Поляризация диэлектриков и ее виды - раздел Образование, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В Диэлектриках Электрические Заряды Прочно Связаны С Атомами, Молекулами Или ...
В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. При этом центры положительных и отрицательных зарядов, которые без действия электрического поля совпадали, не будут совпадать.
Ограниченное смещение электрически связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называют поляризацией. Способность диэлектрика к поляризации характеризуют относительной диэлектрической проницаемостью εr, диэлектрической восприимчивостью æд, поляризованностью P.
На рисунке 34 изображен конденсатор с площадью электродов S и расстоянием между ними h. При подаче напряжения U между электродами напряженность электрического поля будет равна 
, а накопленный в конденсаторе с
вакуумом свободный заряд обозначим Qo (на рисунке 34,а – квадратики).
При наличии диэлектрика между электродами (рисунок 34,б) имеющиеся в нем положительные и отрицательные заряды смещаются, в результате чего образуются электрические диполи p с моментом, равным p = q*l, где q – заряд частицы, l – расстояние между частицами (рисунок 34, б). На поверхности диэлектрика образуются поляризационные (связанные) заряды. обозначенныые кружками на рисунке 34,б. Они создают собственное внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Для компенсации поляризационных зарядов источником создается дополнительный заряд Qд. Общий заряд в конденсаторе с диэлектриком Q будет равен: Q = Qo+Qдоп = εr*Qo, где εr - относительная диэлектрическая проницаемость.Она характеризует поляризацию диэлектрика под действием электрического поля, является важным макроскопическим параметром, ее значения для конкретных материалов приводятся в справочниках.
Определяют значения εr по измеренным значениям емкостей конденсатора в вакууме (воздухе) Cо и с диэлектриком Сд из зависимости:
.
Поляризованность диэлектрика Р как твердого тела является векторной величиной и может быть определена как сумма электрических диполей рi в единице объема V.
P = 
(Кл/м2).
Поляризованность характеризует способность частиц материала приобретать дипольный момент в электрическом поле.
Диэлектрическая восприимчивость æд характеризует способность среды к поляризации, и является коэффициентом пропорциональности между векторами поляризованости P и напряженности электрического поля Е: Р = æд* εо*Е,
где εо=8,85*10-12Ф/м – электрическая постоянная.
Отметим, что указанная зависимость справедлива только для линейных диэлектриков, для них æд = const. Для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) æд = f(
), то есть зависит от напряженности поля. Для линейных диэлектриков εr = 1+ æд.
В зависимости от природы химических связей частиц в диэлектрике различают следующие виды (механизмы) поляризации: упругую (быструю, нерелаксационную, не связанную с потерями в диэлектрике) и неупругую (замедленную, релаксационную, связанную с потерями в диэлектрике).
К упругим относятся электронная и ионная поляризации, к неупругим – дипольно-электронно-и ионнорелаксационные, структурная (миграционная) и спонтанная (самопроизвольная) поляризации. Заметим, что в твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько видов поляризации, которые в совокупности и определяют значение εr и его зависимость от температуры и частоты электрического поля.
Электронная поляризация представляет упругое смещение электронов и
деформацию электронных оболочек атомов в электрическом поле (рисунок 35,а). Электронная поляризация превращает каждый атом или ион в диполь. Орбитали внешних электронов будут деформированы, и поляризованные частицы будут обладать элементарным электрическим моментом pi = qil, сумма которых и создает поляризованность Р твердого тела. Время поляризации 10-14…10-16с.
Электронная поляризация происходит у всех диэлектриков независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации. Диэлектрики с электронной поляризацией называются неполярными. К ним относятся алмаз, полиэтилен, полистирол, фторопласт-4, парафин и другие. Значение εr не превышает 3. Время установления электронной поляризации мало и составляет ~ 10-15с, её еще называют мгновенной.
Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго связанных положительных и отрицательных ионов из узлов подрешеток на расстояния, меньшие периода решетки (рисунок 35,в). В каждом, и положительном, и отрицательном ионе также происходит смещение электронных оболочек – электронная поляризация. Смещения ионов из узлов подрешеток приводит к появлению дополнительного электрического момента pu, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и общую относительную диэлектрическую проницаемость εr, значение которой у веществ с ионной поляризацией больше, чем у веществ с электронной поляризацией.
Время ионной поляризации ~ 10-12…10-13с. Так как время упругих поляризаций мало, то и εr у материалов с этим видами поляризации не изменяется при изменении частоты до значений 1015…1012Гц соответственно. Ионный механизм поляризации наблюдается в слюде, керамиках, мраморе, кварце и других материалах ионного строения.
Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в ориентации дипольных молекул (или полярных групп молекул в органических и твердых диэлектриках), находящихся в хаотическом тепловом движении, в направлении электрического поля (рисунок 35,в). В результате такой поляризации увеличивается поляризуемость Р, и, следовательно, εr. Поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления, поэтому дипольно-релаксационная поляризация связана с рассеянием энергии, то есть с потерями.
После снятия электрического поля ориентация частиц в материале постепенно ослабевает, имеет место релаксация. Релаксация характеризуется временем релаксации τ – это время, за которое после снятия электрического поля ориентация полярной молекулы по полю уменьшается в е раз под действием теплового движения.
Материалы, имеющие дипольно-релаксационный механизм поляризации, называют полярными. Время релаксации τ ≈10-10…10-2с. Полярными диэлектриками являются поливинилхлорид, порошковый фенопласт, эпоксидные пластмассы, электрофарфор, органическое стекло.
Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (например, в неорганических стеклах). При этом слабо связанные ионы вещества под действием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие упругие смещения, или период подрешетки. В диэлектрике появляется электрический момент – то есть имеет место ионно-релаксационная поляризация. Так как процесс смещения носит локальный, а не сквозной характер, то это не является электропроводностью. Время установления ионно-релаксационной поляризации 10-5…10-3с, и она также связана с рассеянием энергии.
Электронно-релаксационнаяполяризация обусловлена ограниченным перемещением возбужденных тепловой энергией избыточных дефектных электронов или дырок. Этот вид поляризации характерен для диэлектриков с электронной проводимостью (в них есть свободные носители заряда), например двуокись титана с примесями ионов ниобия, кальция, бария, оксиды алюминия и другие, и также связана с рассеянием энергии.
Миграционная (структурная, примесная) поляризация – неупругие перемещения слабо связанных примесных ионов на расстояния, превышающие параметр решетки, часто до границ структурного образования (рисунок 36).
Этот вид поляризации проявляется в твердых телах неоднородной структуры, имеющих макроскопические неоднородности или примеси. Причинами возникновения структурной поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различными значениями σ и εr (например, в слоистых материалах – текстолитах, миканитах, изоляции на основе бумаги). Время миграционной поляризации велико, 10-3…1с, и она связана с большими рассеяниями энергии, как поляризация замедленного типа.
Спонтанная (самопроизвольная) поляризация– это поляризация диэлектрика при отсутствии внешнего электрического поля. Она существует у групп твердых диэлектриков, объединенных общим названием сегнетоэлектрики, и обладающих нелинейной зависимостью электрического смещения от величины напряженности электрического поля: æд = f(Е). В материалах со спонтанной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии электрического поля, но они различным образом ориентированные в объеме материала. Под действием внешних сил или энергетических воздействий в таких материалах возникают деформация и напряжения, что вызывает ориентацию электрических моментов доменов и создает эффект сильной поляризации. Деформационный механизм поляризации характерен для пьезоэлектриков, а поляризация при изменении температуры – для пироэлектриков. Поэтому материалы со спонтанной поляризацией часто называют сегнетоэлектриками по названию материала, у которого этот вид поляризации был впервые обнаружен – сегнетовой соли. Материалы со спонтанной поляризацией имеют большие значения εr, сильную зависимость εr от температуры, являются активными диэлектриками. К ним относятся некоторые виды керамик, стекол, смол.
Все темы данного раздела:
Теоретический материал
Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов, закономерности и связи между их составом, структурой и свойствами, их изменения под влиянием различных воздейств
Общие понятия и определения
Рассмотрим некоторые понятия, используемые при изучении дисциплины.
Вещество – есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул. Вещество и физи
Требования к материалам при их выборе
Современные приборы и устройства работают в различных условиях, при действии статических, вибрационных, ударных нагрузок, при высоких и низких температурах, давлениях, влажности, в контакте с разли
Вопросы для самоконтроля
1. Что изучает материаловедение?
2. Объяснить понятия: вещество, материал, характеристика, параметр, свойство, качество материала.
3. Как связаны между собой понят
Тема 2. Строение металлов
Методические указания. Необходимо понять, как устроены кристаллические и аморфные структуры. Обратить внимание, что тип химической связи не только определяет делени
Кристаллические и аморфные тела
Имеются две разновидности твердых тел, различающихся по свойствам – кристаллические и аморфные.
Кристаллическиетела – сохраняют свою форму, остаются тверды
Строение чистых металлов
Большинство металлов и сплавов имеют кристаллическое строение. Свойства кристаллов зависят от ряда факторов и поэтому могут рассматриваться с разных позиций:
- пространственного расположен
Кристаллографические направления и индексы
Кристаллографическими направлениями являются прямые, выходящие из принятой точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы
Анизотропия
Свойства кристаллов по различным кристаллографическим направлениям неодинаковы, так как число атомов и расстояния между ними разные по этим направлениям.
Анизотропи
Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов
Тип связи, возникающий между частицами в кристалле, определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Частицы сближаются до определенного расстояния d
Дефекты кристаллического строения
Строение кристаллов отличается от идеальных, рассмотренных выше. В реальных кристаллах всегда имеются дефекты. В зависимости от размеров дефекты кристаллического строения подразделяются на точечные
Дислокационный механизм пластической деформации
Рассмотрим механизм перемещения дислокации при пластической деформации. На рисунке 10 изображена схема передвижения одной из дислокаций под действием силы Р и возникающих при этом н
Вопросы для самоконтроля
1. Чем характеризуется кристаллическое и аморфное строение материала?
2. Виды кристаллов в зависимости от типа химической связи между микрочастицами (атомами, ионами, молекулами).
Строение сплавов
Более широкое применение в технике находят сплавы металлов с металлами, и металлов с неметаллами (карбидами, нитридами и другие), так как они обладают большим разнообразием свойств
Диаграммы состояния двойных сплавов
При охлаждении в сплавах происходят изменения, образуются новые фазы (твердые, жидкие), структуры. Эти изменения можно проследить на основе анализа диаграмм состояния
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое сплав и как его получают? Зачем нужны сплавы?
2. Что такое фаза сплава?
3. Как можно классифицировать сплавы?
4. Какие виды структуры при взаимодействии комп
Тема 4. Строение неметаллических материалов
Методические указания. При изучении данного раздела темы необходимо получить общее представление о многообразии неметаллических материалов, их широком применении не только как конс
Строение полимеров
Полимерами называются вещества с большой молекулярной массой, у которых молекулы состоят из одинаковых многократно повторяющихся групп атомов-звеньев, соединенных химическими связя
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое полимеры? Назовите известные вам полимеры.
2. Какие свойства отличают полимеры от металлов?
3. По каким признакам классифицируют полимеры, приведите п
Строение стекол
Стекло представляет собой изотропное твердое тело, образующееся при охлаждении расплава стеклообразующих оксидов SiO2, Ba2O3, P2O5
Строение керамики
Керамикой называют материалы, полученные спеканием (обжигом) при высоких температурах минеральных порошков и оксидов. При спекании исходные вещества взаимодействуют между собой, об
Композиционные материалы
Композиционными (КМ) называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам( нерастворимые или малорастворимые один в другом) компоненты, разделенные
Вопросы для самоконтроля
1. Что представляет собой КМ?
2. Чем определяются свойства КМ? Как их можно изменить?
3. Какие материалы используют в качестве упрочнителя, и какие – матрицы?
Тема 5. Свойства материалов и их определение
Методические указания. Начать изучение темы – с классификации свойств. Можно придерживаться и другой классификации, но указанные ниже свойства свести в соответствую
Механические (прочностные) свойства материалов
Механические (прочностные) свойства характеризуют способность материала противостоять деформации или разрушению. Деформация – изменение размеров или формы тела под действием внешни
Твердость материала
Твердость характеризует способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность более твердого тела – индентора. В качестве индентора используют закаленны
Теплофизические свойства
Наибольшее значение из теплофизических свойств имеют для материалов те, которые определяют способность отводить тепло, выделяющееся в процессе работы (теплопроводность), тепловое расширение, устойч
Изменение свойств материалов
На основе изучения взаимосвязи состава, структуры и свойств материалов отметим применяемые на практике способы изменения их различных свойств.
Повышение прочности материала повышает надежн
Вопросы для самоконтроля
1. Как можно классифицировать свойства материалов?
2. Назвать механические прочностные свойства материалов и как определяют их показатели при испытаниях?
3. Для че
Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка
Методические указания. Задачей данной темы является ознакомление с методами обработки материалов, позволяющими изменить их структуру и фазовый состав, а, следовательно, и свойства.
Диффузия
Диффузия – взаимное проникновение атомов соприкасающихся веществ (компонентов), обусловленное тепловым движением частиц. Атомы перемещаются на расстояния, большие параметров криста
Термическая обработка
Термической обработкой(ТО) называют процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением металла (материала), находящемся в твердом состоянии, с целью изменения
Химико-термическая обработка
Химико-термической обработкой называют процесс поверхностного насыщения сплава различными элементами с целью придания ей тех или иных свойств. При ХТО происходит изменение состава и структуры повер
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое ТО, ее цели, и за счет чего они достигаются?
2. Основные элементы режима ТО и их роль.
3. Все ли виды сплавов могут подвергаться упрочняющей ТО и почему?
4.
Общая характеристика железоуглеродистых сплавов
Сплавы железа (Fe) с углеродом (С) – стали, чугуны, являются наиболее распространенными материалами в машино-и приборостроении. Они обладают прочностью, жесткостью, надежностью, дол
Углеродистые стали
Углеродистые стали сравнительно дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, свариваемостью. Их недостаток – меньшая в сравнении с ле
Легированные стали
Легированные стали по назначению разделяют на конструкционные, инструментальные, и стали и сплавы с особыми свойствами. Их производят и поставляют качественными, высококачественными
Стали и сплавы с особыми свойствами
Деление сталей и сплавов с особыми свойствами на группы (классы) приводят с учетом их превалирующих свойств. Химический состав, свойства регламентированы соответствующими стандартами для каждой гру
Сортамент сталей
Большинство выплавляемого металлургическими заводами металла перерабатывается в различные продукты прокатного производства. Форма поперечного сечения прокатанного изделия называется его про
Вопросы для самопроверки
1. Назовите компоненты сплава железа и углерода.
2. Причины широкого применения сплавов Fe-C.
3. Классификация сталей.
4. Основные структуры (фазы) сплава Fe-C.
Медь и ее сплавы
Медь относится к проводниковым материалам с малым удельным сопротивлением, характеризуется высокой электропроводимостью, теплопроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью в
Алюминий и его сплавы
Алюминий и его сплавы относятся к группе материалов с малой плотностью и высокой удельной прочностью и жесткостью. К этой же группе относятся Mg, Be, Ti и их сплавы, а также композ
Сплавы магния
Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность, немагнитность, они не дают искры при ударах и трении, обладают демпфирующими свойствами. Осно
Титан и его сплавы
Титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпературную (до 882оС) − α-Ti, имеющий ГП кристаллическую решетку, и высокотемпературную −β-Ti, кото
Бериллий и сплавы на его основе
Бериллий обладает полиморфизмом и имеет низкотемпературную модификацию α-Ве до температуры 1250оС, ГП кристаллическую решетку; и высокотемпературную β
Вопросы для самоконтроля
1. Состав сплавов Fe – C и роль компонентов в нем.
2. Дать характеристику углеродистых сталей, их применение, обозначение.
3. Структурные составляющие сплава Fe – C.
4. Д
Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы
Методические указания.. В рамках темы в основном рассматриваются конструкционные материалы на основе полимеров, пластмассы, стекла, керамика. Однако эти же материал
Термопластичные и термореактивные пластмассы
Термопластичные пластмассы (термопласты, полимеры) под нагрузкой ведут себя как вязкоупругие вещества. Стандартные испытания на растяжение и удар дают приближенную
Керамика, стекла, ситаллы
Керамика, стекла, ситаллы имеют хорошие прочностные свойства. Но их характерная особенность – хрупкость, поэтому прочность на сжатие у них в несколько раз больше прочности на изгиб
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите группы неметаллических конструкционных материалов и их свойства. Отличие неметаллических материалов, их характеристик от аналогичных параметров металлических конструкционных материалов.
Теоретические материалы
Электротехнические материалы (рисунок 1) подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Различаются эти группы по значению удельного электрического сопротивления, характеру з
Энергетические зоны твердого тела
Согласно к
Понятие об электропроводности
Электропроводность характеризует способность материала проводить электрический ток.
Закон Ома выражает зависимость плотности тока j от нап
Электрические свойства и параметры проводниковых материалов
К основным электрическим характеристикам проводниковых материалов, характеризующим их свойства, можно отнести удельную электропроводность, удельное электрическое сопротивление, контактную разность
Полупроводниковые материалы
К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным сопротивлением в пределах 10-5…108 Ом*м. Их отличительными особенностями от других материалов явля
Вопросы для самоконтроля
1. Сущность зонной теории.
2. В чем суть теории электропроводности Друде?
3. Основные параметры электропроводности, их размерности.
4. Классификация элект
Тема 10. Диэлектрические материалы
Методические указания. При изучении темы обратить внимание на понятие диэлектрик, их классификацию по назначению, применению и природе. Знать основные свойства диэлектриков, физиче
Влияние температуры и частоты на поляризацию
К основным внешним факторам, влияющим на поляризацию диэлектриков, относятся температура и частота электрического поля. На рисунке 37 показаны общие закономерности влияния указанных факторов на пол
Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности
Электропроводность диэлектриков связана с наличием в них свободных носителей. В отличие от металлов, в диэлектриках электропроводность может быть трех видов: электронная, ионная и молионная. Электр
Параметры электропроводности диэлектриков и их зависимости
Электропроводность диэлектриков характеризуют: удельной объемной σv и поверхностной σs проводимостью, или удельным объемным ρ
Диэлектрические потери
В диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения протекает электрический ток, следовательно, в нем рассеивается энергия. Диэлектрическими потерями Pназыва
Электрическая прочность диэлектриков
Если повышать приложенное к диэлектрику напряжение, то по достижении им определенного критического значения Uпр произойдет потеря диэлектриком изоляционных свойств. Сквоз
Нагревостойкость диэлектриков
Нагревостойкость диэлектриков – их способность выдерживать в течение длительного времени нагрев до определенной температуры, сохраняя свои важнейшие свойства. Нагре
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое диэлектрик и их классификация?
2. Назвать основные свойства диэлектриков.
3. Поляризация, ее основные виды и влияющие на нее факторы. Чем отличаются у
Тема 11. Магнитные материалы
Методические указания. Необходимо иметь понятие о природе магнетизма, обменной энергии между электронами недостроенных подуровней соседних атомов, доменной структуре магнитных мате
Общие положения
Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию
Основные свойства и параметры магнитных материалов
Согласно квантовой теории, все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов. Домен - макроскопическая область кристалла размером в единицы или де
Магнитомягкие материалы
МММ можно подразделить на следующие группы: технически чистое железо (включая низкоуглеродистые нелегированные стали); электротехнические стали; сплавы с высокой начальной магнитной
Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы (МТМ), в отличие от МММ, имеют большие коэрцитивную силу (от 5 до 600кА/м) и площадь петли гистерезиса, большие потери при перемагничивании, высокие значени
Вопросы для самоконтроля
1. Объясните причину магнетизма в ферро-и ферримагнетиках.
2. Как классифицируются материалы по магнитным свойствам и назначению?
3. Какие основные параметры харак
Теоретические материалы
Надежность работы машин и приборов зависит от качества их изготовления. В общем смысле под качеством понимают степень соответствия показателей изделия потребительским требованиям. Показателями каче
Точность размеров
Под точностью обработки понимают степень соответствия размеров, формы, взаимного расположения, шероховатости поверхностей и других параметров изделий после их изготовления значения
Шероховатость поверхности
Шероховатость поверхности –совокупность микронеровностей обработанной поверхности с относительно малыми шагами. Она получается в результате взаимодействия инструмента с материалом
Список сокращений и условных обозначений
ГП – гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка
ГЦК – гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка
КМ – композиционные материалы
М
Новости и инфо для студентов