Что такое поляризация электричество

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

Электронная библиотека

Электрической поляризацией называют процесс смещения упруго связанных электрических зарядов или ориентацию диполей в направлении приложенного электрического поля. Другими словами, электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля.

При описании электрических явлений (в том числе и поляризации) обычно рассматривают систему, состоящую из электродов, между которыми находится диэлектрик. К указанным электродам подводится напряжение, т.е. рассматривается некоторый участок конструкции, которой может быть электрический конденсатор, кабель, обмотка электрической машины или трансформатора и т.п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его параметров в лаборатории. В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов (носителей заряда), всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, ионы.

Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные заряды — в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные заряды — в обратном направлении (рис. 4.8). В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика (dV) приобретает индуцированный электрический момент (dP). Образование индуцированного электрического момента (Р) в диэлектрике и представляет собой явление поляризации.

Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованностъ, интенсивность поляризации), который равен отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремиться к нулю:

Для однородного диэлектрика с неполярными молекулами, находящимися в однородном электрическом поле, вектор поляризации равен:

где – индуцированный момент одной молекулы (атома); N₀ – число молекул (атомов) в единице объема.

Значение индуцированного электрического момента ( ) зависит от напряженности внешнего электрического поля:

Используя выражения (4.20) и (4.21) получим:

где – безразмерный параметр – диэлектрическая восприимчивость вещества, или поляризуемость единицы объема диэлектрика.

Для однородного диэлектрика с полярными молекулами, помещенного в однородное электрическое поле:

где – среднее значение составляющей вдоль поля вектора постоянного дипольного момента молекулы; вычисляется с использованием распределения Больцмана для частиц в силовом поле:

При а 29 Кл∙м – электрический (дипольный) момент молекулы Дебая.

Собственный электрический момент молекулы равен:

где q – суммарный положительный (или численно равный ему суммарный отрицательный) электрический заряд молекулы; l – расстояние между центрами тяжести суммарных положительных (+q) и отрицательных (-q) зарядов (плечо диполя) (рис. 4.9).

Одной из важнейших характеристик диэлектрика, имеющей особое значение для техники, является его относительная диэлектрическая проницаемость (ε). Значение ε представляет отношение заряда (Q), полученного при некотором напряжении на конденсаторе с данным диэлектриком, к заряду (Q₀), который можно получить в конденсаторе тех же геометрических размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

Из выражения (4.27) следует, что значение ε не может быть меньше 1.

Значение относительной диэлектрической проницаемости любого диэлектрика не зависит от выбора системы единиц. В дальнейшем для оценки свойств диэлектриков используется именно относительную диэлектрическую проницаемость, причем слово «относительная» для краткости опускается.

Величина заряда (Q) может быть найдена из выражения:

где С – емкость конденсатора; U – приложенное к нему напряжение.

Выражение (4.28) может быть представлено в виде:

где С₀ – емкость вакуумного конденсатора (геометрическая емкость).

Анализируя выражение (4.29), можно дать следующее определение относительной диэлектрической проницаемости. Величина относительной диэлектрической

проницаемости (ε) показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора такой же геометрической конфигурации, у которого между обкладками находится вакуум.

Следовательно, величина ε диэлектрика определяет величину емкости (С) электро- и радиотехнических конструкций:

где Δ – геометрический фактор.

Между диэлектрической проницаемостью (ε), поляризуемостью (α) и диэлектрической восприимчивостью ( ) существует следующая зависимость:

Поведение диэлектрика в электрическом поле может также характеризоваться абсолютной диэлектрической проницаемостью:

В настоящее время общепринято разделение большей части диэлектриков на два класса:

Постоянный электрический момент полярной молекулы, как и всякий электрический момент, является векторной величиной. Будем принимать за направление вектора направление от отрицательного заряда к положительному (см. рис. 4.9).

Независимо от результатов, которые могут быть получены при изучении электрических свойств вещества, о наличии у молекул этого вещества собственного электрического момента можно судить по химическому строению его молекул. И, наоборот, экспериментальное определение дипольного момента (µ) дает возможность делать весьма важные заключения о структуре молекул вещества. Очевидно, что молекулы, которые построены симметрично (при наличии центра симметрии), являются неполярными, так как в этом случае центры тяжести как положительных, так и отрицательных зарядов молекулы совпадают с центром симметрии молекулы, а следовательно, и друг с другом (при этом можем даже не интересоваться знаком заряда отдельных атомов и ионов, из которых построена молекула). Наоборот, несимметричные молекулы являются жесткими диполями.

Так, одноатомные молекулы (Не, Ne, Ar, Кг, Хе) и молекулы, состоящие из двух одинаковых атомов, соединенных друг с другом гомеополярной связью (H₂, N₂, Cl₂ и т.п.), неполярны. А молекулы такого типичного ионного (с гетерополярной связью) соединения, как йодистый калий KI (рис. 4.10, а), полярны и имеют весьма большой по

стоянный электрический момент Кл·м. Направлен этот момент от отрицательно заряженного иона ( ) к положительно заряженному иону ( ).

Чем больше отличаются друг от друга электроотрицательности атомов, образующих двухатомную молекулу, т. е, чем сильнее смещена в сторону одного из атомов их общая электронная пара, тем больше электрический момент такой молекулы. Например, по мере уменьшения электроотрицательности галогенов в ряду от фтора к йоду уменьшается дипольный момент молекул галогеноводородов:

Очень важно заметить, что при суждении о полярности молекулы по ее строению необходимо учитывать не только условное написание химической формулы вещества, но и фактическое расположение зарядов в пространстве. Так, формулы угольного ангидрида и воды в записях СО₂ и Н₂О похожи, но в действительности, молекула угольного ангидрида имеет симметричное строение с центром симметрии (рис. 4.10, 6) и потому угольный ангидрид неполярен. А молекула воды имеет вид равнобедренного треугольника (рис. 4.10, в) и потому вода имеет резко выраженные полярные свойства (для молекулы воды µ = 6,1·10 30 Кл·м).

Бензол С₆Н₆ – вещество неполярное; при замещении одного атома водорода в бензоле другим элементом или группой получаем полярные вещества:

К неорганическим веществам с высоким значением µ относятся:

Из числа применяемых в электроизоляционной технике органических материалов практически неполярными являются такие вещества углеводородного состава, как полиэтилен – полимер, имеющий следующее строение (упрощенно):

а также парафин, церезин, полиизобутилен, полипропилен, полистирол, невулканизированный каучук, эскапон, нефтяные электроизоляционные масла и др.

Сильно полярными являются: поливинилхлорид, который имеет следующее строение:

поливиниловый спирт и его производные, целлюлоза и ее производные, фенолформальдегидные смолы и т.п.

Политетрафторэтилен (фторлон-4), имеющий следующее строение:

можно рассматривать как полимерный углеводород (полиэтилен), в котором атомы водорода полностью замещены атомами фтора, благодаря симметричной структуре каждого звена молекулярной цепочки неполярен; но политрифторхлорэтилен (фторлон-3) имеет несимметричное строение и потому полярен.

Основные виды поляризации

В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектриков различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную, ионно-релаксационную, дипольно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную.

Индуцированный под действием приложенного электрического поля суммарный электрический заряд обусловливается суммой различных видов поляризации. Механизмы поляризации могут наблюдаться в различных диэлектриках, однако несколько механизмов поляризации могут наблюдаться одновременно у одного диэлектрика. Гипотетический диэлектрик, обладающий всеми механизмами поляризации, может быть

представлен эквивалентной схемой, в которой каждому механизму поляризации соответствует включенная параллельно источнику напряжения (U) емкость (С) (рис. 4.11).

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. При увеличении размеров атомов электронная поляризуемость увеличивается, так как ослабевает связь внешних электронных оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки (l), но и возрастает заряд (q).

Для веществ ионного строения существенна поляризация не атомов, а ионов. Различные ионы обладают заметно различающимися значениями отношения электронной геометрической поляризуемости ( ) к кубу радиуса иона ( ).

Например, отношение для следующих ионов равны:

Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать дипольно-релаксационную поляризацию; однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. В связи с этим дипольно-релаксационная поляризация с увеличением температуры вначале возрастает, пока ослабление сил межмолекулярного взаимодействия преобладает над возрастанием хаотического теплового движения молекул. Затем, когда интенсивность теплового движения молекул будет преобладать (тепловая энергия «разбрасывает» диполи), дипольно-релаксационная поляризация будет уменьшается (рис. 4.14). При снятии приложенного электрического поля дипольно-релаксационная поляризация нарушается хаотическим тепловым движением молекул, а поляризованность (Р) спадает по экспоненциальному закону:

где Р₀ – поляризованность в момент снятия напряжения; – постоянная времени этого процесса, называемая временем релаксации дипольной поляризации.

Время релаксация – это промежуток времени, в течение которого поляризованность диэлектрика после снятия поля уменьшается вследствие теплового движения молекул в раза от первоначальной. Между временем релаксации ( ), энергией активации (W) и частотой собственных колебаний релаксирующей частицы (f) существует следующая зависимость:

Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных газах, жидкостях. Поляризация этого вида может наблюдаться также и в твердых диэлектриках. Однако в некоторых твердых, в большинстве своем органических, диэлектриках дипольно-релаксационная поляризация обычно обусловлена уже не ориентацией самой молекулы, а ориентацией имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной. Примером веществ с поляризацией этого вида является целлюлоза, полярность которой объясняется наличием гидроксильных групп (ОН) и кислорода. В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми Ван-Дер-Вальсовскими связями возможна ориентация и более крупных частиц.

Емкость С_ир и заряд Q_up (см. рис 4.11) характеризуют ионно-релаксационную поляризацию. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабосвязанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие амплитуду ангармонических тепловых колебаний. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры (см. рис. 4.14) за счет ослабления сил взаимодействия. При увеличении частоты значение ε_ир снижается за счет инерционности процесса переориентации (см. рис. 4.13). Поляризация этого вида связана с потерями энергии, что отраженно (см. рис. 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С_ир активного сопротивления R_up.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках аморфного строения (стекле, керамике и т.д.), а также в неорганических кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (рыхлого строения).

Эти диэлектрики могут обладать исключительно высоким значением диэлектрической проницаемости (CaTiO₂ – титанит кальция имеет ε = 150; и т.д.). Кроме того, у этих диэлектриков наблюдается максимум ε в температурной зависимости. Этот вид поляризации связан с потерями энергии, что отражено на рис. 4.11 в виде последовательно включенного с емкостью С_эр активного сопротивления R_эp.

Емкость С_m и заряд Q_m (рис. 4.11) характеризуют миграционную поляризацию. Миграционная (структурная) поляризация обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью и т.п., а также в композиционных диэлектриках. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящихся и полупроводящих включений начинают перемещаться в пределах каждого включения, образуя поляризованные области на границе раздела сред (рис. 4.17). Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поляризация этого вида обычно возможна лишь на низких частотах.

Поляризация этого вида связана с потерями энергии, что отражено (см. рис 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С_m активного сопротивления R_m.

Емкость С_рез и заряд Q_peз (см. рис. 4.11) характеризуют резонансную поляризацию. Резонансная поляризация проявляется в диэлектриках при оптических частотах. Она зависит от физико-химических особенностей диэлектриков, может относиться к собственной частоте электронов или ионов (при очень высоких частотах) или к характеристической частоте дефектных электронов (при более низких частотах). Резонансные изменения показаны на рис. 4.18.

Резонансная электронная поляризация связана с аномальной дисперсией света и еще недостаточно изучена. При аномальной дисперсии показатель преломления вещества для определенной частоты возрастает вследствие того, что за счет резонанса с собственными колебаниями частиц уменьшается фазовая скорость распространения колебаний, и материал для данной волны становится «вязким»:

где – показатель преломления для определенной частоты; – фазовая скорость распространения колебаний этой частоты в диэлектрике; с = 3·10 8 м/с – скорость волн всех частот в вакууме.

При резонансе сильно возрастает поглощение энергии волны. С увеличением

частоты значение ε резко падает ввиду «выключения» данного механизма поляризации.

Все емкости эквивалентной схемы (см. рис.4.11) шунтированы R_из и представляют собой сопротивление диэлектрика току сквозной проводимости. Емкость С_сn и заряд Q_cn и активное сопротивление R_cn (см. рис.4.11) характеризуют спонтанную поляризацию. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация – поляризация, возникающая под влиянием внутренних процессов в диэлектриках без внешних воздействий. Поляризация этого типа нелинейно зависит от напряженности электрического поля (рис. 4.19) и при циклическом изменении ε имеет вид характерной замкнутой кривой — петли гистерезиса (рис. 4.20).

Диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, получили название сегнетоэлектриков (сегнетова соль NaKC₄H₄O₆·4H₂O; титанат бария BaTiO₃, нитрит натрия NaNO₂ и т.д.). Особенностью строения сегнетоэлектриков является наличие в них доменной структуры (подобно структуре ферро- и ферримагнетиков). Следовательно, наложение внешнего электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации.

Одним из основных параметров сегнетоэлектриков является сегнетоэлектрическая точка Кюри (в отличие от магнитной). Это температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагреве) спонтанная поляризация. После достижения точки Кюри, при подъёме температуры или снижении, происходит фазовый переход вещества из сегнетоэлектрического состояния в пароэлектрическое (рис.4.21). Спонтанная поляризация сопровождается значительным рассеянием энергии.

Как и другие электрические параметры диэлектриков, диэлектрическая проницаемость (ε) зависит от изменяющихся внешних факторов: частоты приложенного к диэлектрику электрического поля, температуры, давления, влажности и т.п.

Зависимость ε от частоты

Как уже отмечалось, время установления электронной или ионной поляризации весьма мало по сравнению со временем изменения знака напряжения (т.е. с полупериодом изменения напряжения) даже для наиболее высоких практически применяемых в электротехнике и радиотехнике частот. Поэтому поляризация диэлектриков, для которых характерен лишь деформационный механизм поляризации, успевает полностью установиться за время, чрезвычайно малое по сравнению с полупериодом напряжения, и нет оснований для того, чтобы появилась практически существенная зависимость ε от частоты у таких диэлектриков.

Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты в чрезвычайно широких пределах (рис. 4.22). Иначе обстоит дело в случае дипольной поляризации. При повышении частоты переменного напряжения значение ε полярного диэлектрика сначала также остается неизменным, но, начиная с некоторой критической частоты (f₀), когда поляризация уже не успевает полностью установиться за один полупериод, ε снижается, приближаясь при весьма высоких частотах к значениям, характерным для неполярных диэлектриков. Значение f₀ может приближенно получено из выражения:

где – динамическая вязкость жидкости; r – радиус молекулы.

Так, для воды, для которой было найдено с, значение f₀, должно быть примерно 10 11 Гц, т.е. 100 ГГц. При повышении температуры, помимо увеличения Т в числителе формулы (4.36) уменьшается и в знаменателе, поэтому f₀ должно возрастать. Это иллюстрирует рис. 4.24.

В резко неоднородных диэлектриках, в частности в диэлектриках с включением воды, наблюдается явление миграционной поляризации. Миграционная поляризация (другие, нестандартные ее названия: высоковольтная, междуслоевая, объемная) представляет собой накопление электрических зарядов на границах раздела различных диэлектриков (в случае увлажненного диэлектрика – на поверхности включений воды). Процессы установления миграционной поляризации сравнительно весьма медленны и могут протекать на протяжении минут и даже часов. Поэтому увеличение емкости изоляции вследствие увлажнения последней тем больше, чем ниже частота приложенного к изоляции переменного напряжения.

Сказанное дает основание к оценке степени увлажнения некоторых видов изоляции, в частности волокнистой, по способу «емкость – частота»: емкость изоляции измеряется при одной и той же температуре, но при разных частотах – очень низкой (2Гц) и обычной промышленной (50 Гц). Отношение этих двух значений емкости (рис. 4.25) является критерием увлажненности изоляции: у вполне сухой изоляции это отношение близко к единице, а чем больше отношение, тем больше влажность изоляции. Способ «емкость – частота» не всегда может считаться надежным способом оценки увлажненности изоляции, но сам факт наличия различных частотных зависимостей ε диэлектрика при различных влажностях представляет значительный интерес.

Как правило, мы не рассматриваем здесь явления резонансной поляризации, которое вызывает появление максимумов в зависимостях при очень высоких значениях частоты (f), при повышении f может наблюдаться или практическая независимость ε от частоты или снижение её, но не повышение.

При одновременном наличии в диэлектрике нескольких физических механизмов медленной (релаксационной) поляризации (дипольных – за счет ориентации различных групп молекул или ориентации молекул разных компонентов смешанного диэлектрика, миграционных и т, п.) с различными временами релаксации τ (набор времен релаксации) картина зависимости может быть усложненной. Так, в этом случае при повышении f в графике может наблюдаться не одно, а несколько снижений.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Источник