Основні види поляризації - студопедія
Розрізняють два механізми поляризації: поляризація миттєва, цілком пружна, без розсіювання енергії, тобто без виділення тепла, за час 10 -15 - 10 -13 с; поляризація, що здійснюються не миттєво, а наростаюча і спадна уповільнено і супроводжувана розсіюванням енергії в діелектрику, тобто його нагріванням. Такий вид поляризації називається релаксационной (час від 10 -8 до 10 2 с).
У схемах заміщення діелектрики позначають конденсатором певної ємності С. якщо в них не відбувається розсіювання енергії (рис.8, а). Якщо відбувається розсіювання енергії, то в схему заміщення додається активний опір r. еквівалентну нагрівання діелектрика (рис.8, б).
Мал. 8. Схеми заміщення діелектрика: а) без втрат; б) з втратами
До миттєвим відносяться електронна та іонна поляризації. Електронна поляризація (Cе. Q е) являє собою пружне зміщення і деформацію електронних оболонок атомів і іонів щодо ядра під дією зовнішнього електричного поля (рис.9).
Рис.9. Електронна поляризація діелектрика. положення орбіт
електронів при відсутності (а) і при наявності (б) електричного
При відсутності електричного поля центр позитивного заряду ядра і центр негативного заряду збігаються. Атом нейтральний. Під дією зовнішнього електричного поляорбіти, по яких рухаються негативні електрони, зміщуються до позитивного електрода. Центри позитивного і негативного зарядів не збігаються. Нейтральний атом перетворюється в диполь (так званий пружний диполь). Спостерігається така поляризація у всіх видах діелектриків і не пов'язана з втратою енергії, а діелектрична проникність речовини чисельно дорівнює квадрату показника заломлення світла n 2.
Іонна поляризація (Сі. Qи) характерна для твердих тіл з іонним будовою і обумовлюється зсувом (коливанням) пружно пов'язаних іонів у вузлах кристалічної решітки (рис.10). З підвищенням температури зміщення посилюється в результаті ослаблення пружних сил між іонами. Це відбувається через збільшення відстані між іонами внаслідок теплового розширення.
Час встановлення іонної поляризації більше, ніж електронної, але воно також дуже мало і має порядок 10 -13 с.
Рис.10. Механізм іонної поляризації
Всі інші види поляризації є релаксаційним.
Дипольно-релаксаційна поляризація (Cдр. Rдр. Qдр) відрізняється від електронної та іонної тим, що вона пов'язана з втратами енергії при поляризації, тобто з нагріванням діелектрика. Цей вид поляризації спостерігається в полярних діелектриках. В таких речовинах молекули або радикали є диполями навіть при відсутності електричного поля (рис.11).
Рис.11. Механізм дипольно-релаксаційної поляризації (орієнтація диполів в напрямку електричного поля: а) поле відсутнє; б) при наявність поля).
При відсутності електричного поля вони знаходяться в хаотичному тепловому русі, дипольні моменти їх спрямовані в різні боки і результуючий електричний момент всіх цих диполів дорівнює нулю. Під дією сил електричного поля диполі повертаються, орієнтуючись вздовж ліній електричного поля, тобто позитивним полюсом до негативного електроду.
Крім орієнтації диполі ще розтягуються електричним полем, і величина дипольного моменту при цьому зростає. Поворот диполів в напрямку електричного поля вимагає подолання деякого опору, розсіюється енергії у вигляді тепла (rдр). Час релаксації тут близько 10 -8 - 10 -6 с - це проміжок часу, протягом якого впорядкованість орієнтованих електричним полем диполів після зняття поля зменшиться внаслідок наявності теплових рухів в 2,7 рази від початкового значення.
Іонно-релаксаційна поляризація (Cір. Rір. Qір) спостерігається в діелектриках іонної структури з нещільної упаковкою іонів (наприклад, неорганічних стеклах). Слабкозв'язаного іони речовини під впливом зовнішнього електричного поля серед хаотичних теплових рухів обмежено зміщуються в напрямку електричного поля. Поляризація помітно посилюється з підвищенням температури за рахунок ослаблення сил між-
іонного взаємодії. Після зняття електричного поля орієнтація іонів слабшає за експонентним законом. Час релаксації відбувається протягом 10 -6 - 10 -4 секунд з розсіюванням енергії.
Електронно - релаксаційна поляризація (Cер. Rер. Qер) виникає за рахунок порушених теплових енергій надлишкових, дефектних електронів або «дірок» за час 10 -8 - 10 -6 с. Вона характерна для діелектриків з високими показниками заломлення, великим внутрішнім полем і електронної електропровідністю: двоокис титану з домішками, ряд з'єднань на основі оксидів металів змінної валентності - титану, ніобію, вісмуту.
Міграційна поляризація (Cм. Rм. Q м) протікає в твердих діелектриках неоднорідної структури при макроскопічних неоднорідностях або наявності домішок за час близько 10 2 с. Ця поляризація проявляється при низьких частотах і пов'язана зі значним розсіюванням енергії. Причинами такої поляризації є провідні і полупроводящіе включення в технічних, складних діелектриках, наявність шарів з різною провідністю і т.д.
При внесенні неоднорідних матеріалів в електричне поле вільні електрони і іони проводять і полупроводящіх включень переміщаються в межах кожного включення, утворюючи великі поляризовані області (рис.12). У шаруватих матеріалах на кордонах розділу шарів і в приелектродних шарах йде накопичення зарядів повільно рухаються іонів - це ефект межслоевой або структурної високовольтної поляризації.
Рис.12. Механізм міграційної поляризації
Спонтанна (мимовільна) поляризація, (Cсп. Rсп. Qсп), це вид поляризації виникає в діелектриках, що мають доменну структуру. Доменами називають окремі області, що володіють електричним моментом під час відсутності зовнішнього поля. Однак при цьому орієнтація електричних моментів в різних доменах різна. Накладення зовнішнього поля сприяє переважної орієнтації електричних моментів доменів в напрямку поля, що дає ефект дуже сильною поляризації (рис. 13).
На відміну від інших видів поляризації при деякому значенні напруженості зовнішнього поля настає насичення, і подальше посилення поля вже не викликає зростання інтенсивності поляризації.
Мал. 13. Механізм спонтанної поляризації
Резонансна поляризація (Cрез. Rрез. Qрез) проявляється в діелектриках під впливом високочастотного електричного поля (f = 10 6 Гц), коли частота власних коливань електронів або іонів збігається з частотою зовнішнього поля. Резонансні явища збільшують амплітуду коливань (вектор зміщення) пов'язаних заряджених частинок в матеріалі.
Технічні діелектрики мають, як правило, не одним,
а одночасно декількома видами поляризації. слідчий-
але, ємність конденсатора з діелектриком обумовлюється сумою різних видів поляризації.
Рис.14. Еквівалентна схема заміщення діелектрика з різними механізмами поляризації
На рис.14 наведена еквівалентна схема заміщення діелектрика, в якому присутні всі види поляризації.
Всі ємності еквівалентної схеми шунтовані резистором Rиз. які представляють собою опір ізоляції наскрізного струму через діелектрик.
Повернутися до змісту