в е раз (е — основание натурального логарифма). Время релаксации прямо пропорционально вязкости диэлектрика и обратно пропорционально температуре.

Так как при повороте диполей в направлении поля ими преодолевается некоторое сопротивление, поэтому дипольная поляризация сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. нагреванием. Дипольная поляризация относится к неупругим, релаксационным поляризациям, нарастает и убывает замедленно и завершается за время 10 -х -10 -1 с.

Различают два вида дипольной (релаксационной) поляризации:

Ионно-релаксационная поляризация характерна для твердых диэлектриков, имеющих неплотную упаковку объема частицами.

Способность диэлектрика при нанесении на него электродов и подачи напряжения, образовывать емкость, характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью &#&49;.

Диэлектрическая проницаемость &#&49; — важнейший параметр диэлектрика, характеризующий процесс поляризации, который может быть найден по измеренной емкости конденсатора с диэлектриком.

где С – емкость конденсатора, Ф;

&#&49; – диэлектрическая проницаемость;

– электрическая постоянная, =8,84*10 -12 Ф/м;

S — площадь электродов, м 2 ;

h — расстояние между электродами, м.

Диэлектрическая проницаемость е зависит от интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектриках под действием приложенного напряжения.

Неполярные диэлектрики однородной структуры имеют только электронную поляризацию, поэтому их диэлектрическая проницаемость невелика &#&49;= 1-2,2. т.е.

где n — показатель преломления света.

Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков определяется постоянным электрическим (дипольным) моментом молекулы и размером моле­кулы, лежит в пределах от 2 до 80, т.е. &#&49; >n 2 .

Диэлектрическая проницаемость б зависит от многих факторов: температуры, частоты приложенного напряжения, влажности и др.

Для неполярных диэлектриков имеет место только электронная поляризация. Поскольку электронная поляризация происходит мгновенно, то даже при наиболее высоких частотах, применяемых в современной электро- и радиотехнике, поляризация неполярных диэлектриков успевает полностью установится за время, которое несравнимо мало по сравнению с полупериодом переменного напряжения. Поэтому диэлектрическая проницаемость &#&49; неполярных диэлектриков не зависит от частоты переменного напряжения. Рисунок 2 отображает эту зависимость.

Виды поляризации

Рисунок 2 – Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для твердых неполярных диэлектриков

1 — фторопласт-4, 2 — полистирол

На рисунке 3 показана зависимость диэлектрической поляризации от частоты для полярных диэлектриков. Дипольная поляризация может происходить в переменных полях до определенной частоты. При очень высоких частотах этот вид поляризации не возникает, так как время одного полупериода очень мало и полярные молекулы не могут осуществить свой поворот под действием сил внешнего электрического поля. Диэлектрическая проницаемость с ростом частоты снижается и при высоких частотах определяется только процессом электронной поляризации

Виды поляризации

Рисунок 3 – Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для

полярного диэлектрика (поливинилацетата) при различных температурах

Температура диэлектрика также оказывает влияние на диэлектрическую проницаемость. Рисунки 4, 5, 6 иллюстрируют эту зависимость для диэлектриков различного строения.

Виды поляризации

Рисунок 4 – Зависимость диэлектрической проницаемости от

температуры для неполярных диэлектриков

На электронную поляризацию температура оказывает небольшое влияние. Так как неполярные диэлектрики характеризуются только электронной поляризацией, то некоторое уменьшение диэлектрической проницаемости &#&49; неполярного диэлектрика с повышением температуры объясняется уменьшением плотности вещества (рисунок 4).

В случае полярных диэлектриков величина диэлектрической проницаемости заметно изменяется с ростом температуры. Рисунок 5 наглядно показывает эту зависимость. В твердых полярных диэлектриках возможны все виды поляризации и для них характерны те же закономерности, что и для жидких полярных диэлектриков. Процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков или ориентации отдельных полярных групп молекул. При низких температурах вязкость полярного диэлектрика большая и полярные молекулы не могут ориентироваться в направлении поля, (на рисунке 5 это соответствует участке а,б). Здесь имеет место только электронная поляризация и диэлектрическая проницаемость уменьшается. С увеличением температуры вязкость снижается, и полярные молекулы могут осуществить поворот под действием сил электрического поля. На участке бв происходит процесс дипольной поляризации и е возрастает.

При дальнейшем повышении температуры тепловая энергия полярных молекул возрастает, и поворот их уже затрудняется. В результате этого диэлектрическая проницаемость падает. Уменьшение диэлектрической проницаемости е на участке вгвызвано разориентацией полярных молекул в результате теплового движения

Виды поляризации

Рисунок 5 – Зависимость диэлектрической проницаемости полярного

диэлектрика (нитробензола) от температуры при f=50 Гц

Твердые кристаллические диэлектрики с плотной упаковкой частиц обладают электронной и ионной поляризацией. С ростом температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов увеличивается. Рисунок б показывает эту зависимость. Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается межионное расстояние, которое приводит к ослаблению сил связи между ионами и к увеличению их смещения в электрическом поле.

Виды поляризации

Рисунок 6 – Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для диэлектриков ионного строения при f=50 Гц

1 — бесщелочное стекло, 2 — обычное стекло

Основные виды поляризации

Различают два механизма поляризации:

− поляризация мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла, за время 10 -15 – 10 -13 с;

− поляризация, протекающая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называется релаксационной (время от 10 -8 до 10 2 с).

В схемах замещения диэлектрики обозначают конденсатором определенной емкости С . если в них не происходит рассеяния энергии (рис.3, а). Если происходит рассеяние энергии, то в схему замещения добавляется активное сопротивление r . эквивалентное нагреву диэлектрика (рис.3, б).

Виды поляризацииВиды поляризации

Рис. 3. Схемы замещения диэлектрика: а) без потерь; б) с потерями

К мгновенным относятся электронная и ионная поляризации. Электронная поляризация(Cэ. Qэ ) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием внешнего электрического поля (рис.4).

Виды поляризации

Рис. 4. Электронная поляризация диэлектрика. Положение орбит электронов при отсутствии (а ) и при наличии (б ) электрического поля

При отсутствии электрического поля центр положительного заряда ядра и центр отрицательного заряда совпадают. Атом нейтрален. Под действием внешнего электрического поляорбиты, по которым движутся отрицательные электроны, смещаются к положительному электроду. Центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Нейтральный атом превращается в диполь (так называемый упругий диполь). Наблюдается такая поляризация во всех видах диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n 2 .

Ионная поляризация(Cи. Qи ) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки (рис.5). С повышением температуры смещение усиливается в результате ослабления упругих сил между ионами. Это происходит из-за увеличения расстояния между ионами вследствие теплового расширения.

Виды поляризации

Рис. 5. Механизм ионной поляризации

Время установления ионной поляризации больше, чем электронной, но оно также очень мало и имеет порядок 10 -13 с.

Все остальные виды поляризации являются релаксационными.

Дипольно-релаксационная поляризация(Cдр. rдр. Qдр ) отличается от электронной и ионной тем, что она связана с потерями энергии при поляризации, т.е. с нагреванием диэлектрика. Этот вид поляризации наблюдается в полярных диэлектриках. В таких веществах молекулы или радикалы являются диполями даже при отсутствии электрического поля (рис. 6).

Рис. 6. Механизм дипольно-релаксационной поляризации (ориентация диполей в направлении электрического поля: а) поле отсутствует; б) при наличие поля)

При отсутствии электрического поля они находятся в хаотическом тепловом движении, дипольные моменты их направлены в разные стороны и результирующий электрический момент всех этих диполей равен нулю. Под действием сил электрического поля диполи поворачиваются, ориентируясь вдоль линий электрического поля, т.е. положительным полюсом к отрицательному электроду.

Кроме ориентации диполи еще растягиваются электрическим полем, и величина дипольного момента при этом возрастает. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, рассеивается энергии в виде тепла (rдр ). Время релаксации здесь порядка 10 -8 – 10 -6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация(Cир. rир. Qир ) наблюдается в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов (например, неорганических стеклах). Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений ограниченно смещаются в направлении электрического поля. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры за счет ослабления сил межионного взаимодействия. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации происходит в течение 10 -6 – 10 -4 секунд с рассеянием энергии.

Электронно — релаксационная поляризация(Cэр. rэр. Qэр ) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10 -8 – 10 -6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, ряд соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута.

Миграционная поляризация(Cм. rм. Qм ) протекает в твердых диэлектриках неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях или наличии примесей за время порядка 10 2 с. 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.

При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, образуя большие поляризованные области (рис. 7). В слоистых материалах на границах раздела слоев и в приэлектродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации.

Виды поляризации

Рис. 7. Механизм миграционной поляризации

Спонтанная (самопроизвольная ) поляризация,(Cсп. rсп. Qсп ), –это вид поляризации возникает в диэлектриках, имеющих доменную структуру. Доменами называют отдельные области, обладающие электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации (рис. 8).

В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастание интенсивности поляризации.

Виды поляризации

Рис. 8. Механизм спонтанной поляризации

Резонансная поляризация (Cрез. rрез. Qрез ) проявляется в диэлектриках под воздействием высокочастотного электрического поля (f = 10 6 Гц), когда частота собственных колебаний электронов или ионов совпадает с частотой внешнего поля. Резонансные явления увеличивают амплитуду колебаний (вектор смещения) связанных заряженных частиц в материале.

Технические диэлектрики обладают, как правило, не одним,

а одновременно несколькими видами поляризации. Следователь-но, емкость конденсатора с диэлектриком обусловливается суммой различных видов поляризации.

Рис. 9. Эквивалентная схема замещения диэлектрика с различными механизмами поляризации

На рис. 9 приведена эквивалентная схема замещения диэлектрика, в котором присутствуют все виды поляризации.

Все емкости эквивалентной схемы шунтированы резистором Rиз . представляющим собой сопротивление изоляции сквозному току через диэлектрик.

-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний.

Ионная поляризация наблюдается в ионных кристаллах и происходит в результате возникновения диполей вследствие относительного смещения (сдвига) положительных и отрицательных ионов под влиянием электрического поля. При этом имеет место также деформация электронных оболочек ионов, что порождает электронную поляризацию. Время установления ионной поляризации примерно на порядок больше ( ≈ 10 -14 с).

Дипольная (ориентационная) поляризация наблюдается в полярных диэлектриках (например, в твердом H2 S ). Существующие в отсутствии электрического поля электрические диполи ориентированы хаотично. При включении поля диполи приобретают преимущественную ориентацию. Этот процесс и называют дипольный или ориентационной поляризацией.

64. Понятие электропроводность диэлектриков, потери в диэлектрике, пробой в диэлктрикеЭлектропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3. 7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении. Основные виды электропроводности диэлектриков1.Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной поляризации. Абсорбционные токи при постоянном напряжении протекают в диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают в течение всего времени нахождения диэлектрика в электрическом поле.

Ток абсорбции можно определить через ток смещения jсм — скорость изменения вектора электрической индукции D

Виды поляризации

Сквозной ток определяется переносом (движением) в электрическом поле различных носителей заряда.

2.Электронная электропроводность характеризуется перемещением электронов под действием поля. Кроме металлов она присутствует у углерода, оксидов металлов, сульфидов и др. веществ, а также у многих полупроводников.

3.Ионная – обусловлена движением ионов. Наблюдается в растворах и расплавах электролитов – солей, кислот, щелочей, а также во многих диэлектриках. Она подразделяется на собственную и примесную проводимости. Собственная проводимость обусловлена движением ионов, получаемых при диссоциации молекул. Движение ионов в электрическом поле сопровождается электролизом– переносом вещества между электродами и выделением его на электродах. Полярные жидкости диссоциированы в большей степени и имеют большую электропроводность, чем неполярные.

В неполярных и слабополярных жидких диэлектриках (минеральные масла, кремнийорганические жидкости) электропроводность определяется примесями.

4.Молионная электропроводность – обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами. Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях, суспензиях. Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, например, в маслах, содержащих эмульгированную воду.

Электропроводность газа. обусловленная действием внешних ионизаторов и исчезающая после прекращения его действия называется несамостоятельной. А электропроводность, обусловленная ударной ионизацией и не исчезающая после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельной. В слабых полях, в которых ударная ионизация отсутствует, самостоятельная электропроводность не наблюдается.

В слабых полях в газах выполняется закон Ома, ток линейно меняется с величиной приложенного напряжения. При более высоких напряженностях электрического поля вплоть до возникновения ударной ионизации наблюдается ток насыщения, величина которого не зависит от величины поля. В полях, величина которых достаточна для ионизации газа при столкновении частиц, наступает пробой газа.

Электропроводность жидких диэлектриков зависит от многих факторов: строения молекул, температуры, наличия примесей, наличия крупных заряженных коллоидных частиц и других факторов.

Электропроводность неполярных жидкостей зависит от наличия диссоциированных примесей и влаги. В полярных жидкостях электропроводность создается кроме примесей диссоциированными ионами самой жидкости. Полярные жидкости обладают повышенной проводимостью по сравнению с неполярными. С повышением диэлектрической проницаемости проводимость возрастает. Очистка жидкостей от примесей уменьшает их проводимость.

Электропроводность твердых диэлектриков о бусловлена, как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов примесей, а у некоторых материалов и наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наблюдается при сильных электрических полях. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы и ионы примесей, а при высоких температурах движутся термически освобождаемые ионы кристаллической решетки. Ионная электропроводность, в отличие от электронной, сопровождается переносомвещества. Физико – механические и химические свойства диэлектриков. При выборе изоляционного материала приходится учитывать не только электрические свойства, но и влажностные, тепловые, химические, механические свойства, химическую стойкость и активность диэлектрика его тропикостойкость и радиационную стойкость.Диэлектрическими потерями называют мощность рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери мощности в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку диэлектрики не являются идеальными и в них всегда присутствует сквозной ток, обусловленный электропроводностью. При постоянном напряжении потери вызываются только одной сквозной проводимостью (объемной и поверхностной), а при переменном напряжении к ним добавляются потери на поляризацию, связанные с преодолением сил внутреннего трения при повороте дипольных молекул диэлектрика. Потери при переменном напряжении всегда больше, чем при постоянном.

Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям подразделяют на четыре основных вида:

1. потери на электропроводность;

2. релаксационные потери;

4. резонансные потери

Пробой диэлектриков, резкое уменьшение электрического сопротивления (увеличение плотности тока j ) диэлектрика. наступающее при достижении определённой величины напряжённости приложенного электрического поля Епр .

Виды пробоя 1) Электрический пробой – вызывается ударной ионизацией электронами, когда под действием большой напряженности электрического поля из небольшого числа начальных электронов в диэлектрике образуется сильная электронная лавина. 2) Тепловой пробой – если в результате диэлектрических потерь тепла в диэлектрике выделяется больше, чем отводится в результате его охлаждения, то диэлектрик нагревается и в месте наименьшего теплоотвода диэлектрик проплавляется, прожигается, то есть происходит КЗ – пробой. 3) Электрохимический пробой – по каким-либо причинам химический состав и структура диэлектриков медленно меняются так, что пробой может наступить при напряжении меньшем Uпр начального диэлектрика. Смешанные виды пробоя 4) Ионизационный пробой – в твёрдых диэлектриках, в которых есть поры (бумаги, картоны) до пробоя самого диэлектрика начинается ионизация газов (воздуха) в порах. Образующиеся лавины вызывают эрозию стенок пор, химическую реакцию с озоном, нагрев диэлектрика вокруг пор, расширение диэлектрика в результате нагрева – образуются трещины, через них легко в диэлектрик проникает вода, которая уменьшает сопротивление диелектрика и т.д. Изоляционные свойства газообразных и жидких диэлектриков после пробоя восстанавливаются (хотя у жидких диэлектриков после каждого пробоя свойства понемногу ухудшаются), а у твёрдых – нет, остаются следы (также и при поверхностном пробое).

65.Классификация диэлектрических материалов. Газообразные, жидкие, твердые диэлектрические материалы. Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т. е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал. Используемые в качестве изоляционных материалов диэлектрики называют пассивными. Существуют активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения.

Электроизоляционные материалы классифицируются по:

агрегатному состоянию – газообразные, жидкие, твердые и твердеющие (лаки, компаунды) материалы;

по химической природе – органические, неорганические, элементоорганические материалы.

Воздух и газы являются идеальными диэлектриками до процесса их ионизации. При ионизации космической радиацией, нагревом их электроизоляционные свойства резко снижаются.

Электрическая прочность воздуха при нормальном давлении 2,1 МВ/м. Электрическая прочность воздуха заметно зависит от частоты электрического поля. Воздух при высоком давлении превосходит по электрической прочности такие диэлектрики, как фарфор и трансформаторное масло.

Жидкие диэлектрики п одразделяются на 3 группы:

1) нефтяные масла 2) синтетические жидкости; 3) растительные масла.

Жидкие диэлектрики используют для пропитки кабелей высокого напряжения, конденсаторов, для заливки трансформаторов, выключателей и вводов. Кроме этого они выполняют функции теплоносителя в трансформаторах, дугогасителя в выключателях и др.

Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов парафинового и нафтенового рядов. Они широко применяются в электротехнике в качестве трансформаторного, кабельного и конденсаторного масел. Масло, заполняя промежутки и поры внутри электротехнических установок и изделий, повышает электрическую прочность изоляции и улучшает теплоотвод от изделий.Трансформаторное масло получают из нефти путем перегонки. Кабельное и конденсаторное масла отличаются от трансформаторного более высоким качеством очистки.

Синтетические жидкие диэлектрики по некоторым свойствам превосходят нефтяные электроизоляционные масла.

Хлорированные углеводороды.Совтол – смесь совола с трихлорбензолом. Используется для изоляции взрывобезопасных трансформаторов.

Кремнийорганические жидкости. Наибольшее распространение имеют полидиметилсилоксановые. полидиэтилсилоксановые. полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Полисилоксановые жидкости – жидкие кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны ), обладают такими ценными свойствами как: высокая нагревостойкость, химическая инертность, низкая гигроскопичность, низкая температура застывания, высокие электрические характеристики в широком интервале частот и температур.

Полидиэтилсилоксаны – получают при гидролизе диэтилдихлорсилана и триэтилхлорсилана. Имеют широкий интервал температур кипения.

Свойства зависят от температуры кипения. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана.

Жидкие полиметилфенилсилоксаны п олучают гидролизом фенилметилдихлорсиланов и др. Масло вязкое. После обработки NаОН вязкость повышается в 3 раза. Выдерживает нагрев в течение 1000 час до 250 °С. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана.

Фторорганические жидкости – С8 F16 – негорючи и взрывобезопасны, высоконагревостойки (200 °С), обладают малой гигроскопичностью. Пары их имеют высокую электрическую прочность. Жидкости имеют низкую вязкость, летучи. Обладают лучшим теплоотводом, чем нефтяные масла и кремнийорганические жидкости.

Органические полимерные материалыПолиэтилен . представляет собой неполярный полимер линейной структуры. Получается полимеризацией газа этилена С2 Н4 при высоком давлении (до 300 МПа), либо при низком (до 0,6 МПа). Молекулярная масса полиэтилена высокого давления – 18000 – 40000, низкого – 60000 – 800000.

Фторопласты. Существует несколько видов фторуглеродных полимеров, которые могут быть полярными и неполярными.

Фторопласт – 4 (политетрафторэтилен) – рыхлый порошок белого цвета.

Молекулы фторопласта имеют симметричное строение. Поэтому фторопласт является неполярным диэлектриком

Фторопласт можно модифицировать, применяя наполнители – стекловолокно, нитрид бора, сажу и др. что дает возможность получать материалы с новыми свойствами и улучшить имеющиеся свойства.

66. Собственные и примесные полупроводники. По значению своего удельного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако деление веществ на группы по их удельным сопротивлениям условно, так как под действием ряда факторов (нагревание, облучение, наличие примесей) удельное сопротивление многих веществ изменяется, причем у полупроводников весьма значительно. Если у металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается, то у полупроводников уменьшается. К полупроводникам относят 12 химических элементов в средней части периодической системы, многие оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества. Наибольшее применение в науке и технике имеют германий и кремний. Различают полупроводники собственные (т.е. беспримесные) и примесные. Примесные делят на донорные и акцепторные. Проводимость собственных полупроводников Рассмотрим механизм на примере кремния. Кремний обладает атомной пространственной решеткой с ковалентным типом связи между атомами. При абсолютных температурах, близких к абсолютному нулю, все связи являются заполненными, т.е. свободных заряженных частиц в кристалле нет. При нагревании или облучении некоторые парноэлектронные связи разрываются, появляются свободные электроны и вакантные места, называемые дырками

У собственных полупроводников число появившихся при разрыве связей электронов и дырок одинаково, т.е. проводимость собственных полупроводников в равной степени обеспечивается свободными электронами и дырками. Проводимость примесных полупроводников Если внедрить в полупроводник примесь с валентностью большей, чем у собственного полупроводника, то образуется донорный полупроводник.(Например, при внедрении в кристалл кремния пятивалентного мышьяка. Один из пяти валентных электронов мышьяка остается свободным). В донорном полупроводнике электроны являются основными, а дырки неосновными носителями заряда. Такие полупроводники называют полупроводниками n- типа, а проводимость электронной. Если внедрять в полупроводник примесь с валентностью меньшей, чем у собственного полупроводника, то образуется акцепторный полупроводник. (Например, при внедрении в кристалл кремния трехвалентного индия. У каждого атома индия не хватает одного электрона для образования парноэлектронной связи с одним из соседних атомов кремния. Каждая из таких незаполненных связей является дыркой). В акцепторных полупроводниках дырки являются основными, а электроны неосновными носителями заряда. Такие полупроводники называются полупроводниками p- типа, а проводимость дырочной.

При очень низких температурах полупроводники являются диэлектриками.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *