Поляризация диэлектриков. Электронная поляризация. Ионная поляризация

Основными электрическими процессами, возникающими в диэлектриках под воздействием приложенного напряжения, являются процессы поляризации, электропроводности и пробоя диэлектриков.

Поляризация представляет собой обратимое смещение электрически заряженных частиц, входящих в состав диэлектриков. Различают следующие основные виды поляризации: электронная, ионная, дипольная, спонтанная и некоторые другие.

Процесс поляризации диэлектриков описывается уравнением Клаузиуса - Мосотти

где - диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала; - число частиц (молекул, ионов) в 1 см3 материала; - поляризуемость частицы (молекула, ион); Р - удельная поляризация диэлектрика.

Уравнение Клаузиуса - Мосотти устанавливает связь между практической характеристикой материала - диэлектрической проницаемостью , физической постоянной материала и числом поляризующихся частиц в единице объема диэлектрика .

Электронная поляризация представляет собой процесс упругого смещения электронов (электронных орбит) относительно ядра во всех атомах диэлектрика. Процесс электронной поляризации является процессом мгновенным. Он происходит за время с. Электронная поляризация имеет место во всех диэлектриках.

Электронная поляризуемость зависит от структуры частицы. Чем больше радиус молекулы или иона, тем больше и величина данного диэлектрика.

В пропорциональной зависимости от числа частиц в единице объема диэлектрика находится и величина . С нагреванием, когда плотность диэлектрика уменьшается, наблюдается уменьшение ε нейтрального диэлектрика (рис. 5-1, кривая 1).

У диэлектриков с чисто электронной поляризацией величина численно равна квадрату показателя преломления света.

Процесс ионной поляризации представляет собой упругое смещение под действием электрического поля ионов относительно центров их равновесия. Поляризация ионного смещения происходит за время, сравнимое со временем собственных колебаний ионов, и составляет с.

Интенсивность процесса ионной поляризации в уравнении Клаузиуса - Мосотти учитывается величиной ионной поляризуемости :

где е - заряд иона; b - коэффициент упругой связи между ионами.

С повышением температуры ионного диэлектрика величина аи возрастает в связи с ослаблением упругих сил в ионном ди-электрике и увеличением амплитуды колебаний иона. Поэтому интенсивность процесса ионной поляризации возрастает с повышением температуры. В ионных диэлектриках одновременно с поляризацией ионного смещения развивается также процесс электронной поляризации - явление, которое с нагревом и расширением диэлектрика понижается, но суммарный эффект поляризации у большинства ионных диэлектриков возрастает (рис. 5-2) с повышением их температуры.

Рис. 5.2 Зависимость e от температуры для ионного кристаллического диэлектрика.

Электронная и ионная поляризации представляют собой виды деформационной поляризации, не вызывающие потерь энергии в диэлектриках. Дипольная (дипольно-релаксационная) поляризация протекает в полярных диэлектриках под действием электрического поля. Этот вид поляризации представляет собой ориентацию - поворот полярных молекул в направлении действующего электрического поля.

Поляризуемость полярных молекул ао определяется выражением

где - начальный электрический момент полярной молекулы; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

При повышении температуры диэлектрика интенсивность дипольной поляризации возрастает в связи с ослаблением междумолекулярных сил и понижением коэффициента внутреннего трения. Поэтому с повышением температуры вначале полярных диэлектриков увеличивается (рис. 5-1), С дальнейшим ростом температуры интенсивность хаотического теплового движения полярных молекул начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля и эффект дипольной поляризации понижается. Это в свою очередь вызывает уменьшение полярных диэлектриков.

Для ориентации полярных молекул в процессе дипольной поляризации требуются промежутки времен, значительно большие по сравнению со временем для процессов деформационных поляризаций. Естественно, диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков в сильной степени зависит от частоты электрического поля (рис. 5-3).

Рис. 5.3 Зависимость e от частоты для электроизоляционных жидкостей.
1-нейтральная жидкость; 2-полярная жидкость.

В начальном диапазоне частот полярные молекулы успевают совершить свой поворот за время одного полупериода. При этом практически равна при постоянном напряжении. С дальнейшим ростом частоты время одного полупериода сокращается и ряд молекул выпадает из процесса дипольной поляризации. При этом диэлектрическая проницаемость диэлектрика резко снижается, достигая (при очень больших частотах) значения , обусловленного только электронной поляризацией молекул диэлектрика. Критическая частота , с которой начинается резкое снижение эффекта дипольной поляризации, может быть определена по формуле

где - радиус полярной молекулы; - абсолютная вязкость; - постоянная Больцмана; - абсолютная температура.

Дипольная поляризация ярко выражена у полярных газов и жидкостей (касторовое масло, совол и др.). В твердых полярных диэлектриках дипольная поляризация представляет собой не ориентацию самих полярных молекул, а поворот имеющихся в молекулах полярных радикалов, например гидроксильных групп в молекулах целлюлозы, бакелита и др. Этот вид дипольно-релаксационной поляризации иногда называется структурной поляризацией. На рис. 5-4 представлена зависимость твердого полярного диэлектрика - галовакса от температуры при разных частотах.

Рис. 5.4 Зависимость e галовакса от температуры при разных частотах.

Значения диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков зависят от размеров полярных молекул и величин их начального электрического момента. Чем меньше размер полярной молекулы - диполя и больше величина ее начального момента , тем больше данного диэлектрика. У полярных диэлектриков одновременно имеют место дипольная и электронная поляризации. Вследствие этого суммарный эффект поляризации полярных диэлектриков, а следовательно, и значения их диэлектрических проницаемостей намного выше, чем у нейтральных диэлектриков (табл. 5-1).

Нейтральные диэлектрики
Название	e при 20° С
Четыреххлористый углерод Бензол Парафин Политетрафторэтилен Касторовое масло Совол Бакелит Галовакс Глифталь	2,23 2,218 2,0-2,2 1,9-2,0 4,5-4,8 5,0-5,2 4,6 5,0 8,0

Дипольно-релаксационные поляризации вызывают потери энергии в диэлектриках, так как электрическое поле затрачивает энергию на поворот полярных молекул (диполей). Эта энергия рассеивается в полярных диэлектриках в виде тепла, которое вызывает нагрев последних. Потери мощности в диэлектриках, работающих в переменном поле, оцениваются тангенсом угла диэлектрических потерь . На рис. 5-5 показаны зависимости этой характеристики от температуры для нейтральной и црлярной жидкостей.

Рис. 5.5 Зависимость от температуры для электроизоляционных жидкостей.
1-нейтральная жидкость;
2-полярная жидкость.

У тщательно очищенных нейтральных диэлектриков диэлектрические потери обусловлены преимущественно токами проводимости, величины которых возрастают с повышением температуры диэлектрика. В связи с этим возрастает и . У полярных диэлектриков наблюдается максимум при такой величине вязкости диэлектрика, когда в процессе дипольной поляризации принимает участие наибольшее количество полярных молекул. Понижение величины с дальнейшим повышением температуры обусловлено ростом интенсивности беспорядочного теплового движения полярных молекул. Вторичный подъем вызван увеличением тока проводимости в диэлектрике.

На рис. 5-6 представлена частотная зависимость для полярной жидкости. Максимум здесь соответствует частоте , с которой начинается снижение величины (рис. 5-3) и . Это объясняется тем, что большинство полярных молекул выходит из процесса дипольной поляризации в связи с уменьшением времени одного полупериода при дальнейшем увеличении частоты электрического поля.

Рис. 5.6 Зависимость от частоты для полярной электроизоляционной жидкости.

Еще один вид релаксационной поляризации наблюдается в неорганических стеклах, а также в ионных кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (муллит в фарфоре и др.). В этих диэлектриках слабо связанные ионы, находящиеся в состоянии хаотических тепловых колебаний, перебрасываются электрическим полем. Этот процесс получил название ионно-релаксационной поляризации. Переброс слабо связанных ионов вызывает дополнительные потери энергии.

Самопроизвольная (спонтанная поляризация) представляет собой процесс самопроизвольной ориентации диполей, наблюдаемой внутри отдельных областей (доменов) диэлектрика в отсутствие электрического поля. Самопроизвольная поляризация имеет место у материалов, называемых сегнетоэлектриками.

В отсутствие электрического поля электрические моменты отдельных областей (доменов) диэлектрика направлены беспорядочно, но они взаимно уравновешивают друг друга. Наложение на диэлектрик электрического поля вызывает ориентацию диполей в направлении поля. При этом интенсивность поляризации резко возрастает, вследствие чего наблюдается сильный рост диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика. Этот процесс продолжается до определенной напряженности электрического поля, а затем наступает насыщение (рис. 5-7).

Рис. 5.7 Зависимость e сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля

Дальнейшее повышение напряженности не увеличивает интенсивности поляризации, и рост прекращается. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрических материалов имеет также ярко выраженный максимум при вполне определенной температуре (рис. 5-8).

Рис. 5.8 Зависимость e сегнетоэлектрика (ВaTiО3) от температуры.

Эта температура называется сегнетоэлектрической температурой Кюри (). Наличие спонтанной поляризации обусловливает аномально большие значения у сегнетоэлектриков (сегнетова соль, титанат бария и др.). Процесс самопроизвольной поляризации сопровождается затратой энергии, рассеиваемой в диэлектриках в виде тепла.

Таблица 5-1

Дополнительно по теме