Что такое поляризованность диэлектрика вектор p и диэлектрическая восприимчивость

Все известные в природе вещества, в соответствии с их способностью проводить электрический ток, делятся на три основных класса: диэлектрики, полупроводники и проводники. Если удельное сопротивление у проводников равно , то у диэлектриков , а полупроводники занимают промежуточную область

В идеальном диэлектрике свободных зарядов, то есть способных перемещаться на значительные расстояния (превосходящие расстояния между атомами), нет. Но это не значит, что диэлектрик, помещенный в электростатическое поле, не реагирует на него, что в нем ничего не происходит.

Любое вещество состоит из атомов, образованных положительными ядрами и отрицательными электронами. Поэтому в диэлектриках происходит поляризация.

Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией.Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков.

Видов поляризации много.

Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную, ионную и ориентационную (дипольную). Рис. 4.1 иллюстрирует механизм этих видов поляризуемости.

Электронная поляризуемость обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра. Ионная поляризуемость вызвана смещением заряженных ионов по отношению к другим ионам. Ориентационная (дипольная) поляризуемость возникает, когда вещество состоит из молекул, обладающих постоянными электрическими дипольными моментами, которые могут более или менее свободно изменять свою ориентацию во внешнем электрическом поле.

Есть и другие виды поляризации. Главное в поляризации – смещение зарядов в электростатическом поле. В результате, каждая молекула или атом образует электрический момент p (рис. 4.2):

Ясно, что электрический момент p пропорционален напряженности Е – напряженности электростатического поля в месте нахождения молекулы, то есть внутри вещества.

К чему приводит поляризация? Рассмотрим рис. 4.3.

Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но на внешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются заряды противоположного знака (поверхностно связанные заряды).

Обозначим – электростатическое поле связанных зарядов. Оно направлено всегда против внешнего поля . Следовательно, результирующее электростатическое поле внутри диэлектрика

Итак, электростатическое поле внутри диэлектрика всегда меньше внешнего поля. Во сколько раз?

Рассмотрим некоторые количественные соотношения.

Поместим диэлектрик в виде параллелепипеда в электростатическое поле (рис. 4.4).

Электрический момент тела, можно найти по формуле:

где – поверхностная плотность связанных зарядов.

Введем новое понятие – вектор поляризации – электрический момент единичного объема.

где n – концентрация молекул в единице объема, – электрический момент одной молекулы.

С учетом этого обстоятельства,

(т.к. – объем параллелепипеда).

Приравняем (4.1.3.) и (4.1.5) и учтем, что – проекция на направление – вектора нормали, тогда

Поверхностная плотность поляризационных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности.

Отсюда следует, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E’ будет влиять только на нормальную составляющую вектора напряженности электростатического поля .

Вектор поляризации можно представить так:

где α – поляризуемость молекул, – диэлектрическая восприимчивость – макроскопическая безразмерная величина, характеризующая поляризацию единицы объема.

Следовательно, и у результирующего поля изменяется, по сравнению с ,только нормальная составляющая. Тангенциальная составляющая поля остается без изменения.

В векторной форме результирующее поле можно представить так:

Результирующая электростатического поля в диэлектрике равно внешнему полю, деленному на диэлектрическую проницаемость среды ε:

Величина характеризует электрические свойства диэлектрика. Физический смысл диэлектрической проницаемости среды ε – величина, показывающая во сколько раз электростатическое поле внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме:

С учетом этого обстоятельства, при наличии диэлектрической среды мы должны поправить все полученные нами в прошлых разделах формулы: например, теорема Гаусса:

или закон Кулона:

График зависимости напряженности поля шара от радиуса, с учетом диэлектрической проницаемости двух сред ( и ), показан на рисунке 4.5.

Как видно из рисунка, напряженность поля изменяется скачком

при переходе из одной среды в другую

Источник

Поляризация диэлектриков

Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков превращаются в электрические диполи. Это преобразование иллюстрирует рис. 1.1. Атом любого вещества представляет собой электрически нейтральное объединение заряженных частиц. Положительные заряды сосредоточены в ядре, а отрицательные – в электронной оболочке. Простейший атом водорода имеет в оболочке один электрон. В исходном состоянии (рис. 1.1, а) центр распределенного по электронной оболочке отрицательного заряда совпадает с центром положительного заряда ядра, и атом является электрически нейтральным.

Рис. 1.1. Поляризация атома водорода

Рис. 1.2. Поляризация полярных диэлектриков

Под действием внешнего электрического поля электронная оболочка атома деформируется (рис. 1.1, б). Орбита электрона вытягивается. Ее геометрический центр смещается относительно ядра. В результате атом превращается в электрический диполь. Это явление носит название электронной поляризации вещества.

Молекулы полярных диэлектриков всегда имеют дипольные свойства. В отсутствие внешнего электрического поля молекулярные диполи ориентированы в пространстве хаотически (рис. 1.2, а). Из-за этого их суммарное электрическое поле можно считать равным нулю.

Под действием внешнего электрического поля происходит упорядочение ориентации молекулярных диполей. Очевидно, что степень изменения ориентации диполей будет возрастать с увеличением напряженности электрического поля и падать при увеличении температуры.

Механизм действия величины напряженности электрического поля очевиден – чем она большего, тем выше степень упорядоченности положения молекулярных диполей. Но имеется предел, который наступит тогда, когда все элементарные диполи расположатся вдоль силовых линий электрического поля (рис. 1.2, б). Дальнейшее увеличение напряженности не приведет к увеличению дипольного момента.

Влияние температуры обусловлено тем, что хаотическое тепловое движение молекул нарушает их упорядоченное расположение, а скорость и амплитуда этого движения пропорциональны температуре.

Количественной характеристикой поляризации отдельной молекулы является ее дипольный момент:

(1.4)

Так как обычно в единице объема вещества находится много молекулярных диполей, то в качестве меры поляризации диэлектрика вводится вектор поляризации. Он равен произведению количества диполей в единице объема на дипольный момент каждого из них:

(1.5)

Вектор поляризации Ропределяется в каждой точке объема поляризованного диэлектрика. Он зависит от концентрации элементарных диполей и от величины напряженности электрического поля, действующего внутри вещества.

Для описания явлений поляризации диэлектрика вводится вектор электрической индукции D. Его связь с вектором напряженности электрического поля и вектором поляризации описывается формулой:

(1.6)

В вакууме, где поляризуемое вещество отсутствует, векторы напряженности поля и индукции связаны соотношением:

(1.7)

Следовательно, электрическая постоянная является коэффициентом пропорциональности между векторами электрической индукции и напряженности электрического поля в вакууме.

Для большинства распространенных сред существует прямо пропорциональная зависимость между вектором напряженности электрического поля и вектором поляризации:

(1.8)

(1.9)

Она связывает между собой векторы электрической индукции и напряженности электрического поля в диэлектрике:

(1.10)

Абсолютная диэлектрическая проницаемость является коэффициентом пропорциональности между векторами электрической индукции и напряженности электрического поля в веществе.

(1.11)

Наиболее широко применяемые в радиотехнике диэлектрики имеют относительные диэлектрические проницаемости приблизительно от 2 до 4. Из широко распространенных диэлектриков максимальную относительную диэлектрическую проницаемость, 82, имеет вода.

Источник

Поляризация диэлектриков и ее виды. Поле в диэлектрике Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость.

Рассмотрим свойства диэлектриков в статических полях. Связь между макроскопическими и микроскопическими параметрами вещества, то есть между диэлектрической проницаемостью диэлектрика и поляризацией его молекул, устанавливает уравнение Клаузиуса–Моссотти.

Поле, которое действует на отдельную молекулу, может заметно отличаться от среднего макроскопического E. Как показал Лоренц[3], напряженность локального поля можно представить в виде суммы

. (5.4)

Физический смысл и поясним на следующем примере. Пусть молекула находится в точке А заряженного диэлектрического конденсатора (рис.5.1). Опишем вокруг молекулы сферу, радиус Rкоторой значительно больше радиуса молекулы, так что за пределами сферы можно считать диэлектрик однородным. Мысленно извлечем из сферы все вещество за исключением рассматриваемой молекулы. На поверхности сферы будет индуцироваться связанный заряд, поверхностная плотность которого определяется нормальной к поверхности составляющей вектора поляризации P:

. (5.5)

Этот индуцированный заряд и создает поле . Поле создается в точке А молекулами, расположенными внутри сферы. Можно показать, что в большинстве случаев (в частности, для газов, неполярных жидкостей и твердых тел).

Вычислим поле Лоренца . Элемент площади поверхности сферы создает в точке Аполе, направленное по радиусу:

.

Рис. 5.1. Схема к расчету поля Лоренца

Проекция вектора этого поля на направление среднего поля есть

Проинтегрировав по всей поверхности, получим для поля Лоренца выражение

. (5.6)

Следовательно, напряженность локального поля равняется

. (5.7)

Здесь мы воспользовались соотношением (5.3). Электрический момент единицы объема диэлектрика можно выразить через локальное поле

, (5.8)

где – концентрация молекул, которые принимают участие в поляризации, – поляризуемость отдельной молекулы. Подстановка (5.7) в (5.8) дает

. (5.9)

Приравнивая правые части (5.3) и (5.9), получаем уравнение Клаузиуса–Моссотти

. (5.10)

При наличии молекул разного сорта уравнение (5.10) перепишется в виде

, (5.11)

Виды поляризации диэлектриков

Это упругие поляризации, которые происходят практически мгновенно, без рассеяния энергии приложенного электрического поля, то есть без выделения тепла в диэлектрике. Быстрые поляризации обусловленные упруго связанными частицами.

Электронная поляризация

Рис. 2.2. Упрощенная схема электронной поляризации

У неполярных диэлектриков e уменьшается из-за теплового расширения диэлектрика и уменьшения числачастиц в единице объема (рисунок 2.3).

Рис. 2.3. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков

Состояния: 1 – твердое, 2 – жидкое, 3 – газообразное

У неполярных диэлектриков на частотах порядка 10 14 –10 16 Гц.наблюдается резонансная дисперсия e связанная с резонансной поляризацией (рисунок 2.4)

Рис. 2.4. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для неполярных диэлектриков

Ионная поляризация

Ионная поляризация проявляется в смещении друг относительно друга упруго связанных разноименно заряженных ионов на расстояния меньше периода кристаллической решетки(рисунок 2.5). Время ионной поляризации на 2–3 порядка больше электронной поляризации.

Рис. 2.5. Идеализированная схема расположения ионов каменной соли: а — в узлах решетки в отсутствие электрического поля, б — смещенные из узлов на небольшие расстояния при воздействии поля.

Замедленные поляризации

Миграционная поляризация

Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках, имеющих проводящие и полупроводящие включения, слои с различной проводимостью и т.п. При внесении неоднородных диэлектриков в электрическое поле свободные заряды смещаются и концентрируются на граничных слоях включений, в приэлектродных слоях и т.д., образуя пространственные заряды, поле которых внешне проявляет себя как «дополнительный» механизм поляризации.

Спонтанная поляризация

Рис. 2.8. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры

вдоль осей a и c для BaTiO₃

Характерные свойства сегнетоэлектриков обусловлены наличием у них доменной структуры – взаимосвязанных микрообластей, в пределах которых векторы поляризации структурных ячеек имеют одинаковое направление.

Вопросы для самопроверки

Вопрос. Что такое поляризация диэлектрика?

Ответ. Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент.

Вопрос. Что называется относительной диэлектрической проницаемостью?

Ответ. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика.

Вопрос. Какие диэлектрики называются линейными и нелинейными?

Ответ. Для линейных диэлектриков зависимость поляризованности от напряженности поля носит линейный характер, для нелинейных – нелинейный.

Вопрос. Какие поляризации происходят с рассеянием (потерями) энергии приложенного электрического поля и выделением тепла в материале?

Ответ. Замедленные поляризации.

Вопрос. Какие диэлектрики называются неполярными?

Ответ. Неполярные диэлектрики состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают.

Вопрос. Какие диэлектрики называются полярными?

Ответ. Полярные диэлектрики (дипольные) состоят из полярных молекул (диполей), обладающих электрическим моментом.

Вопрос. В чем состоит физическая сущность электронной поляризации?

Ответ. Электронная поляризация – смещение электронного облака относительно центра ядра атома или иона.

Вопрос. В каких материалах наблюдаются только быстрые виды поляризации?

Ответ.Быстрые виды поляризации наблюдаются в неполярных диэлектриках и в кристаллических веществах с плотной упаковкой ионов.

Вопрос. В чем состоит физическая сущность ионной поляризации?

Ответ. Ионная поляризация – наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов на расстояния меньше.

Вопрос. Какие виды релаксационных поляризаций Вы знаете?

Ответ. Электронно-релаксационная; ионно-релаксационная; дипольно-релаксационная, миграционная; спонтанная.

Поляризация диэлектриков

Основные понятия

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:

. (4.19)

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

, (4.20)

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

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

, (4.21)

Используя выражения (4.20) и (4.21) получим:

, (4.22)

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

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

, (4.23)

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

, (4.24)

где – классическая функция Ланжевена .

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

Собственный электрический момент молекулы равен:

, (4.26)

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:

. (4.27)

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:

, (4.28)

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

Выражение (4.28) может быть представлено в виде:

, (4.29)

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:

(4.30)

,

. (4.31)

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

, (4.32)

где — абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м; Д – электрическое смещение (электрическая индукция). Для вакуума Д = Е; для диэлектрика .

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

У неполярных молекул l = 0 в выражении (4.26) следовательно, и µ = 0, т.е. неполярные молекулы не обладают собственным электрическим моментом. В то же время у полярных молекул . О наличии у молекул собственного электрического момента можно судить по химическому строению этих молекул.

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:

Наличие ионов с большим значением способствует поляризации. Некоторые вещества, содержащие такие ионы, имеют весьма высокое значение , например, у рутила (TiO₂) ε = 110.

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:

(4.33)

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:

(4.34)

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»:

, (4.35)

где – показатель преломления для

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Источник

• ← Что такое рундук толковый словарь
• Что такое грех по библии →