Поляризация диэлектрическая

1. Общая степень поляризации, относительная диэлектрическая проницаемость.

Поляризация дает возможность использования в конденсаторах. В отсутствии внешнего электрического поля свободные и связанные заряды в диэлектриках расположены равномерно, так что электрический момент отдельных областей диэлектрика равен или близок к нулю.

При приложении поля свободные заряды перемещаются по замкнутому контуру (ток сквозной проводимости), а связанные смещаются на ограниченные расстояния, создавая ЭДС поляризации. После снятия поля, за счет протекания тока деполяризации, электрическая однородность восстанавливается.

Поляризованность вещества: , где M – электронный момент. Величина P зависит от напряженности поля: , где – электрическая восприимчивость, – абсолютная электрическая восприимчивость.

Установим связь поляризации вещества с напряженностью электрического поля и с параметром (?) диэлектрика. Для этого рассмотрим конденсатор с вакуумом и конденсатор с реальным диэлектриком.

Вакуум. Поле между обкладками конденсатора создает свободные носители заряда на обкладках конденсатора. .

Реальный диэлектрик. Заряд на обкладках конденсатора возрастает за счет разделения связанного заряда диэлектрика в поле свободных зарядов. (3),

где – поверхностная плотность связанного заряда.

, где – относительная диэлектрическая проницаемость.

Покажем, что по величине связана с :

(1);

(2).

(2) (1):

(4)

(4) (3):

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз ёмкость или заряд конденсатора с реальным диэлектриком больше ёмкости или заряда конденсатора, если диэлектрик заменить вакуумом.

В зависимости от величины диэлектрической проницаемости (поляризованности) вещества диэлектрика подразделяются на:

- неполярные ();

- полярные ();

- сильно полярные ();

- диэлектрики со спонтанной поляризацией ().

, где .

– относительный показатель преломления.

Для диэлектрика .

2. Механизмы поляризации.

Все механизмы поляризации можно разделить на 2 группы:

- безрелаксационные, без затрат энергии. К ним относятся электронные и ионные поляризации.

В электрической поляризации при приложении внешнего поля происходит деформация электронных орбит. .

Ионная объясняется смещением иона под действием поля в пределах потенциальной ямы (на расстоянии меньше порядка решетки).

- релаксационная поляризация с затратами.

Электронно-релаксационная наблюдается в некоторых видах металлосодержащих керамик. Связана с перемещением на ограниченное расстояние (дефекты электронов и дырок).

.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в кристаллах с относительно неплотной упаковкой ионов (слабая химическая связь). При приложении поля наблюдается ограниченное перемещение ионов на расстояния, большие порядка решетки. .

Дипольно-релаксационная наблюдается в полярных диэлектриках, связана с поворотом диполей под действием электрического поля. с.

Миграционная (структурная) поляризация наблюдается в неоднородных композиционных (слоистых) диэлектриках. При приложении поля происходит перемещение заряда в пределах микрообластей и накопления их на границах разнородных сред (слоёв). мин.

Резонансная поляризация проявляется, когда частота электромагнитного поля совпадает с собственное резонансной частотой атомов, молекул, ионов и т.д. с.

Спонтанная поляризация. Для неё характерна нелинейная зависимость .

с.

Органический неполярный диэлектрик.

В органическом неполярном диэлектрике возможна только электрическая поляризация, характерная для всех веществ.

С ростом температуры наблюдается незначительное уменьшение , связанное с уменьшением количества электронов в единице объёма за счёт теплового расширения вещества.

Кривая б на участках 1 наблюдается незначительное уменьшение , связанное с тепловым расширением вещества. Резкие спады на участках 2 связаны с агрегатными или фазовыми переходами.

Органический полярный диэлектрик.

В области низких температур сильная химическая связь препятствует повороту диполей под действием внешнего поля. С ростом температуры сила химической связи ослабевает, диполи начинают поворачиваться на тем больший угол, чем выше температура.

При определенной температуре, достигает максимума, при дальнейшем росте температуры наблюдается уменьшение , т.к. интенсивное хаотичное тепловое движение молекул разрушает поляризацию (участок 2)

Диэлектрик с ионной структурой.

С ростом температуры, за счет уменьшения сил химической связи, возрастает ионная и ионно-релаксационная поляризации.

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости

Органический неполярный диэлектрик.

В области длинный волн света наблюдается два увеличения , связанные резонансной поляризацией.

Органический полярный диэлектрик.

В области низких частот диполе успевает совершить колебание с частотой внешнего поля

(). На определенной частоте, зависящей от дипольного момента, проявляются инерционные свойства. Диполи не успевают следовать за изменением поля; снижается, остается электронная поляризация.

С ростом температуры частота среза f_ср перемещается в область более высоких частот, т.к. уменьшается сила химической связи и диполь для больших частот успевает воспроизводить больше колебаний электрического поля.

Диэлектрик с неоднородной структурой.

Имеют, как правило, ступенчатую зависимость , обусловленную наличием набора разных релаксаторов, диполей, сегментов, с соответствующими характеристическими частотами выбывания.

С ростом частоты из поляризации последовательно выбывают сначала долговременные, а затем более высокочастотные механизмы поляризации.

Зависимость характеристической частоты f_x от ряда факторов имеет следующий вид:

, где h – динамическая вязкость, r – радиус.

Полярные молекулы в разных средах с различной динамической вязкостью имеют разные характеристические частоты.

Знание зависимости и позволяет грамотно разработать и проектировать частотно-избирательную аппаратуру.

Поиск по сайту: