Види поляризації діелектриків

Поляризація діелектриків відбувається як у постійному, так й у змінному електричному полі за рахунок зміни вектора напруженості поля при зміні фази. Залежно від природи часток, що становлять матеріал, і сил зв'язку між ними в діелектриках спостерігаються різні види або механізми поляризації. Основними механізмами поляризації є: електронна, іонна, электронно -релаксаційна, іонно-релаксаційна, дипольно-релаксаційна.

Електронна поляризація виникає за рахунок пружного зсуву й деформації електронних оболонок щодо ядер атомів й (або) іонів. При цьому з'являється асиметрія зарядів, тобто зсув центрів позитивного й негативного зарядів. У результаті виникає електричний момент і речовина поляризується.

Оскільки за рахунок дуже більших сил зв'язку зсув центрів зарядів дуже мало (порядку 10^-17 м), поляризація відбувається миттєво.

Час установлення електронної поляризації τ~ 10^-15 с, вона спостерігається при частотах зовнішнього змінного поля до 10¹⁵ Гц.

Електронна поляризація властива всім діелектрикам й є єдиним видом для неполярних діелектриків.

Іонна поляризація обумовлена пружним зсувом іонів щодо положення рівноваги й характерна для діелектриків, іонних за структурою й видом хімічного зв'язку. Зсув іонів не перевищує постійних кристалічних ґрат, тобто менш 0,5 нм. Час установлення іонної поляризації τ ~ 10^-13 с, і вона встигає відбуватися при частотах зовнішнього поля до 10¹³ Гц. Цей вид поляризації також уважається миттєвим.

Інші види поляризації прийняті з уповільненими, або релаксаційними. Це означає, що з поляризації спочатку, тобто в момент додатка поля або зміни фази, іде швидко, а потім сповільнюється й фактично йде за експонентним законом. При підвищених і високих частотах ці види поляризації не встигають випливати за зміною зовнішнього поля, а виходить, не беруть участь у процесі поляризації діелектрика, тобто відсутні.

Электронно-релаксаційна поляризація виникає в діелектриках, що має дефекти структури. У місці дефекту з'являється електрон або дірка, равновероятно приналежним сусіднім іонам і тому слабко з ними зв'язані. Ці заряди легко зміщаються зовнішнім полем, що приводить до асиметрії електричних зарядів і виникненню электронно-релаксаційної поляризації. Час установлення такої поляризації, або час релаксації, τ ~ 10^-7... 10^-11 с.

Іонно-релаксаційна поляризація виникає в діелектриках з нещільним упакуванням структурних елементів кристалічних ґрат. У результаті іони слабко зв'язані між собою й можуть зміщатися зовнішнім полем на відстані, що перевищують постійну ґрат. Час поляризації τ~ 10^-5....10^-7 с.

Цей вид поляризації характерний для неорганічних діелектриків (наприклад, скла).

Дипольно-релаксаційна поляризація виникає в іонних полярних діелектриках, що складаються з дипольних молекул. Заряди в диполях досить сильно зв'язані один з одним, тому на їхню орієнтацію потрібні більші витрати енергії зовнішнього поля й більше часу на поляризацію. Час установлення поляризації визначається типом диполів, силами зв'язку між іонами й перебуває в межах τ~ 10^-2... 10^-10 с.

У реальному діелектрику може бути кілька видів поляризації з різним часом поляризації τ. Якщо в діелектрику спостерігаються всі види поляризації, що відбуваються незалежно друг від друга, то ступінь поляризації (поляризованість) і відповідно діелектрична проникність будуть визначатися сумою внесків всіх видів поляризації, тобто

(8)

З ростом частоти зовнішнього поля частина поляризаційних процесів, що встигають випливати за зміною поля, буде впливати на величину ε, а процеси, що відстають від зміни поля, не із впливати на величину ε через зникнення спочатку повільних, а потім й уповільнених процесів поляризації. Таким чином, величина (чисельне значення) діелектричної проникності ε є частотно-частотно-залежної, тобто залежить від частоти. Цю залежність називають дисперсією діелектричної проникності. У спрощеному виді для діелектрика з усіма видами з вона представлена на мал. 2.3

Рис. 2.3. Дисперсія діелектричної проникності.

З ростом частоти поляризаційні процеси починають відставати від зміни фази вектора напруженості зовнішнього поля. При деякій частоті, коли час установлення поляризації з менше на півперіоду частоти зовнішнього поля, орієнтація зв'язаних зарядів припиняється. У результаті діелектрична проникність ε зменшується спочатку на величину ε _др, потім на ε_ир і т.д. При частотах вище 10¹⁵ Гц ε стає рівної діелектричної проникності вакууму ε_вак, де не існує зарядів й, отже, не може бути поляризації. Якщо в досліджуваному діелектрику відсутній один або кілька видів поляризації, то на частотній залежності не буде однієї або декількох щаблів.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Поляризація діелектриків	\|	Діелектричні втрати

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.004 сек.