Основні види поляризації
Істота поляризації більшості діелектриків полягає в воз-нення електричного (дипольного) моменту в обсязі діелек-трику внаслідок переміщення пов'язаних електричних зарядів (зарядів, пов'язаних в атомах, молекулах, кристалічній решітці) під дією зовнішнього електричного поля.
Пояснимо цей механізм поляризації на прикладі поляризації атома. Перед додатком зовнішнього електричного поля позитивними Цінні та негативні заряди в атомі розподілені так, що зовні атом виявляє себе як електрично нейтральний. Центри ваги позитивних і негативних зарядів при цьому збігаються.
При впливі зовнішнього електричного поля симетрія у розподілі зарядів порушується, виникає індукований елек-тричних момент. Центр ваги позитивних зарядів при цьому зміщується в напрямку напруженості зовнішнього поля, а центр ваги негативних зарядів - в протилежному напрямку. Такий механізм поляризації називається електронної поляризацією. Зсув центру ваги негативних зарядів пропорційно напруженості зовнішнього поля.
Простежимо, як цей механізм проявляється на тимчасовій зави-ності електричного струму поляризації протягом одного періоду (малюнок 7.1).
Малюнок 7.1 - Зміна в часі електричного струму поляризації діелектрика з електронної поляризацією
У першій чверті періоду напруженість зовнішнього поля неодмінно-ривно зростає і в момент t = T / 4 досягає максимуму. Негайно після додатки поля центр тяжкості негативних зарядів откло-нітся і через діелектрик потече щодо великий струм. При подальшому зростанні напруженості поля зміщення центру ваги хоча і збільшується, але все повільніше, так як поле повинно долати всі великі пружні сили. Тому струм поступово зменшується. При t = T / 4 ток стає рівним нулю і зміщення електронів проти напрямку напруженості зовнішнього поля закінчується. З цього моменту напрямок руху електронів зміниться, так як пружні сили зв'язку прагнуть повернути їх в результат-ве становище. Тому при зменшенні напруженості зовнішнього поля струм тече в зворотному напрямку і поступово збіль-личивается. При t = T / 2 центри тяжкості зарядів знаходяться в початковому положенні. У другому напівперіоді процес повторюється з тією різницею, що заряди зміщуються в напрямку, протилежному напрямку їх зміщення в першому напівперіоді. Цей про-процес періодично повторюється.
Час, протягом якого заряди в атомах здатні реагувати на зовніш-нього поле, дуже мало і має порядок 10 -15 с, тобто реакція майже миттєва, тому вектор струму випереджає вектор на-напруги на 90 °.
При інших типах поляризації цей час більше, так як меха-нізм поляризації є іншим. Часто мова йде про усунення важчих частинок, що зустрічають опір середовища. У таких випадках випередження вектора струму по відношенню до вектора напруги мен-ше 90 °.
Яким би не був фізичний механізм при різних типах поляризації, зовні поляризація проявляється завжди однаково, тобто як порушення симетрії розподілу електричних зарядів в ді-електриці. Заряди протилежних знаків, зміщені зовнішнім по-лем зі своїх рівноважних положень, утворюють електричні диполі, поле яких діє назустріч причини їх виникнення та спо-собно компенсувати частину зовнішнього електричного поля. Поле диполів пов'язує частина зарядів на електродах.
У загальному випадку електрична поляризація являє собою комплекс явищ, пов'язаних з різними механізмами поляризує-ції і відбуваються на мікроскопічному рівні.
Основним механізмом поляризації можна вважати пружне сме-щення частинок в діелектрику. Поляризація такого типу називається пружною. При пружному зсуві електронів в атомах говорять про пружну електронної поляризації. При взаємно пружному зсуві протилежно зоря-дені іонів в кристалічній решітці іонних кристалів говорять про пружну іонної поляризації. У разі пружного зсуву про-протилежний заряджених частинок в молекулі з постійним дипольним моментом говорять про пружну дипольної поляризації. Загальною ознакою таких механізмів поляризації є те, що поляризація відбувається дуже швидко і без втрат.
Може трапитися, що індукований електричний момент віз-ника в результаті зсуву слабосвязанних частинок (електронів або іонів), які не пов'язані пружними силами, або в результаті кричи-ентации постійних діполей в напрямку зовнішнього поля. Реакція цих частинок на зміни зовнішнього поля вже не така швидка, як у випадку поляризації пружного типу. Після зникнення зовнішньо-го поля частинки повертаються в початкове положення не миттєво, а через певний час, і не під дією пружних сил зв'язку, а в результаті хаотичного теплового руху. Такі механізмиполярізацііназиваютсярелаксаціоннимі і характерні тим, що супроводжуються втратами електричної енергії і сильно залежать від інтенсивності теплового руху, т. Е. Від температури.
До цих основних механізмів поляризації в деяких спеці-них випадках додаються особливі типи поляризації - міграційна і спонтанна.
Міграційна поляризація полягає у виникненні індуці-рованного дипольного моменту внаслідок зсуву вільних зоря-дів, які не мають можливості нейтралізації на електродах.
Такі заряди концентруються під дією зовнішнього поля на бло-кірующіх бар'єри різного характеру і утворюють пространствен-ні заряди, поле яких зовні проявляє себе як поляризація особливого виду. Це типово для неоднорідних діелектриків.
Спонтанна поляризація полягає в орієнтації спонтанно (мимовільно) утворилися електричних моментів в направ-лення зовнішнього електричного поля. Це типово для сегнетоелектриків.
Обидва особливих типу поляризації мають нелінійний характер.
Про релаксационном характер поляризації можна говорити у вузькому і широкому сенсі.
У вузькому сенсі релаксационной поляризацією вважається така поляризація, при якій залежність поляризованности від часу після застосування або зняття зовнішнього постійного поля має експонентний характер і описується виразами (7.1) або (7.2).
Після додатки поля поляризованность зростає в часі
де Pr (t) - релаксаційна поляризованность в момент t; Pr∞ (t) - релаксаційна поляризованность в сталому стані; Т - постійна часу; e - основа натуральних логарифмів (e = 2,718).
Після зняття зовнішнього поля релаксационная поляризованность зменшується відповідно до формули
Криві зміни релаксационной поляризованности в часі при додатку і зняття зовнішнього поля показані на малюнку 7.2.
Малюнок 7.2 - Зміна в часі полярізованностіпрі релаксационном характер поляризації:
a - при виникненні; б - при зникненні
Важливим параметром процесу релаксационной поляризації є-ється постійна часу Т. Вона дорівнює часу, за яке релаксу-Ціон поляризованность після зняття електричного поля зменшується до 1 / е. тобто приблизно до 37% початкового рівня. Неполярними вважаються такі діелектрики, частки яких немають постійного дипольного моменту і у яких можуть виникати тільки індуковані дипольні моменти під дією зовнішнього електричного поля. Основне питання в тому, чи є молекула матеріалу полярної або неполярний, належить характеру хі-чеських зв'язків і орієнтації диполів. Якщо ці зв'язки без дипольного моменту, тобто чисто ковалентні, або якщо ці зв'язки - перехідного типу з дипольними моментами, які орієнтовані так, що взаємно компенсуються; центри тяжкості позитивних і негативних-них зарядів в молекулах матеріалу збігаються і матеріал є неполярних. На практиці до неполярних матеріалів відносять і такі полярні матеріали, у яких полярність дуже слабо виражена, тобто молекули мають лише малий постійний дипольний момент.
До неполярних електроізоляційних матеріалів відносяться полі-етилен, політетрафторетилен, полістирол, парафін та ін. Слабополяр-ним є нафтове (мінеральне) масло.
Полярними вважаються такі матеріали, молекули яких і без впливу зовнішнього електричного поля мають електричний момент (власний, або постійний, дипольний момент). Це молі-кули, в яких окремі атоми пов'язані полярними зв'язками зі взаємно нескомпенсованими дипольними моментами зв'язків.
До полярних матеріалів відносяться целюлоза, полівінілхлорид, хлоровані дифеніли і ін.
Поляризованность діелектрика дорівнює индуцированному диполь-моменту одиниці об'єму діелектрика, т. Е є сумою елементарних дипольних моментів в одиниці об'єму Здатність діелектрика до поляризації можна охарактеризувати трьома величинами - поляризуемостью, діелектричної сприйнятливістю і относітельнойдіелектріческой проникністю. У техніці найчастіше використовується відносна діелектрична проникність.
Поляризуемость пов'язана з поляризованістю діелектрика
де Р - поляризованность; N - концентрація індукованих диполів; α - поляризованість; Е - напруженість постійного електричні ського поля.
Відносна діелектрична проникність і діелектрична сприйнятливість діелектрика пов'язані з поляризованістю
де ε0 - діелектрична постійна (ε0 = 8,854 · 10 -12 Ф / м); - відноси-кові діелектрична проникність; - діелектрична сприйнятливість.
З порівняння виразів (7.3) і (7.4) слід співвідношення між відносною діелектричною проникністю, відносної діелектричної сприйнятливістю і поляризуемостью діелектрика