Что такое поляризация диэлектрика как при поляризации происходит разделение зарядов

Что такое поляризация диэлектрика

Содержание статьи

Диэлектрики и их виды

Диэлектриками считают вещества, которые не проводят электрический ток. К ним относят многие чистые жидкости, например масла, бензины и дистиллированную воду, а также керамику, стекло, сухую древесину, кристаллы солей и газы под воздействием несильных внешних полей. Четкой границы между проводниками и диэлектриками нет, поскольку все вещества в той или иной мере проводят электрический ток. Однако, если проводимость выражена слабо, ею можно пренебречь и считать вещество идеальным изолятором.

Под действием электрического поля заряды в диэлектриках могут смещаться только на незначительное расстояние, величина этого смещения не превышает размеры молекул и атомов. Данные смещения приводят в появлению индуцированных зарядов, в отличие от проводников, такие заряды могут возникать как на поверхности, так и внутри диэлектрика.

Механизм поляризации неполярных диэлектриков

К неполярным диэлектрикам относят вещества, которые состоят из атомов и молекул без собственного дипольного момента в отсутствии поля. Это газы с симметричными двухатомными молекулами — водород, кислород и азот, пластмассы, органические жидкости и бензины. В них центры положительных зарядов ядер совпадают с отрицательным зарядами электронных облаков.

Механизм поляризации неполярных диэлектриков называют индукционным. Под действием внешнего поля центры зарядов смещаются незначительно, при этом каждый атом приобретает индуцированный дипольный момент. Его направление совпадает с направлением поля, а величина зависит от его напряженности.

Поскольку каждая молекула приобрела дипольный момент, то весь диэлектрик также его приобрел. В отличие от проводников, в которых воздействие поля характеризуется величиной индуцированных зарядов, важным параметром диэлектриков является дипольный момент единицы объема — вектор поляризации.

Механизм поляризации полярных диэлектриков

Молекулы некоторых веществ обладают собственным дипольным моментом в отсутствии внешнего электрического поля, такие диэлектрики называют полярными. Электронные плотности в молекулах полярных диэлектриков смещены к одному из атомов, механизм поляризации здесь иной. В отсутствии внешнего поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, а их суммарный момент равен нулю.

Внешнее электрическое поле воздействует на вращающий момент каждой молекулы, в результате чего они начинают ориентироваться так, что их дипольный момент выстраивается вдоль вектора напряженности внешнего поля. Данный механизм поляризации называют ориентационным. При этом диэлектрик приобретает индуцированный дипольный момент.

Источник

Поляризация диэлектриков

Изучите поляризацию диэлектриков – смещение положительных и отрицательных зарядов. Узнайте, что такое диэлектрики, дипольный момент, изолятор, модель атома.

Поляризация диэлектриков возникает при разделении положительных и отрицательных зарядов в материале.

Задача обучения

Основные пункты

Термины

Полярность можно осознавать по-разному, потому что перед нами довольно объемное понятие. Его можно применить к молекулам, свету и электрическим полям. Здесь мы сосредоточимся на диэлектрической поляризации – разделение зарядов в материалах.

Диэлектрики

Диэлектрик – изолятор, который можно поляризовать электрическим полем. То есть, это материал, где заряд лишен свободного перемещения, но при наличии электрического поля может изменить распределение. Положительный заряд переправляется ближе к прикладному полю, а отрицательный сместится. Из-за этого внутри материала формируется слабое локальное поле, противостоящее прикладному.

Разные материалы отличаются реакцией на индуцированное поле. Все зависит от диэлектрической проницаемости. Это постоянная, то есть степень поляризуемости.

Атомная модель

При изучении диэлектриков, рассматривают их заряженные компоненты (протоны и электроны). Если на атом воздействует электрической поле, то электроны будут отдаляться, а протоны останутся относительно открытыми. Такое разделение формирует дипольный момент.

Когда активируется электрическое поле (Е), электроны удаляются от него. Их средняя позиция смещается от среднего положения протонов к дистанции (d). Дипольный момент атома – М

Поляризация диполей

На молекулярном уровне поляризация происходит с диполями и ионами. В полярных связях электроны притягиваются к конкретному ядру сильнее. В качестве примера можно привести воду (Н2О), обладающую изогнутой формой (угол – 104.45°), где кислород вытягивает электронную плотность от атомов Н, оставляя их положительными, а О – отрицательными.

Вода – пример дипольной молекулы, обладающей изогнутой формой (угол Н-О-Н достигает 104.45°), где кислород оттягивает электронную плотность от атомов Н, делая их положительными, а О – отрицательными

После воздействия электронного поля, молекула выравнивается, поворачивая положительный конец к полю, а отрицательный – от него.

Ионная поляризация

Ионные соединения представляют собою стабильно разделенные заряды ионов. Среди примеров можно вспомнить поваренную соль (NaCl), формирующуюся из ионов Na + и Cl. Формально они не связаны друг с другом химической связью, но очень сильно взаимодействуют из-за противоположных зарядов.

Ионы все еще свободны друг от друга и продолжат перемещаться наугад. Если изначально обладали асимметричным движением и приводят к большей концентрации положительных ионов в одной области и отрицательных в другой, то образец ионного соединения будет поляризован (ионная поляризация).

Источник

Поляризация диэлектриков

Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е₁, направленное против внешнего поля с напряженностью Е₀. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е₀-Е₁.

Содержание

Типы поляризации

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты. В связи с этим вводится понятие дисперсии диэлектрической проницаемости.

Зависимость вектора поляризации от внешнего поля

В постоянном поле

В слабых полях

В постоянном или достаточно медленно меняющемся от времени внешнем электрическом поле при достаточно малой величине напряженности этого поля, вектор поляризации P, как правило (исключение составляют сегнетоэлектрики), линейно зависит от вектора напряженности поля E:

(в системе СГС), (в системе СИ; дальше формулы в этом параграфе приводятся только в СГС, формулы СИ и дальше отличаются лишь электрической постоянной )

где — коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром — диэлектрической восприимчивостью) данной среды. Для однородной среды фиксированного состава и структуры в фиксированных условиях ее можно считать константой. Однако в связи со всем сказанным выше вообще говоря зависит от точки пространства, времени (явно или через другие параметры) и т. д.

Для изотропных [1] жидкостей, изотропных твердых тел или кристаллов достаточно высокой симметрии — просто число (скаляр). В более общем случае (для кристаллов низкой симметрии, под действием механических напряжений и т. д.) — тензор (симметричный тензор второго ранга, вообще говоря невырожденный), называемый тензором поляризуемости. В этом случае можно переписать формулу так (в компонентах):

где величины со значками соответствуют компонентам векторов и тензора, соответствующим трем пространственным координатам.

Можно заметить, что поляризуемость — одна из наиболее удобных физических величин для простой иллюстрации физического смысла тензоров и применения их в физике.

Как и для всякого симметричного невырожденного тензора второго ранга, для тензора поляризуемости можно выбрать (если среда неоднородная — то есть тензор зависит от точки пространства — то по крайней мере локально, если же среда однородная, то и глобально) т. н. собственный базис — прямоугольные декартовы координаты, в которых матрица становится диагональной, а тогда — только в этих координатах(!) — запись немного упрощается:

где — три собственных числа тензора поляризуемости.

Если все эти три собственных числа равны друг другу, значит умножение на тензор эквивалентно умножению на число, а среда изотропна (в отношении поляризуемости). (Отсюда ясно, почему кристалл с высокой симметрией не может давать анизотропии: требованиям симметрии могут удовлетворить только три одинаковых собственных числа).

В сильных полях

В достаточно сильных полях [2] всё описанное выше осложняется тем, что по мере роста напряженности электрического поля рано или поздно теряется линейность зависимости P от E.

Характер появляющейся нелинейности и характерная величина поля, с которой нелинейность становится заметной, тоже, конечно, зависит от индивидуальных свойств среды, условий итп.

Можно выделить их связь с типами поляризации, описанными выше.

Так для электронной и ионной поляризации при полях, приближающихся к величинам порядка отношения потенциала ионизации к характерному размеру молекулы U₀/D, характерно сначала ускорение роста вектора поляризации с ростом поля (увеличение наклона графика P(E)), затем плавно переходящее в пробой диэлектрика.

Дипольная (Ориентационная) поляризация при обычно несколько более низких значениях напряженности внешнего поля — порядка kT/p (где p — дипольный момент молекулы, T — температура, k — константа Больцмана) — то есть когда энергия взаимодействия диполя (молекулы) с полем становится сравнимой со средней энергией теплового движения (вращения) диполя — наоборот начинает достигать насыщения (при дальнейшем росте напряженности поля должен рано или поздно включиться сценарий электронной или ионной поляризации, описанный выше, и кончающийся пробоем).

В зависящем от времени поле

Зависимость вектора поляризации от быстро меняющегося во времени внешнего поля достаточно сложна. Она зависит от конкретного вида изменения внешнего поля со временем, быстроты этого изменения (или, скажем, частоты колебаний) внешнего поля, превалирующего механизма поляризации в данном веществе или среде (который тоже оказывается разным для разных зависимостей внешнего поля от времени, частот и т. д.).

При достаточно медленном изменении внешнего поля поляризация в целом происходит как в постоянном поле или очень близко к этому (впрочем то, насколько медленным должно быть для этого изменение поля, зависит, и зачастую крайне сильно, от превалирующего типа поляризации и других условий, например температуры).

Одним из наиболее распространенных подходов к изучению зависимости поляризации от характера меняющегося во времени поля является исследование (теоретическое и экспериментальное) случая синусоидальной зависимости от времени внешнего поля и зависимости вектора поляризации (также меняющегося в этом случае по синусоидальному закону с той же частотой), его амплитуды и сдвига фазы от частоты.

Каждому механизму поляризации в целом соответствует тот или иной диапазон частот и общий характер зависимости от частоты.

Диапазон частот, в котором имеет смысл говорить о поляризации диэлектриков как таковой, простирается от нуля где-то до ультрафиолетовой области, в которой становится интенсивной ионизация под действием поля.

Источник

Диэлектрики в электростатическом поле

В энергетике и электронике используются материалы с разной степенью электрической проводимости. Одни применяются в качестве проводников, а другие как изоляторы. В статье будет рассмотрено следующее — как диэлектрики ведут себя в электростатическом поле, структуру таких материалов, а так же их влияние на электростатическое поле.

Определение

Диэлектриком называют вещество или материал, которые при обычных условиях не проводят электрический ток. Объясняется это следующим образом — отсутствие в составе таких веществ или материалов свободных носителей тока, которые могли бы перемещаться под воздействием внешних магнитных или электрических полей.

Но несмотря на полное отсутствие проводимости, изоляторы способны взаимодействовать с электричеством. Само взаимодействие в физике называется поляризацией.

Поляризация — это процесс, который приводит к смещению зарядов материала, если на него воздействует какое-то электростатическое поле. Процессу свойственно образование собственного магнитного поля внутри вещества. Направленность этого поля прямо противоположна напряжённости внешнего электростатического поля.

Процесс поляризации известен всем и он достаточно прост. Всем мы помним опыт с пластиковой ручкой, кусочками бумаги и ткани. Если натереть пластик о шерстяную ткань, то за счет трения образуется слабый по величине ток, который начинает притягивать кусочек бумаги. Это притяжение и является взаимодействием с диэлектриком, которым в данном опыте выступает кусочек бумаги.

Виды поляризации

Поляризация является основным свойством изоляционных материалов. Существует два основных типа поляризации — быстрая (упругая) и медленная (неупругая, релаксационная).

В свою очередь быстрая поляризация может быть:

Получается, что быстрая поляризация отличается малым временем установления τ и не приводит к потерям энергии на промышленных частотах.

Медленная поляризация может быть:

Можно сделать следующее заключение — такие диэлектрики отличаются большим временем установления τ. При этом происходят потери энергии и нагрев таких диэлектриков.

Расчет поляризации

Заряд, который образуется при поляризации диэлектрика, распределен по всему объему поляризуемого вещества. Однако во время процесса на поверхности вещества возникает слабый электрический заряд, который имеет поверхностную плотность Q. Этот заряд может двигаться как в направлении внешней стороны поля, так и в обратную сторону от него. На данную направленность заряда оказывает влияние его потенциал.

Вектор поляризации зависим от направленности внешнего электрического поля. На него воздействует как напряженность, так и время ее изменения. Проследить эту зависимость можно с помощью такой формулы:

При этом напряженность поля внутри диэлектрика равна сумме «E0» и «Eʹ». «E0» —это напряженность поля, которое создается свободными зарядами, а «Eʹ» — напряженность поля, созданного связанными зарядами. То что было описано до этого можно довольно просто выразить такой формулой:

Обратное воздействие

До этого мы выяснили, что при нахождении непроводящего материала во внешнем электрическом поле происходит следующее:

Все эти процессы возникают из-за воздействия внешнего поля. Однако они же приводят к тому, что диэлектрик ослабляет воздействие на него напряженности внешнего поля. Происходит это за счет образования индуцированного внутреннего поля, которое формирует сама структура такого вещества. Оно воздействует на напряженность внешней нагрузки и понижает ее, в зависимости от величины такого образованного поля. Происходит это так же из-за того, что внутри структуры вещества появляются отрицательно заряженные частицы, которые направлены в противоположную от внешнего поля сторону. Часть энергии, затраченная на поляризацию вещества, отводится в сторону и приводит к ослаблению внешнего воздействия на сам диэлектрик.

Разновидности диэлектриков

Изоляционные материалы имеют свойство к поляризации и обратному воздействию на электростатические поля. Но эти свойства не могут быть одинаковыми для всех материалов. Они зависят от разновидности самих материалов, которые подразделяются на:

Свойства кристаллических диэлектриков сильно отличаются от свойств изоляторов из органических, неорганических веществ, используемых в повседневной жизни. Такие материалы применяются в чувствительных датчиках СВЧ, различных радиодеталях и генераторах тока.

Диэлектрические материалы не способны по своей природе проводить электрический ток. Благодаря этому становится понятно, почему они используются в качестве разнообразных изоляторов. Например, их используют в качестве рукояток для электромонтажных инструментов. Но под воздействием токов, в структуре диэлектриков могут возникать слабые электрические токи. Они не могут нанести вред человеку, но способны изменять в некоторой мере внешнее воздействующее поле.

Видео по теме

Источник

4 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Как уже отмечалось, к диэлектрикам относятся материалы с шириной запрещенной зоны более
3 эВ.

4.1 Поляризация диэлектриков

► Сущность поляризации. Ее количественная оценка и влияние на свойства диэлектрика

Поляризацией называется состояние диэлектрика, при котором любой элемент его объема обладает электрическим моментом. Как правило, поляризация возникает под действием внешнего электрического поля, хотя в некоторых случаях возможна спонтанная поляризация. Иногда поляризация возникает под действием механических напряжений.

Кроме того, поляризацией называется сам процесс смещения и упорядочения связанных зарядов под действием внешнего поля.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε, которая является характеристикой интенсивности процесса поляризации в данном диэлектрике.

(4.1)

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества. В результате этого каждый элементарный объем dV диэлектрика приобретает индуцированный (наведенный) электрический момент dp; именно его образование является сущностью явления поляризации.

Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика – векторная физическая величина, равная отношению электрического момента элемента диэлектрика к объему этого элемента и выражаемая в Кл/м 2 :

(4.2)

Направление поляризованности совпадает с направлением электрического момента – от отрицательного заряда к положительному.

При описании любых явлений в диэлектрике, в том числе и поляризации, обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами для подвода электрического напряжения, т.е. некоторый участок изоляции. Рассмотрим простейший случай такого участка – плоский конденсатор с активным поперечным сечением диэлектрика (т.е. площадью каждого электрода, или обкладки) S и толщиной слоя диэлектрика (т.е. расстоянием между обкладками) h (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Расположение зарядов в поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

Пусть поверхностная плотность связанных зарядов, выявившихся в результате поляризации на поверхностях диэлектрика, которые прилегают к обкладкам, равна σ. Поскольку в глубине диэлектрика, как видно из рисунка 4.1, положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируют друг друга, электрический момент всего объема диэлектрика определяется произведением заряда у каждой обкладки, равного σ·S, на расстояние между обкладками h. Объем диэлектрика можно найти как S·h, тогда поляризованность будет равна

(4.3)

где р_i – электрический момент i-той частицы в элементарном объеме ΔV;

N – количество частиц в ΔV.

Таким образом, поляризованность однородного плоского диэлектрика в равномерном электрическом поле численно равна поверхностной плотности связанных зарядов в нем.

У обычных линейных диэлектриков поляризованность пропорциональна напряженности внешнего поля Е:

(4.4)

Безразмерный параметр χ называется электрической восприимчивостью вещества.

В изотропных веществах направления векторов Р и Е совпадают. Для анизотропных диэлектриков (кристаллы, текстуры) направление Р образует с направлением Е некоторый угол.

Электрическая восприимчивость χ и относительная диэлектрическая проницаемость ε связаны между собой. Эту связь можно вывести через еще одну физическую характеристику поля – электрическое смещение D:

(4.5)

В то же время электрическое смещение может быть найдено через поляризованность Р:

(4.6)

Тогда, приравняв правые части формул (4.5) и (4.6), подставив вместо Р его выражение из (4.4) и сократив ε₀, получим искомую связь в виде

(4.7)

Для любого вещества ε > 1, т.к. χ – положительная величина. Только для вакуума χ = 0 и, следовательно, ε = 1. У газов, плотность которых мала и число поляризующихся частиц в единице объема незначительно, ε ≈ 1 (например, для воздуха при нормальных условиях давления и температуры ε = 1,00058). Для жидких и твердых тел ε составляет единицы, десятки и даже более того.

Значение ε характеризует способность диэлектрика образовывать электрическую емкость. Емкость участка изоляции:

(4.8)

где Λ – приведенная длина участка изоляции.

Для тела с постоянным по всей длине поперечным сечением S и длиной h (например, жила провода или кабеля, диэлектрик плоского конденсатора):

(4.9)

а для цилиндра с внешним и внутренним диаметрами D и d соответственно и осевой длиной l (например, диэлектрик цилиндрического конденсатора или изоляция коаксиального кабеля):

(4.10)

Поэтому относительную диэлектрическую проницаемость ε можно определить как число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора при заполнении его данным диэлектриком, а абсолютную диэлектрическую проницаемость ε_а – как удельную емкость конденсатора.

Параметр ε характеризует также способность вещества накапливать электростатическую энергию:

(4.11)

где С – емкость участка изоляции;

U – напряжение между электродами.

Кроме того, ε вместе с относительной магнитной проницаемостью μ, определяет условия распространения электромагнитных волн в различных средах. Скорость света (электромагнитной волны) в вакууме:

,

(4.12)

Скорость электромагнитной волны в веществе:

(4.13)

Отношение скоростей света в вакууме и в веществе с/v есть абсолютный показатель преломления n вещества; следовательно,

(4.14)

Большинство диэлектриков относится к немагнитным материалам, т.е. для них μ ≈ 1 и

(4.15)

Таким образом, при одном и том же периоде колебаний Т, волна распространяется в веществе медленнее, чем в вакууме, а ее длина λ в веществе меньше, чем в пустоте λ₀:

(4.16)

Волновое сопротивление диэлектрика Z₀, т.е. отношение модулей напряженностей электрического поля Е и магнитного поля Н электромагнитной волны в диэлектрике, определяется выражением:

(4.17)

Если рассматривать не макроскопический (т.е. содержащий весьма большое число молекул) объем диэлектрика, а отдельную молекулу или другую способную поляризоваться частицу, то для линейных диэлектриков индуцированный электрический момент частицы р_и определяется как

(4.18)

где α – поляризуемость частицы.

Если в единице объема диэлектрика содержится N частиц с поляризуемостью α каждая, то поляризованность будет определяться как

(4.19)

что при сопоставлении с выражением (4.4) дает

(4.20)

или, с учетом (4.7), относительная диэлектрическая проницаемость будет равна

(4.21)

т. е. она зависит от поляризуемости частиц и их содержания в единице объема вещества.

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник