Поляризацией называется процесс смещения упруго связанных зарядов или ориентация диполей под действием электрического поля. В результате поляризации в объеме диэлектрика возникает суммарный электрический момент P, отличный от нуля. Поляризованностью ( вектором поляризации ) P называется индуцированный электрический момент единицы объёма диэлектрика: P = d p / dV
ПОЛЯРИЗОВАННОСТЬ P Е =0 Е ВН = 0 + - + - + - + - p Е ВН 0 Е 0 + - + - + - + - − + p ∑ p = P =0 ∑ p = P ≠0
Для линейных ( не активных ) диэлектриков: P = ε 0 χ E, [ Кл/м 2 ] χ – диэлектрическая восприимчивость (безразмерная величина) ε 0 = 8,854∙10 −12 Ф/м – диэлектрическая постоянная ( абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума ) ε a = ε 0 ε – абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества ε = 1 + χ – относительная диэлектрическая проницаемость
Е ВН 0 Е 0 + - + - + - + - − + p ε показывает во сколько раз ёмкость С конденсатора, между обкладками которого диэлектрик, больше ёмкости С 0 конденсатора, между обкладками которого вакуум. ε = Q / Q 0 =( Q 0 + Q d )/ Q 0 =1+ Q d / Q 0 всегда > 1 Для конденсатора к обкладкам которого приложено напряжение U Q = CU и значит: ε = C / C 0.
1. ПОЛЯРНЫЕ 2. НЕПОЛЯРНЫЕ H + O − 104 ° p ≠ 0 H + K + I − p≠0 p=0 C - H + C - C - H + H + H + H + H + … …
БЫСТРЫЕ ( упругие ): Электронная, Ионная упругая, Дипольная упругая. МЕДЛЕННЫЕ ( неупругие, релаксационные ): Ионно-релаксационная, Дипольно-релаксационная, Миграционная (междуслойная), Спонтанная. Малое время установления τ. Не приводят к потерям энергии при промышленных частотах. Большое время установления τ. Приводят к потерям энергии и нагреву диэлектрика.
l а е =0 б Е е =q l Наблюдается во всех диэлектриках. τ ~ 10 – 15 с. Не зависит от частоты электромагнитного поля вплоть до частот оптических колебаний. Не приводит к потере энергии поля.
ℓ 1 ℓ 2 ℓ 1 ≠ ℓ 2, p = q ( ℓ 2 – ℓ 1 ) E ℓ 1 ℓ 2 ℓ 1 = ℓ 2, p ~ 0 E =0 Характерна для ионных кристаллов с плотной упаковкой ионов ( NaCl, LiF и т.п.). τ ~ 10 – 13 с Не связана с потерями энергии и не зависит от частоты, вплоть до частот инфракрасного диапазона.
Наблюдается в ионных диэлектриках аморфного строения (стекла, керамика и т.д.), а также в неорганических кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (рыхлого строения). Заключается в смещениях слабосвязанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие амплитуду ангармонических тепловых колебаний.
Е В большинстве случаев ~ 10 6 –10 10 с.
Р ( t ) = Р 0 ехр( – t / τ ) Наблюдается в полярных газах, жидкостях и в некоторых твердых диэлектриках. В органических диэлектриках наблюдается ориентация не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной.
Перераспределение зарядов в слоистых диэлектриках (а) и диэлектриках с включениями (б). Е а 2 1 Е б 1 3 2 Наблюдается в диэлектриках, содержащих проводящие и полупроводящие включения или слои с различной проводимостью, в композиционных материалах. Время установления: секунды, минуты и даже часы.
Возникает без внешних воздействий в активных диэлектриках в виде доменов. Сегнетоэлектрики : сегнетова соль NaKC 4 H 4 O 6 4 H 2 O ; титанат бария BaTiO 3 ; нитрит натрия NaN О 2 и т.д. Наличие доменной структуры приводит к сильной поляризации во внешнем поле: ε > 1000
E E с 0 P s Цикл поляризации сегнетоэлектриков. -P s -E с Р S Р B T T K Температурные зависимости спонтанной поляризованности Р S и диэлектрической проницаемости в сегнетоэлектриках.
По видам поляризационных процессов диэлектрики можно разделить на: 1. Нейтральные и слабополярные, способные в основном к электронной поляризации твёрдые – парафин, сера, ПЭ жидкие – бензол, трансформаторное масло газы – азот, водород 2. Полярные, электронная и дипольно-релаксационная поляризация органические жидкие, полужидкие и твёрдые вещества – компаунды, смолы, целлюлоза
3. Ионные кристаллы с плотной упаковкой, электронная и ионная (упругая) поляризация кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил, первоскит 4. Неорганические стёкла и керамика, электронная и ионно-релаксационная поляризация фарфор, микалекс 5. Неоднородные диэлектрики, в зависимости от состава способны к любым видам поляризации 6. Активные диэлектрики, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики и т.д.
Т электронная поляризация ионная поляризация Т ε f 1 f 2 f 2 > f 1 ТК ε >0 так как с ростом Т возрастает поляризуемость ионов ТК ε <0 так как с ростом Т поляризуемость не изменяется, но увеличивается объем
Зависимость от температуры для полярных диэлектриков (дипольно-релаксационная поляризация) Т ε ω 1 ω 2 ω 1 < ω 2 При увеличении частоты, max ε смещается в область более высоких Т
Зависимость ε от частоты приложенного переменного электрического поля ε f Неполярный диэлектрик ε f Полярный диэлектрик область дисперсии ε
Диэлектрическая проницаемость композиционных диэлектриков ε 1 h ε 2 Для параллельного соединения: С=С 1 +С 2 = 0 1 S 1 / h + 0 2 S 2 / h С = 0 S 1 + S 2 / h *= y 1 1 + y 2 2 y 1 = S 1 /( S 1 + S 2 ); у 2 = S 2 /( S 1 + S 2 ) объемные концентрации y 1 + у 2 =1
h 1 2 h h ε 1 ε 2 Для последовательного соединения: 1 /С =1 /C 1 +1 /C 2 С 1 = 0 1 S / h 1 ; C 2 = 0 2 S / h 2 C = 0 S /( h 1 + h 2 ), обозначив y 1 = h 1 /( h 1 + h 2 ), y 2 = h 2 /( h 1 + h 2 ), получаем: 1/ = y 1 / 1 + y 2 / 2 или = 1 2 /( y 1 2 + y 2 1 ).
Для статистических смесей выполняется неравенство Винера: ∑ y i / i 1 ∑ y i i 1 2 3 В 100%А 0% В а * А 0% А 100%В Для смеси с разным объемным содержанием компонентов А и В в смеси: 1 – модель параллельного подключения; 2 – модель последовательного подключения; 3 – статистическая смесь. 1 3 2 4 ТК В ТК А ТК * б 1 2 3 0% А 100%В 100%А 0% В
Существует несколько приближенных формул расчета эффективной диэлектрической проницаемости для статистических смесей, которые дают тем более точный результат, чем ближе значения ε i. lg ε * =∑ y i lg ε i Формула Ландау-Лившица 3 √ ε * =∑ y i ∙ 3 √ ε i ∑y i = 1 Формула Лихтенекера-Роттера или логарифмический закон смешения приводит к «арифметическому закону смешения» для температурных коэффициентов диэлектрической проницаемости. ТК * = ∑ y i ТК i
