Поляризации диэлектриков

Рассмотрим кратко физические процессы в активной зоне конденсатора на упрощенной модели поляризации диэлектрика, помещенного между пластинами. При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле Е0, созданное под действием разности потенциалов U, связанные заряды диэлектрика смещаются. Этот процесс называется поляризацией. Поляризация диэлектрика протекает по-разному, в зависимости от типа молекул диэлектрика. Полярные диэлектрики состоят, в основном, из диполей — поляризованных молекул, у которых электрические заряды +q и — q расположены на расстоянии / друг от друга. Диполь обладает электрическим моментом р, представляющим собой вектор, направленный от — q к +q по оси диполя и численно равный ql. При отсутствии внешнего поля все молекулярные диполи расположены хаотически и суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю. Под действием сил поля Е0 диполи стремятся ориентироваться в пространстве таким образом, чтобы электрический момент их был направлен параллельно вектору Е0. Этому препятствуют силы взаимодействия между молекулами. Поэтому под влиянием внешнего поля диполи повернутся в направлении поля на некоторый угол и диэлектрик приобретет электрический момент ?р. Такая поляризация полярного диэлектрика называется ориентационной.

При поляризации диэлектрика связанные заряды на его внешних поверхностях, перпендикулярных линиям внешнего поля Е0, создают поле поляризации Еп, направленное против внешнего поля ( 3.3, б). Результирующее поле в диэлектрике как результат наложения двух полей, существующих в вакууме Е = Е0 — Еп, снижается. Суммарное поле диполей Еп всегда меньше Е0, так что поляризация диэлектрика может лишь ослабить, но не уничтожить создающее ее поле.

В результате поляризации диэлектрика поляризованные молекулы располагаются вдоль линий напряженности внешнего электрического поля (напряженность ?о) • При этом внутри диэлектрика в любом объеме, не меньшем объема молекулы, сохраняется равенство обоих зарядов того и другого знака, так что диэлектрик остается нейтральным. Однако по поверхностям диэлектрика, прилегающим к металлическим пластинам, распределены частицы, обладающие зарядом одного знака: отрицательным на границе с положительной пластиной и положительным на границе с отрицательной пластиной ( 1 .5, в) . На обеих поверхностях заряд распределен равномерно с одинаковой плотностью а. Таким образом, на границе между металлической пластиной и диэлектриком распределены два вида заряженныхчастиц: свободные частицы металлической пластины с общим зарядом Qo, которые создают внешнее электрическое поле (напряженность ?о), и связанные частицы ди-

Замена в формулах электрической постоянной диэлектрической проницаемостью позволяет расчет электрического поля в диэлектрике вести так же, как в вакууме, т. е. не учитывая явления поляризации диэлектрика.

Схема замещения учитывает различные процессы поляризации материала в электрическом поле конденсатора. В схеме замещения, представленной в табл. 2.8, емкость С0 характеризует процессы мгновенной поляризации и смещения в вакууме, а проводимость G0 — сквозную проводимость утечки между электродами, практически не зависящую от частоты приложенного напряжения. Параллельное соединение и резистивно-емкостных элементов соответствует п различным видам поляризации диэлектрика, заполняющего пространство между электродами конденсатора. Для каждого вида поляризации имеется своя постоянная времени т; = Я(С(, называемая временем релаксации.

В заключение этой темы рассматривается общий случай —плоская вол «а в полупроводящей среде, когда одновременно учитываются токи 'Проводимости и токи смещения. Здесь показывается, как введением комплексных диэлектрической и магнитной проницаемоетей учитываются потери энергии при поляризации диэлектрика и намагничивании магнетика.

1. Основные понятия и определения. Электрический ток— это явление направленного движения заряженных частиц. По природе электрический ток может быть током проводимости (в металлах и их сплавах при движении свободных электронов), током переноса (в электролитах и газах) при движении заряженных частиц— ионов), током поляризации (при движении связанных заряженных частиц в диэлектрике при изменении поляризации диэлектрика). Электрический ток, значение которого не изменяется во времени, называется постоянным током.

электрический момент dp. Образование индуцированного электрического момента р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Количественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностъю Р, равной отношению индуцированного

При отсутствии внешнего электрического поля ориентация ди-польных моментов микросистем диэлектрика имеет хаотический характер и вектор поляризации равен нулю. Если в диэлектрике существует электрическое поле напряженностью Е, то на каждый заряд диполя действует сила F — qE, стремящаяся развернуть диполь по направлению электрического поля ( 9-2, а). Преимущественная ориентация диполей в одну сторону приводит к тому, что их геометрическая сумма в единице объема отлична от нуля и в соответствии с формулой (9-3) вектор поляризации в этом случае тоже не равен нулю. Так выглядит в самом грубом приближении один из возможных механизмов поляризации диэлектрика. Более подробно различные виды процесса поляризации будут рассмотрены в § 9-2.

где 6„ — угол потерь, характеризующий активную мощность, выделяющуюся при поляризации диэлектрика (см. § 1-1).

3. С ростом температуры уменьшается релаксационная поляризация Рррл и соответственно прирост диэлектрической проницаемости за счет релаксационной поляризации Дерел — арел = Ррел/(е0?). Усиление теплового движения препятствует полному завершению поляризации диэлектрика, стремясь нарушить преимущественную ориентацию дипольных моментов по направлению электрического поля. Отрицательное влияние повышения температуры заключается в ослаблении поляризации.

3. Дайте определение явлениям электростатической индукции и поляризации диэлектриков.

6. В чем сущность процесса поляризации диэлектриков?

Формальная теория поляризации диэлектриков, кратко рассмотренная в предыдущем параграфе, позволяет определить поляризацию как процесс смещения связанных зарядов, приводящий к появлению электрического момента у любого макроскопического элемента объема.

Подобно тому, как на двух параллельных металлических пластинах, помещенных в электрическое поле, появляются наведенные электрические заряды, можно принять, что на поверхностях полюсов и прилегающих к ним поверхностях якоря наводятся магнитные заряды разных знаков. Плотность этих зарядов на основании аналогии магнитной поляризации намагничиваемых тел и электрической поляризации диэлектриков будет ат = == Bj = n0J ( 14-8).

Основные виды поляризации диэлектриков

Органические полярные диэлектрики имеют дипольно-релаксацион-ную поляризацию, которая связана с наличием в звеньях цепей полимера полярных радикалов (гидроксильных, карбоксильных, галоидных и др.) при несимметричном их расположении в цепи полимера. Эта поляризация в твердом диэлектрике, так же как и в жидкостях, связана с тепловым движением, но ориентация диполей здесь происходит в меньшей мере, не всей молекулы, а только ее радикалов, так как поворот диполей ограничивается высокой вязкостью полимера, превосходящей вязкость мономеров или олигомеров в десятки тысяч и миллионы раз. Диэлектрическая проницаемость твердых полярных полимеров, так же как и полярных мономеров и олигомеров, зависит от частоты и температуры, но максимум выражен тем меньше, чем больше, жесткость материала, чем выше его вязкость в одном и том же интервале температур и частот. Зависимость поляризации диэлектриков от частоты электрического поля показана на 1.1.

1.1. Зависимость поляризации диэлектриков от частоты электрического поля

полупространстве параллельно границе раздела сред находится заряженная ось с зарядом тг. Вследствие поляризации диэлектриков на границе раздела выявятся связанные заряды, влияющие на поле в обеих средах. Учет влияния их на поле проводят путем введения двух допол-

Убедимся, в том, что вязкостные процессы при поляризации диэлектриков с полярными молекулами приводят к тому, что еа становится комплексным числом.

1-3. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Переходя к рассмотрению явления поляризации, следует сказать о двух основных видах поляризации диэлектриков: