Машиностроение и механика

Поляризация диэлектриков

Фундаментальное явление, определяющее возможность использования диэлектрика для создания емкости конденсаторов электронной аппаратуры, – поляризация.

Электрическая поляризация при воздействии электрического поля проявляется в ограниченном упругом смещении связанных зарядов, ориентации дипольных молекул, в результате чего некоторый объем или поверхность диэлектрика приобретают электрический момент. После снятия электрического поля связанные заряды возвращаются в первоначальное состояние.

Для сравнения диэлектриков, имеющих различную степень поляризации, пользуются понятием относительной диэлектрической проницаемости e. Эта величина представляет собой отношение заряда Q конденсатора с конкретным диэлектриком к заряду Q₀ конденсатора тех же размеров и при том же напряжении, между обкладками которого находится вакуум:

, (2.6)

e – величина безразмерная и всегда больше единицы, поскольку реальные диэлектрики, в отличие от вакуума, всегда содержат электрические заряды.

Диэлектрики делятся на два класса: полярные и неполярные. У молекул неполярных веществ центры тяжести суммарных положительных и отрицательных зарядов совпадают. Молекулы полярных материалов имеют вид электрических диполей, способных ориентироваться в электрическом поле.

Все виды поляризации делятся на две группы: мгновеннные и релаксационные. Мгновенная поляризация (электронная, ионная) происходит практически без потерь энергии. Замедленная поляризация (электронно-, ионно-, дипольно-релаксационная, структурная, спонтанная) сопровождается потерями электрической энергии.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около 10^-15 с), процесс происходит практически без потерь энергии. Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков без исключения, поскольку у всех диэлектриков имеются электроны, находящиеся в связанном состоянии.

Ионная поляризация характерна для твердых диэлектриков с ионным строением (слюда, корунд, каменная соль) и проявляется в упругом смещении связанных ионов под действием электрического поля. При этом смещение ионов происходит на расстояния, меньшие постоянной кристаллической решетки (минимального расстояния между одинаковыми ионами). Время установления поляризации около 10^-13 с, потерь энергии не происходит.

Электронно- и ионно-релаксационная поляризации сопровождаются диэлектрическими потерями. Электронно-релаксационная поляризация возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Ионно-релаксационная поляризация характерна для материалов ионного строения с неплотной упаковкой ионов (например, в неорганических стеклах). При этом виде поляризации слабо связанные ионы под действием поля перемещаются на одно или несколько атомных расстояний и закрепляются в новом положении, что создает асимметрию распределения зарядов и, следовательно, электрический момент единицы объема. Время релаксации составляет 10^-11 - 10^-8 с.

Дипольно-релаксационная поляризация обычно наблюдается в полярных органических диэлектриках (полиметилметакрилат, поливинилхлорид и т.д.) и заключается в ориентации, повороте дипольных молекул, дипольных групп под действием электрического поля. Этот вид поляризации сопровождается потерями энергии. Чем ниже температура и крупнее диполи, тем больше время релаксации, изменяющееся в пределах 10^-10 - 10^-6 с.

Структурная (междуслойная, миграционная) поляризация обусловлена движением свободных зарядов (положительных и отрицательных ионов, электронов) и их закреплением на дефектах и поверхностях раздела различных компонентов электроизоляционного материала. Этот вид поляризации наблюдается в неоднородных диэлектриках (композиционные пластмассы, гетинаксы, текстолиты, керамика и т.д.), компоненты которых обладают разными электрическими свойствами. Время релаксации может достигать десятков минут, поляризация сопровождается диэлектрическими потерями.

Рассмотренные выше механизмы поляризации свойственны так называемым линейным диэлектрикам, зависимость заряда (поляризованности) которых от напряженности электрического поля является линейной функцией, а величена e от поля не зависит. Особую группу диэлектриков, называемых нелинейными или активными, составляют сегнетоэлектрики, которые обладают самопроизвольной или спонтанной поляризацией.

При температуре, характерной для материала и называемой точкой Кюри, отдельные элементарные ячейки кристалла сегнетоэлектрика приобретают дипольный электрический момент за счет смещения катиона к аниону, то есть создания несимметричного распределения разноименных зарядов. Совокупность соседних элементарных ячеек представляет собой область с разделенными положительным и отрицательным зарядами, то есть обладающую внутренним дипольным электрическим моментом. Такие области имеют размер ~ 0,1-1 мм³ и называются доменами. Таким образом, при определенных условиях материал оказывается спонтанно (самопроизвольно) поляризованным.

До воздействия внешнего электрического поля направления дипольных моментов отдельных доменных областей хаотичны и их сумма равна нулю, поэтому сегнетоэлектрик в целом нейтрален, неполяризован. Под действием внешнего электрического поля в сегнетоэлектрике происходят процессы смещения границ доменов, ориентации векторов электрических моментов доменов преимущественно в направлении внешнего поля, то есть усиливается поляризованность. Зависимость заряда (поляризованности) сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля имеет нелинейный характер и в переменном поле представляет собой петлю диэлектрического гистерезиса. Поэтому при спонтанной поляризации и относительная диэлектрическая проницаемость материала нелинейно зависит от напряженности электрического поля (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Зависимость e сегнетоэлектрика от напряженности
электрического поля

Спонтанная поляризация сопровождается диэлектрическими потерями, при этом площадь петли диэлектрического гистерезиса пропорциональна мощности потерь.

Характер зависимости e(T) конкретного диэлектрика обусловлен преобладающим видом поляризации. У неполярных материалов (полиэтилен, парафин) e с ростом температуры снижается из-за уменьшения плотности и соответственно концентрации объектов поляризации (рис. 2.6, кривая 1).

0

Рис. 2.6. Зависимость e от температуры для диэлектриков с электронной (1), дипольно-релаксационной (2), ионной и ионно-релаксационной (3) и спонтанной (4) поляризацией

Зависимость e полярных диэлектриков (с доминирующей дипольно-релаксационной поляризацией) от температуры имеет максимум при определенной температуре Т₁ (рис. 2.6, кривая 2). При увеличении температуры до Т₁ e увеличивается за счет уменьшения вязкости и облегчения ориентации диполей, далее, при Т > Т₁ (определенной для каждого диэлектрика), уменьшается, так как тепловое движение нарушает ориентацию диполя в направлении поля. У большинства неорганических стеклообразных и кристаллических материалов ионного строения e увеличивается с ростом температуры, а у некоторых уменьшается (рис. 2.6, кривые 3). Это объясняется наличием у таких диэлектриков как электронной (снижение e с ростом Т), так и ионной поляризации. Вследствие уменьшения связи между ионами e при ионной поляризации с ростом температуры увеличивается.

При повышении температуры до точки Кюри (Т_К на рис. 2.6, кривая 4) e сегнетоэлектриков увеличивается вследствие облегчения поляризации доменов, а выше точки Кюри уменьшается из-за того, что нарушается доменное строение.

Относительная диэлектрическая проницаемость e неполярных диэлектриков не зависит от частоты, как показано на рис. 2.7 (кривая 1), так как им свойственна только мгновенная поляризация, время релаксации которой мало по сравнению с полупериодом действия напряжения. В полярных материалах с дипольно-релаксационной или ионно-релаксационной поляризацией e до определенной частоты f¢ не меняется (рис. 2.7, кривая 2). Когда поляризация не будет успевать полностью устанавливаться за один полупериод действия напряжения (f¢ – величина, обратная времени релаксации), e снижается, приближаясь к значению, обусловленному всегда имеющейся электронной поляризацией. Некоторые полярные полимеры имеют ступенчатую зависимость e(f), аналогичную кривой 3 рис. 2.7, обусловленную наличием набора разных релаксаторов (диполей, групп, сегментов) с соответствующими характеристическими частотами “выбывания” f₁, f₂ и временами релаксации поляризационных процессов.

Рис. 2.7. Частотная зависимость e диэлектриков с мгновенной (1) и релаксационными (2, 3) видами поляризации

Зависимость характеристической частоты f_x от ряда факторов имеет следующий вид:

, (2.7)

где k – постоянная Больцмана, T – температура, h – вязкость среды, r – радиус поляризующегося элемента (макромолекулы, диполя и т.п.). Применительно к диполям, т.е. полярным молекулам, f_x соответствует максимальной частоте внешнего электромагнитного поля, которую они способны воспроизвести своими поворотами в нем. За счет таких поворотов (ориентации) достигается максимально возможная компенсация внешнего поля собственным электрическим полем диэлектрика. Важно, что полярные молекулы одинаковых размеров, пребывая в средах с разной вязкостью, обладают неодинаковой характеристической частотой. Поскольку емкость любого конденсатора пропорциональна величине e, зависимости C(T) и С(f) полностью определяются зависимостями e(Т) и e(f) конкретного диэлектрика.

<< Prev - Next >>