Інерційні властивості поляризації
Обмежене зміщення зв'язаних заряджених частинок у процесі поляризації потребує певного часу, а тому вклад кожного механізму в процес поляризації можливий лише до певних частот, при яких зв'язаний заряд встигає стежити (реагувати) за змінами зовнішнього електричного поля.
Варіант структурно-логічної схеми питання, що розглядається, демонструє рис. 3, згідно якого характер частотної залежності діелектричної проникності конкретного матеріалу визначається домінуючими механізмами поляризації при даній частоті електричного поля.
У випадку пружної поляризації з наближенням процесу до резонансної частоти діелектрична проникність дещо зростає, потім різко знижується і знов зростає до чергового стабільного рівня (аномальна дисперсія тобто аномальна частотна залежність діелектричної проникності, що аналогічна аномальній дисперсії показника заломлення) (рис. 2.1, крива 1). Частотна залежність e при пружній поляризації в загальному випадку описується формулою
,
де 
і 
- статична (виміряна при постійній напрузі) і високочастотна (виміряна при напрузі, частота якої хоча б на порядок вища за 
) відносні діелектричні проникності;
- власна частота коливань пружно зв’язаної частинки, що визначається масою частинки і жорсткістю зв’язку;
g - коефіцієнт затухання, який забезпечує скінченну амплітуду коливань частинки при резонансі.
Максимальне і мінімальне значення e дорівнюють
і мають місце при частотах
.
Час встановлення електронної поляризації дуже малий - близько 10-15 с. Тому вона проявляється на всіх частотах, аж до 1014…1015 Гц.
Іонний механізм поляризації характерний для діелектриків з іонною будовою. Час встановлення іонної поляризації - порядку 10-13 с, частотний діапазон – до 1013 Гц.
При релаксаційній поляризації діелектрична проникність плавно зменшується до чергового стабільного рівня (нормальна дисперсія діелектричної проникності). Області нормальної дисперсії відповідають частоти електромагнітних коливань з півперіодом порядку постійної часу релаксаційної поляризації t = t 0 exp(W/kT). Область дисперсії зміщується в область вищих частот при підвищенні температури.
Електронно-релаксаційнаполяризація, яка зустрічається рідко, пов'язана з непружним зміщенням слабо зв'язаних електронів або дірок, а в деяких іонних діелектриках - певного виду структурних дефектів. Час встановлення такої поляризації 10-2…10-7 с, частотний діапазон існування до 107 Гц.
Іонно-релаксаційна поляризація зумовлюється непружним зміщенням слабо зв’язаних іонів в іонних діелектриках з нещільною кристалічною решіткою або в аморфних іонних діелектриках. Час встановлення цього механізму поляризації залежить від температури та особливостей структури діелектрика та складає при кімнатних температурах 10-4…10-10 с, проявляється вона до 1010 Гц.
Дипольно-релаксаційна поляризація характерна для діелектриків з іонно-ковалентним зв'язком, що мають молекули з електричним моментом, відмінним від нуля, та зв'язана з їх непружною орієнтацією. Час встановлення дипольно-релаксаційної поляризації для полярних діелектриків знаходиться у межах 10-4 … 10-8 с, частотний діапазон – 104 - 108 Гц.
Міграційнаполяризація зумовлюється перерозподілом вільних зарядів в об'ємі неоднорідного діелектрика та їхнім накопиченням на границях поділу. Цей механізм поляризації - найповільніший. Час встановлення міграційної поляризації для різних діелектриків знаходиться у діапазоні 102…10-4 с. Спад діелектричної проникності для міграційної поляризації спостерігається у відповідній низькочастотній області (10-2...105 Гц).
Частотний діапазон проявлення спонтанної поляризації приблизно відповідає частотному діапазону іонно-релаксаційної поляризації.
ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ НА ПОЛЯРИЗАЦІЮ ДІЕЛЕКТРИКІВ
Температура навколишнього середовища також сильно впливає на процес поляризації в діелектриках. Реакцію діелектрика на зміну температури прийнято характеризувати температурним коефіцієнтом діелектричної проникності ТКe- котрий в загальному вигляді визначається рівнянням
ТКe = [e (T2) - ε (T1 )] /[ε (Tс)(T2 – T1)] , Tс = (T2 + T1)/2
(розшифровка позначень)
або при даній температурі T
TKe (T) = [1/e (T)][de (T)/dT].
Для суміші двох хімічно не взаємодіючих діелектриків
TKe (T)= 
.???
Характер залежності діелектричної проникності від температури визначається природою матеріалу та частотою електричного поля.
Вивчаючи вплив температури на er, необхідно звернути увагу на те, що від температури може залежати і об’єм матеріалу, а значить і концентрація зв’язаних зарядів, і константи пружності речовини, які характеризують здатність взаємного зміщення зв’язаних зарядів. Зміна er при цьому буде визначатися загальною зміною електричного моменту (поляризованості).
За звичайних для експлуатації діелектричних матеріалів значень температури теплова енергія, яку передає діелектрику зовнішнє середовище, недостатня для переходу електрона на вищий дискретний енергетичний рівень в атомі, іоні чи молекулі. Тому для електронної поляризації поляризованість зв’язаного заряду зумовлена пружною деформацією електронних оболонок і наведений електричний момент не залежить від температури. Але завдяки тепловому розширенню при підвищенні температури кількість частинок, які поляризуються в одиниці об’єму, буде зменшуватись і er при електронній поляризації з ростом температури буде знижуватись приблизно за лінійним законом.
У випадку іонної поляризації поляризовність іонних молекул чи зміщення пружно зв'язаних протилежно заряджених іонів в кристалічній гратці зростають в результаті розширення нагрітого тіла та посилення коливань вузлів кристалічної гратки. Цей ефект виявляється значнішим, ніж зменшення концентрації частинок у результаті теплового розширення і відносна діелектрична проникність з ростом температури збільшується. Температурний коефіцієнт відносної діелектричної проникності у цьому випадку позитивний та постійний у широкому діапазоні температур.
При розгляді дипольно-релаксаційної поляризації, зумовленої орієнтацією полярних молекул в електричному полі, потрібно враховувати, що електричний момент зв’язаного в молекулі заряду практично не залежить від температури, а тому електричний момент речовини визначається тільки орієнтацією зв’язаних зарядів за напрямом зовнішнього поля. При низьких температурах енергія полярних молекул недостатня для подолання потенціальних бар’єрів і молекули, орієнтуючись пружно, роблять незначний внесок в поляризацію.
Із зростанням температури сили зв’язку молекул послабляються, що сприяє поляризації речовини: відносна діелектрична проникність речовини збільшується. Однак при подальшому підвищенні температури енергія теплового (хаотичного) руху молекул послаблює орієнтуючу дію електричного поля, в результаті чого відносна діелектрична проникність, що визначається ступенем орієнтації полярних молекул в речовині, зменшується, і в цілому відносна діелектрична проникність проходить через максимум.
Аналогічна картина характерна і для спонтанної поляризації, зумовленої орієнтацією самочинно поляризованих мікрообластей діелектрика - доменів. Різниця полягає у тому, що спонтанна поляризація спостерігається в обмеженому діапазоні температур. При переході через верхню межу цього діапазону спостерігається швидке гіперболічне зниження er, викликане руйнуванням спонтанної поляризації та переходом її до іонно- чи дипольно-релаксаційної, залежно від типу сегнетоелектрика.
ПОЛЯРИЗАЦІЯ АКТИВНИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ
Останнім часом у техніці находять застосування діелектрики, здатні генерувати, перетворювати або посилювати електричні сигнали в електричному колі. Ці діелектрики називаються активними.
Параметри активних діелектриків та їхня класифікація (табл. І) визначаються у першу чергу зовнішнім фактором, який є причиною виникнення або зміни поляризації, тобто керівним.
При вивченні активних діелектриків слід звернути увагу на те, що їх умовно можна поділити на дві групи. До першої належать кристали з низьким рівнем симетрії (аморфні молекулярні речовини), особливістю яких є анізотропний характер деформації кристалічної ґратки, форми молекул або зміна молекулярного упорядкування при зовнішньому впливі. Другу групу активних діелектриків складають речовини, для яких характерним є певний потенціальний бар’єр? чи певний спектр домішкових рівнів у забороненій зоні.
У деяких діелектричних речовинах поряд з поляризацією, яка має місце у зовнішньому електричному полі (індукована), поляризація може бути викликана не тільки електричним полем, але й такими зовнішніми факторами, як градієнт температури або зовнішній тиск. У випадку нецентросиметричних? діелектриків електрична поляризація може виникати під дією температури (піроелектрики), деформації (п’єзоелектрики) та іншими. Залежно від мікроструктури діелектрика зовнішнє електричне поле спричинює виникненню здебільшого одного або одночасно кількох видів поляризації.
| Таблиця І Класифікація активних діелектриків | ||
| Тип діелектрика | Керуючий вплив | Реакція |
| П’єзоелектрик | Механічна напруга | Генерація електричної напруги /прямий п’єзоефект/ |
| Електрична напруга | Деформація /зворотний п’єзоефект/ | |
| Піроелектрик | Зміна температури в часі | Генерація електричної напруги |
| Сегнетоелектрик | Електрична напруга | Зміна діелектричної проникності |
| Електрет | Механічне зміщення | Зміна електричного поля |
| Оптично активні діелектрики /люмінофори, активні елементи лазерів/ | Світло, електричне поле, потік частинок | Генерація світлового випромінювання |
| Рідкі кристали | Електричне та магнітне поля | Зміна коефіцієнта прозорості та заломлення /оптичних властивостей/ |
Властивості ряду активних діелектриків першої групи визначаються:
- зміною при зовнішньому впливі поляризації нецентросиметричних кристалів, зв’язаної з анізотропністю деформації елементарної кристалічної ґратки;
- зміною дипольного моменту елементарної кристалічної ґратки й електричного моменту кристала в цілому;
- порушенням рівноваги між поверхневим поляризаційним зарядом та компенсуючими його зарядами, захопленими з зовнішнього середовища й адсорбованими на поверхні.
У процесі нагрівання піроелектрика на його електродах виникає різниця потенціалів, величина якої пропорційна градієнту температури.
За механічної дії на п’єзоелектрик його деформація викликає пропорційну їй напругу (прямий п’єзоефект). Існує і зворотний п’єзоефект: напруга, підведена до обкладинок п’єзоелемента породжує відповідну їй деформацію. Але тут слід враховувати те, що кожний діелектрик в електричному полі змінює свої розміри пропорційно об’ємній густині? енергії. Цей квадратичний по полю ефект?, який відрізняється від лінійного зворотного п’єзоефекту, називається електрострикцією. В силу квадратичності електрострикція не має зворотного ефекту. П’єзоелектрики застосовуються у вигляді датчиків прискорень, вібрацій, тиску, звукознімачів, мікрофонів, випромінювачів і приймачів ультразвуку, а також в п’єзорезонаторах, п’єзофільтрах, п’єзодвигунах тощо.
Поряд з класичним п’єзоефектом у деяких матеріалах може спостерігатися лінійний електрооптичний ефект Поккельса - зміна коефіцієнта заломлення у поздовжньому або поперечному напрямку відносно прикладеного електричного поля. В ізотропних діелектриках в електричному полі виникає квадратичний ефект Керра. Ці два ефекти використовуються для електрооптичної модуляції світла, тому матеріали, в яких можна ці ефекти спостерігати, називають оптично активними.
Основним ефектом, що дозволяє використовувати сегнетоелектрики як активні діелектрики, є нелінійність їхньої діелектричної проникності, тобто залежність e=f(E) .
Вивчаючи сегнетоелектрики, необхідно пам’ятати, що їхня поляризація у зовнішньому полі розвивається на фоні спонтанної поляризації, взаємно скомпенсованої в об’ємі речовини внаслідок скоординованої орієнтації доменів. Поляризація сегнетоелектрика у зовнішньому полі полягає у перебудові доменної структури, збільшенні розмірів за рахунок сусідніх тих доменів, що виявились орієнтованими за полем (кут між сусідніми доменами становить звичайно 90о або 180о). З ростом напруженості поля процес переорієнтації доменів посилюється; коли майже всі домени зорієнтовані за полем, настає насичення. Тому в залежності e=f(E) спостерігається максимум.
Створення постійного електричного поля в діелектрику змінює стан рівноваги в бік відмінної від нуля поляризації. Визначена у цьому випадку при одночасному подаванні змінної напруги реверсивна діелектрична проникність виявляється меншою, ніж при відсутності постійного зміщення, тому що зменшення її миттєвих значень в області, де сумарна напруженість поля збігається за напрямом з напруженістю постійного поля, не компенсується її збільшенням у вужчому діапазоні значень сумарної напруженості протилежного напряму. Сильна залежність реверсивної er від напруженості змінного та постійного на поверхні полів дозволяє реалізувати сегнетоелектричні підсилювачі, генератори, модулятори та інші електронні схеми.
До першої групи активних діелектриків можна віднести й рідинні кристали, що є частково впорядкованими в’язкими рідинами або розчинами, що містять лінійні молекули. За структурою їх поділяють на:
– нематичні - з паралельним розташуванням хаотично зсунутих у поздовжньму напрямі молекул;
– смектичні - з шаруватою упорядкованістю в напрямі, перпендикулярному до осі молекул;
– холестерині – являють собою шарові структури з нематично упорядкованими, орієнтованими паралельно осі молекул, гвинтоподібно повернутих одна відносно одної.
Сильна асиметрія структури рідких кристалів є причиною значної анізотропії їхніх електричних, магнітних і оптичних властивостей. Практичний інтерес становить, перш за все, залежність оптичних характеристик рідких кристалів (прозорість, колір тощо) від дії електричного й магнітного полів.
До другої групи активних діелектриків належать електрети. Електретний стан речовини відповідає "закляклій" релаксаційній поляризації, яку можна створити за нормальних умов в діелектриках, що мають рівноважні положення частинок, розділених досить високим потенціальним бар’єром. Для створення "закляклої" поляризації необхідно підвести додаткову енергію (теплову, світлову або іншу), яка б забезпечила можливість орієнтації диполів чи зміщення релаксуючих іонів у прикладеному електричному полі, а потім зменшити до нуля (без вимкнення; напруги) інтенсивність дії поля. Орієнтоване положення диполів чи іонів буде при цьому зафіксованим. На поверхні діелектрика виникає не скомпенсований заряд протилежного знака (відносно полярності прикладеної напруги), який називається гетерозарядом. Електретний стан можна створити і в неполярних діелектриках. Необхідними умовами для цього є інжекція носіїв заряду з електродів у діелектрик, що можлива в полях напруженістю більше 1 МВ/м, і наявність рівнів захвату інжектованих носіїв у глибині забороненої зони. У цьому випадку формується гомозаряд, знак якого відповідає полярності електродів. Електретний стан неврівноважений, тому він релаксує з часом. Слід відмітити, що час релаксації більший для гомозаряду ніж для гетерозаряду.
Люмінофори й матеріали для генерування когерентного лазерного випромінювання є найхарактернішими представниками оптично активних діелектриків другої групи. У люмінофорах генерується світло внаслідок рекомбінації елементарних збуджень, викликаних зовнішніми нетепловими факторами (світлом, потоком електронів, електричним полем і т.п.). Матеріали для генерування когерентного лазерного випромінювання мають метастабільні рівні енергії, на яких можливе нагромадження збуджених електронів з наступним лавиноподібним індукованим переходом їх до основного стану.
ПРАКТИЧНЕ ВИЗНАЧЕННЯ ВІДНОСНОЇ ДІЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРОНИКНОСТІ
Відносна діелектрична проникність er може бути визначена як відношення ємності СХ конденсатора, в якому простір між електродами повністю заповнений діелектричним матеріалом, що випробовується, до ємності таких же, але розташованих у вакуумі, електродів:
При визначенні er за наведеною формулою можна замінити міжелектродну ємність в вакуумі Св на міжелектродну ємність у повітрі Сп з врахуванням, що erп =1.00053.
Значення er визначають на зразках матеріалів у вигляді пластин або трубок з застосуванням двох - чи трьохелектродних вимірювальних систем в залежності від наявних засобів вимірювання. Двохелектродну систему рекомендується використовувати, якщо вимірювальний прилад не дозволяє підключати охоронний електрод, а поверхневою провідністю зразка можна знехтувати. При вимірюванні ємності зразка допускається застосовувати як нанесені, так і накладені на поверхню зразка електроди. На частотах до 1 МГц рекомендується застосовувати електродні системи, виконані у вигляді важільних, гвинтових та пружинних пристроїв, що забезпечують тиск близько 1000 кН/м2. При ємнісних вимірах необхідно враховувати, що паразитні ємності електродної системи можуть дати суттєвий вклад у вимірювану величину, що призведе до систематичної похибки. Для її усунення розрахунковим шляхом, як описано нижче, використовують подвійне вимірювання: перший раз вимірюють ємність конденсатора з діелектричним матеріалом, другий раз – з повітряним проміжком.
Реальні ємнісні виміри не дозволяють у чистому вигляді визначити Сх та Сп через додаткову ємність електродного пристрою Спр і правильно визначити відносну діелектричну проникність. Фактичні виміри дадуть С1= Сх +Спр та С2= Сп +Спр. Ємність електродного приладу можна виключити, визначаючи DС= С1 - С2= Сх – Сп. Тепер, знаючи DС та обчисливши ємність повітряного конденсатора за формулою
де 
, 
Ф/м;
- площа вимірювального електрода;
d - діаметр;
h - товщина зразка матеріалу, правильне? значення відносної діелектричної проникності можна визначити за формулою
.
ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ ПІДГОТОВКИ
Систематизувати класифікаційні ознаки механізмів поляризації.
Описати відмінності між пружними та релаксаційними видами поляризації
Встановити взаємозв'язок між будовою діелектрика та механізмами його поляризації.
Вивчити фізичну суть впливу зовнішніх факторів на поляризацію діелектрика.
Підібрати приклади використання поляризаційних явищ в інженерній практиці з вашої спеціальності.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
Наведіть визначення основних фізичних величин та технічних параметрів поляризації діелектриків.
Чим визначається і що характеризує відносна діелектрична проникність?
За якими ознаками класифікують поляризацію? Охарактеризуйте механізми і наведіть основні види поляризації діелектриків.
Наведіть типові значення відносної діелектричної проникності для діелектриків з різними видами поляризації.
Чи є відносна діелектрична проникність сталою величиною? Які фактори впливають на значення відносної діелектричної проникності?
Чи можна отримати діелектричний матеріал з нульовим температурним коефіцієнтом діелектричної проникності?
Які вимоги висуваються до відносної діелектричної проникності матеріалів, що використовуються у високочастотній техніці ?
Які вимоги висуваються до відносної діелектричної проникності матеріалів, що використовуються при виготовленні електричних конденсаторів ?
Запитання для контрольних робіт
Дайте означення процесу поляризації та поясніть його фізичну суть. Коротко опишіть основні фізичні параметри, які характеризують поляризацію. Назвіть основні методи і наведіть схеми для вимірювання діелектричної проникності.
Основні види та механізми поляризації, їхні особливості.
Наведіть класифікацію діелектриків за видом поляризації. Назвіть 5-6 діелектриків кожної групи та наведіть значення діелектричної проникності названих діелектриків.
Викладіть суть спонтанної поляризації, характеризуйте її особливості.
Наведіть приклади залежностей діелектричної проникності твердих діелектриків з різною структурою від температури та частоти, поясніть їх.
Наведіть приклади залежностей діелектричної проникності рідких діелектриків різної будови від температури та частоти, поясніть їх.
Поясніть залежності діелектричної проникності сегнетоелектриків від температури, напруженості електричного поля, частоти прикладеної напруги та інших факторів.
Наведіть приклади діелектриків, для яких характерна головним чином електронна, іонна, дипольна та спонтанна поляризації. Дайте фізичне обґрунтування свого вибору і вкажіть значення діелектричної проникності кожного з названих матеріалів
Наведіть якісні графіки зміни діелектричної проникності нейтральних і полярних діелектриків в залежності від температури та частоти, поясніть їх. Наведіть приклади вказаних типів діелектриків.
Яким чином можна розрахувати діелектричну проникність сумішей двох або більшого числа діелектриків, що не утворюють один зодним хімічні сполуки? Розберіть основні випадки.
Дайте означення активних діелектриків. Назвіть основні класи активних діелектриків, опишіть особливості їх поляризації та області застосування.
Опишіть прямий і зворотний п’єзоефект. Наведіть приклади п'єзоелектричних матеріалів і охарактеризуйте області їх застосування.
Опишіть електретний стан у діелектриках і засоби його досягнення. В яких матеріалах спостерігається електретний ефект і з якою метою використовуються електрети?
17-21. Для вказаного матеріалу побудуйте за наведеними даними криву e (T).
| N | Параметр | Значення параметрів Т і e | ||||||||||||
| Т | -30 | -25 | -20 | -15 | -10 | -5 | ||||||||
| e | 2,5 | 2,6 | 2,7 | 2,9 | 3,3 | 4,0 | 5,0 | 5,6 | 5,7 | 5,5 | 5,2 | 4,7 | 4,2 | |
| Т | ||||||||||||||
| e | 3,0 | 2,7 | 2,4 | 2,2 | 2,1 | 2,1 | 2,2 | 2,5 | 2,9 | 3,4 | 3,4 | 3,0 | 2,7 | |
| Т | ||||||||||||||
| e | 2,62 | 2,6 | 2,55 | 2,48 | 2,40 | 2,31 | 2,20 | 2,10 | 2,03 | |||||
| Т | ||||||||||||||
| e | 2,2 | 2,19 | 2,18 | 2,17 | 2,16 | 2,12 | 2,00 | 1,96 | 1,92 | |||||
| Т | ||||||||||||||
| e | 5,4 | 5,6 | 6,2 | 7,0 | 8,5 | 11,0 | 14,5 |
Обчисліть не менш як для п’яти значень температури температурний коефіцієнт діелектричної проникності (TKe), використовуючи графічний метод диференціювання кривої e (T).Побудуйте залежність ТКe матеріалу від температури.
Матеріали: 1 - совол, 2 - каніфоль, 3 - церезин, 4 - парафін, 5 - електротехнічне скло.
Яким чином можна створити неоднорідний діелектрик із заданим значенням ТКe?
69-73. Діелектрик плоского конденсатора є механічною сумішшю двох матеріалів з хаотичним розподілом компонентів. Побудуйте графік залежності діелектричної проникності цієї суміші від об’ємного складу компонентів. За незалежну змінну прийміть об’ємний зміст одного з матеріалів у відносних одиницях.
| Номер запитання | |||||
| Система діелектриків | Поліетилен - нітрид кремнію | Поліетилен - слюда | Полістирол - корунд | Полістирол - рутил | Поліхлорвініл - повітря |
Електричні характеристики матеріалів наведено у табл. Д.І.
Вам запропонували з групи невідомих електроізоляційних матеріалів вибрати неполярні діелектрики. Як це зробити, не вдаючись до електричних вимірювань?
ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ ДІЕЛЕКТРИКІВ
Дата добавления: 2015-02-10; просмотров: 3746;