Основні види поляризації діелектрика
Під дією прикладеної електричної напруги діелектрик здатний поляризуватися, т. Е. Відбувається обмежене зміщення зв'язаних зарядів або орієнтація дипольних моментів.
Розрізняють 3 основні види поляризації:
1 Електронна поляризація - пружне зміщення електронних оболонок щодо ядра в атомах діелектрика. Це миттєвий процес, що відбувається за 10 -15 -10 -16 с. Електронна поляризація характерна для всіх діелектриків: полярних, неполярних, з іонними кристалічними гратами.
2 Іонна поляризація є пружне зміщення один відносно одного підґратки з позитивних і негативних іонів. Іонна поляризація завершується за 10 -13 -10 -12 с.
Електронна і іонна поляризації відносяться до швидких, які не релаксаційним видам поляризації, відбуваються в діелектриках під дією електричного поля миттєво і без розсіювання енергії, т. Е. Без виділення тепла.
3 Дипольна поляризація відбувається в полярних діелектриках. Вона являє собою поворот (орієнтацію) полярних молекул (диполів). Для орієнтації диполя в напрямку електричного поля потрібен якийсь час релаксації # 964 ;. Після зняття зовнішнього поля протягом # 964; орієнтація полярної молекули під дією теплового руху зменшується в е раз (е - основа натурального логарифма). Час релаксації прямо пропорційно в'язкості діелектрика і обернено пропорційно температурі.
Так як при повороті диполів в напрямку поля ними долається деякий опір, тому дипольная поляризація супроводжується розсіюванням енергії в діелектрику, т. Е. Нагріванням. Дипольна поляризація відноситься до непружним, релаксаційним поляризаціям, наростає і зменшується уповільнено і завершується за час 10-х -10 -1 с.
Розрізняють два види дипольної (релаксационной) поляризації:
Іонно-релаксаційна поляризація характерна для твердих діелектриків, що мають нещільний упаковку обсягу частинками.
Здатність діелектрика при нанесенні на нього електродів і подачі напруги, утворювати ємність, характеризується відносною діелектричною проникністю # 949 ;.
Діелектрична проникність # 949; - найважливіший параметр діелектрика, що характеризує процес поляризації, який може бути знайдений по виміряної ємності конденсатора з діелектриком.
де С - ємність конденсатора, Ф;
# 949; - діелектрична проникність;
- електрична постійна, = 8,84 * 10 -12 Ф / м;
S - площа електродів, м 2;
h - відстань між електродами, м.
Діелектрична проникність е залежить від інтенсивності процесів поляризації, що протікають в діелектриках під дією прикладеної напруги.
Неполярні діелектрики однорідної структури мають тільки електронну поляризацію, тому їх діелектрична проникність невелика # 949; = 1-2,2. тобто
де n - показник заломлення світла.
Діелектрична проникність полярних діелектриків визначається постійним електричним (дипольним) моментом молекули і розміром молекули, лежить в межах від 2 до 80, тобто # 949;> n 2.
Діелектрична проникність б залежить від багатьох факторів: температури, частоти прикладеної напруги, вологості та ін.
Для неполярних діелектриків має місце тільки електронна поляризація. Оскільки електронна поляризація відбувається миттєво, то навіть при найбільш високих частотах, що застосовуються в сучасній електро- і радіотехніці, поляризація неполярних діелектриків встигає повністю встановиться за час, який незрівнянно мало в порівнянні з напівперіодом змінної напруги. Тому діелектрична проникність # 949; неполярних діелектриків не залежить від частоти змінної напруги. Малюнок 2 відображає цю залежність.
Малюнок 2 - Залежність діелектричної проникності від частоти для твердих неполярних діелектриків
1 - фторопласт-4, 2 - полістирол
На малюнку 3 показана залежність діелектричної поляризації від частоти для полярних діелектриків. Дипольна поляризація може відбуватися в змінних полях до певної частоти. При дуже високих частотах цей вид поляризації не виникає, так як час одного напівперіоду дуже мало і полярні молекули не можуть здійснити свій поворот під дією сил зовнішнього електричного поля. Діелектрична проникність з ростом частоти знижується і при високих частотах визначається тільки процесом електронної поляризації
Малюнок 3 - Залежність діелектричної проникності від частоти для
полярного діелектрика (полівінілацетату) при різних температурах
Температура діелектрика також впливає на діелектричну проникність. Малюнки 4, 5, 6 ілюструють цю залежність для діелектриків різної будови.
Малюнок 4 - Залежність діелектричної проникності від
температури для неполярних діелектриків
На електронну поляризацію температура надає невеликий вплив. Так як неполярні діелектрики характеризуються тільки електронної поляризацією, то деяке зменшення діелектричної проникності # 949; неполярного діелектрика з підвищенням температури пояснюється зменшенням щільності речовини (рисунок 4).
У разі полярних діелектриків величина діелектричної проникності помітно змінюється з ростом температури. Малюнок 5 наочно показує цю залежність. У твердих полярних діелектриках можливі всі види поляризації і для них характерні ті ж закономірності, що й для рідких полярних діелектриків. Процес дипольної поляризації полягає в деформації ділянок або орієнтації окремих полярних груп молекул. При низьких температурах в'язкість полярного діелектрика велика і полярні молекули не можуть орієнтуватися в напрямку поля, (на малюнку 5 це відповідає ділянці а, б). Тут має місце тільки електронна поляризація і діелектрична проникність зменшується. Зі збільшенням температури в'язкість знижується, і полярні молекули можуть здійснити поворот під дією сил електричного поля. На ділянці бв відбувається процес дипольної поляризації та е зростає.
При подальшому підвищенні температури теплова енергія полярних молекул зростає, і поворот їх вже викликає труднощі. В результаті цього діелектрична проникність падає. Зменшення діелектричної проникності е на ділянці вгвизвано разориентация полярних молекул в результаті теплового руху
Малюнок 5 - Залежність діелектричної проникності полярного
діелектрика (нітробензолу) від температури при f = 50 Гц
Тверді кристалічні діелектрики з щільною упаковкою частинок мають електронної та іонної поляризацією. З ростом температури діелектрична проникність іонних кристалів збільшується. Малюнок б показує цю залежність. Це пояснюється тим, що з ростом температури збільшується межіонное відстань, яке призводить до ослаблення сил зв'язку між іонами і до збільшення їх зміщення в електричному полі.
Малюнок 6 - Залежність діелектричної проникності від температури для діелектриків іонного будови при f = 50 Гц
1 - бесщелочного скло, 2 - звичайне скло