Види поляризації - студопедія
Контрольні питання по попередньої лекції.
Тема 2. Поляризація діелектриків.
Подання про ідеальну діелектрику.
Всі діелектричні матеріали мають молекулярне або іонну будову. Молекули, в свою чергу складаються з атомів, що складаються в свою чергу, з електронів і позитивно заряджених ядер. При цьому сумарний заряд всіх негативно і позитивно заряджених частинок, що утворюють діелектрик, дорівнює нулю. Ідеальний діелектрик складається тільки з пов'язаних між собою заряджених частинок, які в силу просторової структури молекул, можуть утворювати електричні диполі (полярні молекули); вільних носіїв заряду в ньому немає. Тому електропровідність в ідеальному діелектрику відсутня. Під дією прикладеної напруги все пов'язані заряджені частинки діелектрика впорядковано зміщуються зі своїх рівноважних станів на обмежені відстані, а електричні диполі вирівнюються по полю. В результаті цих процесів діелектрик поляризується, в ньому виникає електричний дипольний момент. Впорядковане зміщення пов'язаних заряджених частинок і орієнтація диполів приводить до утворення в матеріалі так званих струмів зміщення.
Здатність діелектрика поляризуватися під дією прикладеного електромагнітного поля є його фундаментальним властивістю. яким володіють як реальні діелектрики, так і ідеальний діелектрик.
2.1. Перекличка. Контрольні питання по попередньої лекції.
2.1.1. Ковалентний зв'язок.
2.1.2. Іонна зв'язок.
2.1.3. Характеристики електричного диполя.
Як відомо молекули складаються з атомів, оточених електронними оболонками. При цьому електрони можуть рівномірно розподілятися по молекулі, а можуть і концентруватися на будь-яких атомах. У першому випадку говорять, що молекула неполярная. Приклад - молекула водню або атом гелію, або молекула бензолу. У другому випадку в молекулі утворюються області з позитивним і негативним зарядом. Якщо в молекулі можна виділити напрямок, уздовж якого з одного боку можна розташувати позитивні заряди, а з іншого боку - негативні, то така молекула називається полярної або дипольної. Приклад, молекула HCl, в якій електрон переходить з атома водню на атом хлору, тим самим хлор заряджається негативно, а водень - позитивно.
Поляризація - це таке явище, коли під дією зовнішнього електричного поля відбувається обмежене переміщення пов'язаних заряджених частинок і деяке впорядкування в розташуванні диполів, що здійснюють хаотичний тепловий рух. в результаті чого в діелектрику утворюється результуючий електричний дипольний момент.
У відсутності зовнішнього електричного поля всі пов'язані і вільні заряджені частинки діелектрика, а також його полярні молекули (диполі), розташовані таким чином, що загальний електричний дипольний момент всіх мікроскопічних обсягів дорівнює або близький до нуля. Під дією прикладеного електричного поля всі пов'язані заряджені частинки зміщуються зі своїх рівноважних положень на обмежені відстані. Виникає поляризація діелектрика і його результуючий дипольний момент стає відмінним від нуля.
Слід розрізняти два основних види поляризації. Перший вид поляризації відбувається в діелектрику під дією електричного поля практично миттєво, без розсіювання енергії, тобто без виділення тепла. Він називається пружною ілідеформаціонной поляризацією. Другий вид поляризації наростає і зменшується уповільнено і супроводжується нагріванням діелектрика. Другий вид поляризації називається релаксационной. Вид поляризації в першу чергу залежить від того, які частки діелектрика, зміщуючись, викликає поляризацію, а також на які відстані вони зміщуються. Всі частинки діелектрика, здатні зміщуватися і викликати поляризацію, можна розділити на дві групи пружно (сильно) пов'язані і слабо пов'язані.
Пружно зв'язані заряди мають одне положення рівноваги, біля якого вони здійснюють тепловий рух. Під дією електричного поля вони зміщуються на невеликі відстані: електрони зміщуються в межах атома або іона, атоми - в межах молекули, іони - в межах осередку кристалічної решітки і т.д.
Слабо пов'язані частки (наприклад, іони в нещільно упакованої кристалічній решітці, в аморфному тілі або на дефектах будови) мають кілька положень рівноваги, в яких вони розташовуються випадково і рівноймовірно. Слабо пов'язані частинки можуть випадково переміщатися між положеннями рівноваги в ході теплового руху. Електричне поле надає таким переходам спрямований характер. Зсув слабо пов'язаних частинок відбувається на набагато більші відстані, ніж для пружно зв'язаних зарядів.
Відповідно перший вид поляризації викликаний процесами, які пов'язані з пружно зв'язаними частинками, релаксаційна поляризація пов'язана зі слабо пов'язаними зарядами.
До деформаційних видам поляризації відноситься електронна і іонна.
1. Електронна поляризація полягає в пружному зсуві (деформації) електронних оболонок атомів щодо ядра (рис.3.) І має місце в усіх діелектриках. Час встановлення цього виду поляризації надзвичайно мало (# 964; = 10 -14 - 10 -15 с). Показники електронної поляризації не залежить від температури і частоти прикладеної напруги, а зі збільшенням розміру атома зростають пропорційно кубу радіуса атома.
2. Іонна поляризація. Спостерігається в кристалічних та аморфних тілах іонного будови (кварц, азбест, слюда, скло та ін.)
Досить часто молекула діелектрика складається з атомів різних хімічних елементів, що мають різні електричні заряди. Іони, що знаходяться у вузлах кристалічної решітки, несуть на собі електричні заряди різної полярності. За дією зовнішнього електричного поля відбувається зміщення іонів на відстань в межах кроку решітки, тобто відбувається пружна деформація всієї кристалічної решітки (для аморфних речовин - апериодической сітки). Наприклад, кухонна сіль NaCl має кубічну кристалічну решітку. Під дією зовнішнього електричного поля ця решітка деформується, окремі осередки втрачають кубічну форму, окремі ребра решітки розтягуються і стискаються. Показники іонної поляризації не залежить від частоти напруги, проте лінійно залежать від температури речовини, так як відбувається зміна енергії пружного зв'язку між іонами.
До релаксаційним видам поляризації відносяться:
3. Іонно-релаксаційна поляризація. Вона спостерігається в стеклах, а також в речовинах з нещільної упаковкою кристалічної решітки (електротехнічна кераміка, азбест, мармур), коли в окремих вузлах решітки є незайняті вакансії. У відсутності електричного поля слабо пов'язані іони при тепловому русі можуть хаотично переміщатися між вакансіями, а під дією зовнішнього поля переходи в напрямку поля стають більш вірогідними, що призводить до появи спрямованих переходів іонів. Іони можуть переміщатися на відстані більші, ніж крок кристалічної решітки. З підвищенням температури іонно-релаксаційна поляризація нелінійно посилюється за рахунок збільшення числа іонів, що беруть участь в переміщеннях.
4. Дипольна-релаксаційна поляризація спостерігається в діелектриках молекулярної будови з полярними молекулами, що знаходяться в газоподібному, рідкому і твердому аморфному стані. У таких діелектриків молекули навіть у відсутності зовнішнього електричного поля вже мають постійний дипольний момент m, (наприклад, поліхлордіфеніли, ПВХ і ін.). Дипольно-релаксаційна поляризація полягає в більш упорядкованому положенні дипольних молекул (диполів), що здійснюють тепловий рух. Цей вид поляризації залежить від температури і частоти прикладеної напруги. Зі збільшенням температури міжмолекулярні сили послаблюються, знижується в'язкість речовини, що підсилює дипольні поляризацію. Подальше збільшення температури підсилює тепловий рух і знижує ориентирующее вплив поля. Дипольна поляризація при цьому починає знижуватися.