(р
Поляризацией диэлектриков называется процесс упорядочения связанных электрических зарядов внутри диэлектрика под действием напряжения. Процесс поляризации можно выяснить, представив диэлектрик в виде пластины 1,помещенной между двумя металлическими электродами 2, образующими электрический конденсатор ис.37).
Рис.37. Диэлектрик между электродами конденсатора.
Если конденсатор подключить к источнику постоянного напряжения, то на его электродах появятся электрические заряды с противоположными знаками (рис. 38). Эти заряды создадут в диэлектрике электрическое поле. Под действием сил этого поля электроны атомов сместятся относительно своих ядер в сторону положительного электрода – анода.
Рис.38. Электронная поляризация диэлектрика.
Смещенные электроны образуют с положительными зарядами ядер атомов пары связанных друг с другом электрических зарядов. Такие парные заряды (рис. 39), расположенные на расстоянии друг от друга,называются упругими электрическими диполями. Они определяются произведением зарядов смещенных электронов на величину расстояния их от ядра. Произведение это называется электрическим моментом диполя:
Рис. 39. Схема упругого электрического диполя: 1- электронная оболочка, 2-электронная оболочка, смещенная силами электрического поля
где суммарный электрический заряд смещенных электронов. Образованные электрическим полем в диэлектрике диполи располагаются в виде цепочек.
Итак, под действием электрического поля, созданного в диэлектрике приложенным к нему напряжением, атомы становятся электрическими диполями в результате смещения в них электронов. Образование таких диполей происходит мгновенно при приложении электрического напряжения и эти диполи исчезают, если конденсатор отключить от источника напряжения. Поэтому они получили название упругих диполей, а сам процесс их образование называется электронной поляризацией. Помимо электронной, существуют и другие виды поляризации. Молекулы могут иметь положительные и отрицательные ионы до приложения напряжения к диэлектрику. В таких молекулах еще до воздействия электрического поля имеется электрический диполь из ионов. Такой диполь в отличие от упругого называется твердым диполем. На (рис. 40) изображен такой твердый диполь в виде пары связанных электрических зарядов двух ионов. Электрический момент этого твердого диполя называется начальным моментом, который обозначается буквой . Величина его равна произведению заряда иона на расстояние между ионами:
.
Направление электрического момента диполя обозначается стрелкой (вектором), направленной от отрицательного иона к положительному, как и в упругом диполе. Молекулы, в составе которых имеются такие твердые диполи, называются полярными или дипольными. Молекулы, не имеющие твердых диполей, называются нейтральными. Если подвергнуть воздействию электрического поля диэлектрик, имеющий полярные молекулы, то последние повернуться под углом к направлению электрического поля (рис. 43). Таким образом, дополнительно к электронной поляризации создается еще поляризация дипольная. На (рис. 41) большой стрелкой указанно направление электрического поля, малыми же стрелками обозначены моменты полярных молекул, которые ориентированы (повернуты) под одним и тем же углом к направлению электрического поля Е. Во многих диэлектриках могут оказаться в качестве примесей ионы. Они слабо связанны с собственными молекулами диэлектрика. Под действием внешнего электрического поля эти ионы пройдут через весь диэлектрик и остановятся вблизи его поверхности у электродов, образуя так называемый объемный заряд (рис.42)
Рис.40. Схема твердого Рис.41. Дипольная поляризация Рис.42. Объемно-
электрического диполя. диэлектрика. зарядная
поляризация диэлектрика.
Рис. 43. Домены в сегнето-электрике Рис. 44.Схема самопроизвольной поляризации в
и направления диполей в них. сегнетоэлектрике.
Таким образом, на поверхностях диэлектрика, обращенных к электродам, с течением времени накопятся электрические заряды: у положительного электрода – отрицательные, а у отрицательного электрода – положительные. В результате такой поляризации образуются объемные заряды и она называется объемно-зарядной.
Учитывая все виды поляризации, имеющие место в диэлектрике, состояние поляризации этого диэлектрика выражают суммарным электрическим моментом диполей М. На (рис.42) изображен такой общий (суммарный) момент М всех диполей:
Где Q – электрический заряд (в слое диэлектрика у электрода); h – толщина диэлектрика.
В некоторых диэлектриках, например керамическом материале – титанате бария (BaTiO3), имеются электрические диполи, обусловленные структурой диэлектрика. Эти диполи в отдельных областях диэлектрика могут быть направлены перпендикулярно друг другу (рис. 43,а) или противоположно (рис. 43,б) диполям соседней области. Такие области называются доменами. Домены с одинаково направленными в них диполями существуют без какого-либо внешнего электрического воздействия. Действие же сил Е электрического поля в направлении диполей какого-либо домена обусловливает преимущество этого домена. Он начинает расти вследствие ориентации диполей в соседних доменах в направлении сил электрического поля. В конце концов весь диэлектрик становится поляризованным в этом направлении. Такая поляризация диэлектрика называется спонтанной (самопроизвольной). Она происходит при очень малом напряжении. На (рис. 46) даны картины последовательного нарастания самопроизвольной поляризации, т.е. ориентации доменов в диэлектрике под действием напряженности внешнего электрического поля. Диэлектрики со слабосвязанными диполями получили название сегнетоэлектрики. Итак, под действием сил электрического поля в диэлектрике происходят процессы поляризации. Чем интенсивнее поляризуется диэлектрик, тем больше электрическая емкость конденсатора, в котором применен данный диэлектрик. Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:
где S – площадь одного из электродов конденсатора, см2; h – толщина диэлектрика, см. Величина называется абсолютной диэлектрической проницаемостью и выражается в фарадах на сантиметр (ф/см). она равна произведению εа= ε0 ε; ε 0 называется электрической постоянной и имеет ту же размерность, что и εа,т.е.
.
Величина же является безразмерной и называется относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Относительная диэлектрическая проницаемость для разных диэлектриков различна. В дальнейшем мы ее будем именовать: диэлектрическая проницаемость материала.
Диэлектрическая проницаемость ε вакуума принимается разной единице, у большинства же газов и паров она близка к единице. Поэтому величину относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика ε можно выразить как отношение емкостей конденсаторов, у которых геометрические размеры ( h и S) одинаковы, но в конденсаторе емкостью С0 диэлектриком служит вакуум:
Величина диэлектрической проницаемости количественно определяет свойство диэлектриков поляризоваться и образовывать электрическую емкость, поэтому она является тоже основной характеристикой электроизоляционных материалов. Самая малая величина диэлектрической проницаемости ε равна единице (вакуум). Самые высокие величины диэлектрической проницаемости имеют специальные керамические диэлектрики, у которых значение ε может достигать несколько сотен. Из этих керамических диэлектриков изготавливают малогабаритные конденсаторы. Диэлектрическая проницаемость у диэлектриков изменяется в зависимости от частоты и температуры приложенного переменного напряжения. Эта зависимость замечается в тех диэлектриках, где, кроме электронной поляризации, имеют место другие виды поляризации (дипольная, спонтанная). Электронная поляризация совершается мгновенно, другие же виды поляризации (дипольная, объемно-зарядная) требуют для своего осуществления некоторое количество времени. Поскольку электронная поляризация диэлектриков происходит мгновенно (10-15сек), то диэлектрическая проницаемость нейтральных диэлектриков не зависит от диэлектрическая проницаемость газов находится в пределах
частоты переменного напряжения (рис. 45). Дипольная, самопроизвольная и объемно-зарядная поляризации могут происходить в переменных полях до определенной частоты. При очень высоких частотах эти виды поляризации не возникают, так как время одного полупериода очень мало и полярные молекулы (диполи) не могут осуществить свой поворот. Кривая изменения величины полярного диэлектрика в зависимости от частоты f переменного напряжения показана на (рис. 45). Из рисунка видно, что у полярного диэлектрика диэлектрическая проницаемость ε уменьшается с ростом частоты переменного напряжения в связи с тем, что все большее количество полярных молекул (твердые диполи) не успевает совершить свой поворот под действием сил внешнего электрического поля. При очень высоких частотах (начиная f 1) диэлектрическая проницаемость ε полярных диэлектриков определяется только процессом электронной поляризации, так как дипольная поляризация уже не может осуществиться. Величина диэлектрической проницаемости зависит также от температуры диэлектрика. На электронную поляризацию температура оказывает малое влияние (рис.47). Некоторое уменьшение диэлектрической проницаемости с нагревом нейтрального диэлектрика объясняется уменьшением плотности вещества, т.е. уменьшением числа молекул в единице объема диэлектрика
Рис.45. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты: 1- нейтральный диэлектрик, 2-полярный диэлектрик
Рис.46. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры: 1- нейтральный диэлектрик, 2-полярный диэлектрик.
В случае дипольных диэлектриков величина диэлектрической проницаемости заметно изменяется с изменением температуры.
Рис.47. Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры.
Например, при низких температурах вязкость жидкого дипольного диэлектрика большая и полярные молекулы не могут ориентироваться по направлению действия сил электрического поля. С увеличением температуры вязкость диэлектрика снижается и полярные молекулы могут осуществить поворот под действием сил электрического поля. При этом диэлектрическая проницаемость возрастает. При дальнейшем повышении температуры тепловая энергия полярных молекул возрастает и поворот их уже затрудняется. В результате этого величина диэлектрической проницаемости падает. Этот процесс иллюстрируется кривой 2 на (рис. 47). Здесь до температуры t1 в диэлектрике имеет место только электронная поляризация, начиная с температуры t1 и выше, в диэлектрике развивается процесс дипольной поляризации. В связи с этим наблюдается увеличение диэлектрической проницаемости. При температуре выше t2 под действием тепловой энергии диполи частично теряют ориентацию вследствие их усиливающегося беспорядочного теплового движения. Поэтому величина диэлектрической проницаемости материала снижается. У керамических диэлектриков с самопроизвольной поляризацией (сегнетоэлектрики) величина диэлектрической проницаемости с повышением температуры значительно увеличивается. Это объясняется тем, что кристаллическая структура данного диэлектрика при его нагревании переходит в другую. В новой же кристаллической структуре диэлектрик обладает более высокой величиной диэлектрической проницаемости. Температура диэлектрика, при которой совершается переход в другую кристаллическую структуру с одновременным резким изменением величины диэлектрической проницаемости, называется температурой Кюри ( ). Такое изменение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика при приближении к температуре Кюри резко возрастает, а за температурой Кюри – резко падает.