Поляризація діелектриків

Поляризація діелектриків є основною властивістю, класифікаційною ознакою діелектриків. За визначенням поляризація цестан речовини, який характеризується тим, що сумарний електричний момент, пов’язаний з обмеженим зміщенням зв'язаних зарядів або орієнтацією полярних молекул під дією електричного поля, для даного об'єму цієї речовини має значення, відмінне від нуля.

Таким чином слід відрізняти поляризацію як стан речовини і процес установлення цього стану, процес поляризації. Під дією поля зв’язані електричні заряди у діелектрику зміщуються у відповідності з напрямком сил, що на них діють. Характер поляризації визначається будовою частинок речовини.

Якщо частинки неполярні(атоми, іони, молекули з симетричною будовою?) і у відсутності електричного поля їхній електричний момент дорівнює нулю, то поляризація зведеться до деформації частинок внаслідок взаємного зміщення позитивно заряджених ядер і негативно заряджених електронних оболонок. В іонних діелектриках, крім електронної поляризації, має місце іонна поляризація, що пов’язана зі зміщенням іонів відносно рівноважного положення.

Полярні молекули можна вважати диполями з відмінним від нуля електричним моментом. В електричному полі, крім деформації просторової зарядової структури, молекули будуть піддаватися орієнтаційній дії пари сил, що діють на протилежно заряджені частини диполя.

Більшість діелектриків (за винятком сегнетоелектриків) характеризуються лінійною залежністю зміщення від напруженості електричного поля в діелектрику. В результаті поляризації на поверхні діелектрика з'являються не скомпенсовані зв'язані заряди і навколо нього виникає електричне поле. При знятті електричного поля діелектрик повертається в початковий стан.

ВІДНОСНА ДІЕЛЕКТРИЧНА ПРОНИКНІСТЬ

Відносна діелектрична проникність за визначенням є відношенням абсолютної діелектричної проникності діелектрика до електричної сталої (абсолютної діелектричної проникності вакууму) e₀ = 8.85×10^-12 Ф/м. Вона характеризує реакцію діелектрика на дію електричного поля і його здатність поляризуватися.

В результаті поляризації в приелектродній області з’являються зв’язані заряди, що екранують вільні заряди на електродах і зменшують напруженість поля в діелектрику, внаслідок чого робота з переміщення зарядів в діелектрику перестає відповідати напрузі джерела. Для компенсації зв'язаних зарядів джерело напруги збільшує поверхневу щільність вільних зарядів на електродах. Якщо діелектрик з нанесеними електродами розглядати як конденсатор, то заряд на електродах дорівнює:

Q = CU,

де Q = Q₀ +Q_д;

Q₀ – заряд конденсатора при умові, що його обкладки розділяє вакуум;

Q_д – заряд, що зумовлений поляризацією діелектрика.

Таким чином, поляризація супроводжується збільшенням ємності конденсаторів та діелектричних конструкцій:

де c - діелектрична сприйнятливість, що є найбільш адекватною характеристикою здатності діелектрика поляризуватися в зовнішньому електричному полі;

e_r - відносна діелектрична проникність, що використовується як основна характеристика поляризаційної здатності діелектрика.

На практиці для визначення відносної діелектричної проникності діелектриків найчастіше використовують відношення С/С₀.

З фізики відомо, що електричне поле характеризується електричною індукцією D, яка дорівнює нормальній складовій щільності вільного поверхневого заряду на електродах s_п, або напруженістю електричного поля E, яка є силовою характеристикою поля і дорівнює силі, що діє на одиничний позитивний заряд, розміщений у даній точці поля. У вакуумі ці характеристики зв’язані лінійною залежністю

D = s_п= e₀E.

Якщо в проміжку між електродами є неполярний діелектрик площею S, то внаслідок поляризації частинок діелектрика в полі напруженістю E вони набувають електричного моменту p=aE=qd, де a - поляризовність частинок, d - зміщення зв’язаних в частинці зарядів протилежного знаку величиною q під дією поля. В фізиці діелектриків іноді користуються геометричною поляризовністю β = a/e₀, яка для неполярних частинок складає 10^-30 – 10^{-29 м3}, що наближено дорівнює об’єму електронної оболонки.

Сумарний наведений внаслідок поляризації електричний момент в об’ємі, що дорівнює V=Sd,стає рівним M=NaE=Nqd, де N – число частинок в цьому об’ємі. Електричний момент одиниці об'єму речовини P=M/V=naE=Nq/S=s_пд (n – концентрація частинок, що приймають участь у поляризації) дорівнює поверхневій щільності поляризаційного заряду і визначає значення відносної діелектричної проникності e_r.

Електрична індукція з врахуванням поляризації діелектрика дорівнює

D = s_п +s_пд = e₀E + naE =e₀ (1+ na/e₀)E =e₀e_rE=e_a_дE.

Звідси для відносної діелектричної проникності маємо

e_r = 1 + na/e₀ = 1+c .

Із c = na/e₀>0 також випливає, що e_r >1для будь-якої речовини (для вакууму e_r = 1).

Збільшення щільності зарядів на електродах приводить до відновлення кількісного значення роботи з переміщення одиничного позитивного заряду між електродами, бо сила, що діє на заряджені частинки у діелектрику визначається, як і у вакуумі, напруженістю поля, рівною E=U/d, де d – відстань між плоскими електродами. В той же час напруженість поля у порожнинах діелектрика буде дещо збільшеною в залежності від форми порожнини, наприклад у вузькій щілині, паралельній електродам, в e_r раз, у сферичній порожнині напруженість поля E_п = E(e_r+2)/3 і т.п.

КЛАСИФІКАЦІЯ ВИДІВ ПОЛЯРИЗАЦІЇ

В залежності від типу зв'язаних зарядів у речовині, що поляризується, розрізняють такі види поляризації: електронна, іонна та дипольна, а в залежності від характеру зміщення – пружна та релаксаційна. Вказівку на пружний характер зазвичай опускають, а тому терміни електронна, іонната дипольна відносяться до пружної поляризації. Крім трьох видів пружної поляризації виділяють також дипольно-релаксаційну, іонно-релаксаційну, електронно-релаксаційнута такі специфічні види поляризації як міграційна, спонтанна та електретна(?), які характерні для неоднорідних та активних діелектриків відповідно.

Систематизоване уявлення про види та характер руху зв’язаних зарядів під впливом електричного поля дозволяє дістати узагальнена логічна схема визначення головних механізмів поляризації (рис. І).

З наведеної схеми легко вивести розгорнуту інформацію про механізм поляризації. Наприклад, електронна поляризація - це електрична поляризація, яка має місце у молекулах атомах та іонах і зумовлена пружним зміщенням електронних оболонок.

Вид зв’язаного заряду однозначно визначається будовою речовини. Використовуючи знання з хімії, легко установити зв’язок між складом речовини і характерними для неї механізмами поляризації, тобто класифікувати діелектрики (рис. 2).

(Підпис під рис. І номер)

Логічну схему аналізу впливу зовнішніх факторів зручніше будувати з урахуванням головних фізичних процесів, що відбуваються в діелектриках під їxнім впливом. Оскільки будова речовини є її класифікаційною ознакою, найраціональніше шукати загальні характеристики поведінки всього класу, а не конкретного матеріалу. Використовуючи схему, зображену на рис. 2, і знаючи, яким чином впливає на той чи інший вид поляризації дія зовнішніх факторів, можна прогнозувати властивості конкретних діелектриків, якщо відомий характер хімічного зв’язку у даному діелектрику і його будова.

Електронна поляризація характерна для будь-якого діелектрика. Вона пов'язана з пружним зміщенням та деформацією електронних оболонок атомів та іонів. Як було показано вище відносна діелектрична проникність при електронній поляризації дорівнює e_r =1 + na/e₀. Для газоподібних діелектриків при нормальних умовах e_r =1 + 3,03∙10³⁶a.

У фізиці діелектриків показано, що з врахуванням пов’язаної з поляризацією діелектрика відмінністю напруженості електричного поля в конденсованому діелектрику від напруженості поля у вакуумі зв’язок між відносною діелектричною проникністю і поляризовністю визначається не спрощеним виразом, а рівнянням Клаузіуса - Мосотті для статичної відносної діелектричної проникності

.

Для діелектриків з електронною поляризацією має місце наближена рівність відносної діелектричної проникності квадрату коефіцієнта заломлення світла e = ν².

Іонна поляризація зумовлена пружним зміщенням різнойменно заряджених іонів відносно стану рівноваги. В іонних діелектриках мають місце і електронна і іонна поляризації, а тому рівняння Клаузіуса - Мосотті дещо модифікується і записується у вигляді

де a_е і a_іс – поляризовності електронного і іонного зміщення відповідно.

Дипольна поляризація в чистому вигляді спостерігається рідко і вносить незначний внесок у загальний електричний момент в області низьких температур. Здебільшого профіль залежності потенціальної енергії від кута повороту диполя не відповідає параболі, а тому дипольна поляризація в загальному випадку носить непружний характер. Для розбавлених розчинів полярної речовини з дипольним моментом частинок mі концентрацією n_dу неполярній речовині вклад орієнтації диполів у загальну поляризацію враховують у правій частині рівняння Клаузіуса - Мосотті як доданок, що дорівнює добутку концентрації полярних частинок на середнє значення дипольного моменту:

Основною особливістю релаксаційного механізму поляризації є наявність двох рівноцінних з енергетичної точки зору розділених потенціальним бар'єром положень рівноваги для частинок, що приймають участь у цій поляризації, і термоактиваційний характер переходів з одного положення рівноваги в інше, що здійснюються за рахунок енергії теплових коливань. В зовнішньому електричному полі на симетричну криву залежності потенціальної енергії від координати х накладається потенціальна енергія зарядженої частинки, що дорівнює W_e= - qEx, внаслідок чого симетричність порушується і одна з потенціальних ям стає глибшою. Час перебування частинки у тому чи іншому положенні рівноваги визначається висотою потенціального бар'єру W:

t = t₀exp(W/kT)

і стає неоднаковим, що сприймається як зміщення середнього положення частинки , тобто поляризація. Термоактиваційний характер переходів зберігається, і тільки переважний напрям цих переходів визначається полем, на відміну від пружної поляризації, при якій зміщення частинок здійснюється безпосередньо під дією електричного поля.

Для розрахунків e(?) у випадку релаксаційної поляризації у рівняння Клаузіуса - Мосотті враховують середнє значення електричного моменту, зумовленого зміщенням релаксуючих частинок з концентрацією із зарядом q на відстань між положеннями рівноваги d. Таке усереднення приводить до формули:

Існує ряд більш точних формул для розрахунку e діелектриків з дипольно-релаксаційною поляризацією, виведених Онзагером, Фрьоліхом, Кірквудом, але і їхня точність не задовільна.

Для композиційних матеріалів і сумішей адитивність e_r не спостерігається, і тому запропоновано багато формул для розрахунків, з яких необхідно знати загальне рівняння Ліхтенеккера

e_r_c^k = c₁e_r₁^k + c₂e_r₂^k,

де c₁ і c₂ – концентрації;

e_r₁ і e_r₂ – відносні діелектричні проникності компонентів;

k – коефіцієнт, значення якого залежить від структурних особливостей композицій.(?)

Можна виділити його окремі випадки для шаруватого діелектрика з паралельним (k =+1) i послідовним (k = - 1) поєднанням шарів, а також для дрібно - дисперсних сумішей k = 0, коли рівняння Ліхтенеккера приймає вигляд

lne_r_c = c₁ ln e_r₁ + c₂ lne_r₂.

В нелінійних діелектриках (сегнетоелектрики, п’єзоелектрики, піроелектрики) до певної температури крім наведених видів поляризації спостерігається спонтанна (самодовільна) поляризація, яка виникає внаслідок міжчастинкової (міжіонної, міждипольної) взаємодії при відсутності електричного поля. Наявність її - наслідок особливої нецентросиметричної мікроструктури цих діелектриків, названих сегнетоелектриками.

Шляхом поляризації електричним полем за одночасної дії інших факторів (температури, опромінювання тощо) можна створити заморожену релаксаційну або міграційну поляризацію, для якої характерна наявність навколо діелектрика постійного електричного поля. Цей електричний аналог постійного магніту називають електретом.

ВПЛИВ ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ НА ПРОЦЕС ПОЛЯРИЗАЦІЇ

Поляризація в залежності від інерційності поділяється на швидкі (електронна та іонна)та повільні види. Значення діелектричної проникності діелектриків визначається, як було показано вище, концентрацією зв'язаних зарядів, що приймають участь у процесі поляризації, та залежить від частоти електричного поля і температури.

<1 2 345 6 7 >

Дата добавления: 2015-02-10; просмотров: 3606;