Основные виды поляризации диэлектриков

1. Поляризация практически мгновенная, вполне упругая, которая не связана с нагревом диэлектрика. К такому виду поляризации относятся электронная и ионная поляризации.

2. Поляризация, которая нарастает и убывает замедленно и связана с тепловыми потерями в диэлектрике, т. е. с его нагреванием.

3. Резонансная поляризация – особый механизм поляризации, который наблюдается в диэлектриках при высоких частотах приложеного напряжения.

Рисунок 8 – Схема замещения, характеризующая основные виды поляризации диэлектрика

U – приложенное в схему напряжение;

Q₀ - заряд, соответствующий собственному полю электродов;

С₀ - емкость, соответствующая собственному полю электродов;

Q_э – заряд, соответствующий электронной поляризации;

С_э – емкость, соответствующая электронной поляризации;

Q_и – заряд, соответствующий ионной поляризации;

С_и – емкость, соответствующая ионной поляризации;

Q_д-р– заряд дипольно-релаксационной поляризации;

С_д-р – емкость дипольно-релаксационной поляризации;

r_д-р – активное сопротивление дипольно-релаксационной поляризации;

Q_и-р – заряд ионно-релаксационной поляризации;

С_и-р – емкость ионно-релаксационной поляризации;

r_и-p – активное сопротивление ионно-релаксационной поляризации;

Q_э-p – заряд электронно-релаксационной поляризации;

C_э-p – емкость, соответствующая электронно-релаксационной поляризации;

r_э-p – активное сопротивление электронно-релаксационной поляризации;

Q_м – заряд миграционной поляризации;

С_м – емкость миграционной поляризации;

r_м – активное сопротивление миграционной поляризации;

R_из – сопротивление изоляции сквозному току;

Q_сп – заряд спонтанной или самопроизвольной поляризации;

С_сп – емкость спонтанной поляризации;

r_сп – активное сопротивление спонтанной полдяризации.

Электронная поляризация

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электрических оболочек атомов или ионов. С повышением температуры электронная поляризация ослабевает, что связано с тепловым расширением диэлектрика и с уменьшением количества частиц в единице объема.

Время установления электронной поляризации:

t_{уст. э}= 10^-15 с.

Такой механизм поляризации не связан с потерями энергии и наблюдается у всех диэлектриков.

Ионная поляризация

Ионная поляризация наблюдается в твердых диэлектриках с ионным строением и связана с перемещением упруго связанных положительных и отрицательных ионов вдоль действия напряженности внешнего электрического поля. С ростом температуры ионная поляризация заметно усиливается, что объясняется уменьшением сил притяжения между ионами из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении.

Время установления ионной поляризации:

t_{уст. и} = 10^-13 с.

Дипольно-релаксационная поляризация

Дипольно-релаксационная поляризация отличается от электронной и ионной поляризаций тем, что связана с нагреванием диэлектрика и с ориентацией молекул с постоянным дипольным моментом по отношению к действию внешнего электрического поля. Такой механизм поляризации наблюдается в полярных жидкостях и газах, а также в полярных твердых веществах органического происхождения.

Время установления дипольно-релаксационной поляризации:

t_{уст д-р} = (10^-4 – 10^-2) c.

Такой вид поляризации вызывает нагрев диэлектрика (на схеме замещения рис. 8 это отражено в виде активного сопротивления r_д-р).

В вязкой среде ориентация молекул под действием внешнего поля связана с затратами энергии, необходимыми для преодоления сил внутреннего трения между молекулами. При увеличении температуры дипольно-релаксационная поляризация сначала усиливается, что связано с уменьшением вязкости вещества, а затем ослабевает, что связано с усилением интенсивности хаотического теплового движения молекул.

Время релаксации – промежуток времени, в течение которого степень упорядоченности диполей после снятия внешнего поля уменьшается по сравнению с первоначальным значением в е раз (в 2,7 раза).

Рисунок 9

D – электрическое смещение,

t - время.

Ионно – релаксационная поляризация

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических стеклах, а также в твердых материалах неорганического происхождения с неплотной упаковкой ионов в кристаллической решетке. При снятии внешнего поля ионно-релаксационная поляризация уменьшается по экспоненциальному закону и с ростом температуры она заметно усиливается.

Время установления ионно-релаксационной поляризации:

t_{уст. и-р} = (10^-5 – 10^-3) c.

Электронно-релаксационная поляризация

Электронно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с проводящими и полупроводящими примесями и обусловлена возбуждением тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок.

Значения относительной диэлектрической проницаемости e_r для такого вида поляризации максимально возможные.

Bремя установления электронно-релаксационной поляризации:

t_{уст. э-р} = (10^-6 - 10^-4) с.

В температурной зависимости относительной диэлектрической проницаемости e_r = f(T) может наблюдаться один или несколько максимумов.

Миграционная поляризация

Миграционная поляризация наблюдается в сложных твердых диэлектриках.

Сложный твердый диэлектрик – диэлектрик, состоящий из двух или более компонент, смешанных механически и не вступающих друг с другом в химическую реакцию.

Такой механизм поляризации может наблюдаться в диэлектриках с макроскопическими неоднородностями и примесями, а также может наблюдаться в приэлектродных областях при внесении неоднородных материалов в электрическое поле.

Наиболее сильно миграционная поляризация проявляется при низких частотах и она связана с большим рассеянием энергии внутри диэлектрика.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация

Спонтанная поляризация наблюдается в сегнетоэлектриках и сопровождается их сильным нагревом. У сегнетоэлектриков наблюдается нелинейная зависимость

D = f ( E ), а e_r зависит от E. В веществах с самопроизвольной (спонтанной) поляризацией имеются отдельные макроскопические области (электрические домены), которые обладают электрическим моментом в отсутствие внешнего электрического поля. При этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна, в результате чего суммарный электрический момент такого вещества в пространстве равняется нулю. При наложении на вещество внешнего электрического поля происходит ориентация векторов электрических моментов доменов в направлении действия поля, что дает эффект очень сильной поляризации. В отличие от других механизмов поляризации при некотором значении напряженности электрического поля наступает насыщение (кривая 3 на рис. 7), и дальнейшее усиление поля уже не вызовет возрастания интенсивности поляризации.