Зависят ли виды поляризации от строения диэлектриков

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3
1 ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ 4
1.1 Электронная поляризация 4
1.2 Ионная поляризация 5
1.3 Упруго-дипольная поляризация 6
1.4 Ионно-релаксационная поляризация 7
1.5 Дипольно-релаксационная поляризация 8
1.6 Миграционная (межслоевая) поляризация 10
2 КЛАССИФИКАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ 11
3 ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПО СКОРОСТИ ПРОТЕКАНИЯ
ПРОЦЕССА ……………………………………………………………………..13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 16

ВВЕДЕНИЕ
Суть явления поляризации заключается в том, что под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля.
Свое применение в электротехнических приборах диэлектрики нашли за счет способности поляризоваться [1].Диэлектриком называют "вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле" и в котором возможно существование электростатического поля, так как электрические заряды его атомов, молекул или ионов связаны.Используемые же на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обуславливают электропроводность на постоянном токе [2].
ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИПоляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул, возникающая в любом диэлектрике при воздействии электрического поля [3].
Выделяют два определения поляризации:
Свойство световых и электромагнитных колебаний размещаться в одной определенной плоскости. Плоскость поляризации падающего луча.
Отложение на электродах различных веществ, ослабляющих силу тока. Поляризация электродов.
1.1 Электронная поляризацияЭлектронная поляризация – это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации. Время восстановления составляет 10-13 сек.
Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерями энергии до резонансных частот. Значение диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией численно равно квадрату показателя преломления света. Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Кривая зависимости от температуры подобна кривой изменения плотности; причем наиболее резкие снижения наблюдаются при переходах вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2 – Переход вещества из твердого состояния в жидкое и из жидкого в газообразное
а) б)
Рисунок 3 – Поляризация атомов:
а) под напряжением; б) без напряжения
На рисунке 3 показано графическое изображение поляризации атомов.
Как мы видим орбиты электронов вытягиваются под действием напряжения [4].
1.2 Ионная поляризацияИонная поляризация – наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время электронной поляризации весьма мало – на 2-3 порядка больше электронной поляризации.
В диэлектриках с ионным типом химической связи под действием электрического поля происходит смещение положительных ионов относительно отрицательных. Время установления ионной поляризации составляет обычно 10-14-10-15 с. Это означает, что данная поляризация полностью успевает устанавливаться в переменных полях, включая сверхвысокочастотные (1010 - 1011 Гц). В то же время в инфракрасной области спектра наблюдается запаздывание в установлении ионной поляризации.
Диэлектрическая проницаемость увеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для керамического материала – электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы [5].
На рисунке 4 представлена схема ионной поляризации молекулы.
Рисунок 4 – Ионная поляризация молекулы
1.3 Упруго-дипольная поляризация
Во многих диэлектриках имеются молекулы, которые обладают собственным электрическим моментом. При изменении направления ориентации диполей во внешнем электрическом поле возникают упругие возвращающие силы.
В газах и жидкостях полярные молекулы разориентированы за счет теплового движения, так что результирующая поляризация равна нулю. Под действием внешнего поля устанавливается некоторая преимущественная ориентация диполей в направлении поля.
Во внешнем электрическом поле имеет место упругое отклонение дипольных моментов от равновесной ориентации, как это показано на рисунке 5.
Рисунок 5 – Упругий поворот диполя во внешнем поле
Когда диполи связаны достаточно жестко, при наложении внешнего электрического поля происходят упругие изменения в их направлении.
Поляризуемость зависит от электрического момента каждой молекулы, энергии межмолекулярных связей и направления электрического поля. Когда внутреннее и внешнее поля параллельны, поляризуемость равна нулю. Поэтому вклад упругой дипольной поляризации может обуславливать анизотропию диэлектрической проницаемости [5,6].
1.4 Ионно-релаксационная поляризацияНаблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных веществах с неплотной упаковкой ионов. В этих случаях слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля получают избыточные перебросы в направлении поля, как показано на рисунке 6.
С повышением температуры поляризация значительно увеличивается.
Рисунок 6 – Зависимость потенциальной энергии иона от расстояния при внешнем электрическом поле
В отсутствие внешнего электрического поля все направления перебросов ионов через потенциальный барьер равновероятны. Поэтому распределение ионов равномерно.
Рисунок 7 – Зависимость потенциальной энергии иона от расстояния при наличии внешнего поля
Из рисунка 7 следует, что вероятность перескока иона из положения 1 в положение 2 увеличивается, а вероятность обратных перескоков уменьшается. Это происходит потому, что за счет наложения поля потенциальный барьер в первом случае уменьшается на ∆U, а во втором – увеличивается на ∆U [4,6].
1.5 Дипольно-релаксационная поляризацияЕсли в диэлектрике имеются полярные молекулы и связь между ними невелика, то под действием поля они могут относительно легко поворачиваться. Ориентации диполей в поле препятствует тепловое движение. В результате возникает дипольная поляризация, зависящая от теплового движения.
При низких температурах ориентация молекул электрическим полем затруднена, поэтому диэлектрическая проницаемость невелика, график зависимости показан на рисунке 8. При повышении температуры время релаксации уменьшается из-за уменьшения вязкости, ориентация молекул облегчается, что приводит к увеличению интенсивности дипольно-релаксационной поляризации и резкому росту диэлектрической проницаемости, которая, после достижения максимума, уменьшается, приблизительно обратно пропорционально температуре за счет роста теплового движения молекул, препятствующего упорядочению полярных молекул (диполей).
Рисунок 8 – Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для жидкого полярного диэлектрика при различных температурах
(1 - 20оС, 2 - 40оС, 3 - 60оС)
При повышении температуры время релаксации уменьшается из-за уменьшения вязкости, ориентация молекул облегчается, что приводит к увеличению интенсивности дипольно-релаксационной поляризации и резкому росту диэлектрической проницаемости, которая, после достижения максимума, уменьшается, приблизительно обратно пропорционально температуре за счет роста теплового движения молекул, препятствующего упорядочению полярных молекул (диполей).
Рисунок 9 – Ориентация диполя в электрическом поле
Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если молекулы силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля, как на рисунке 9 [6,7].
1.6 Миграционная (межслоевая) поляризацияМиграционная поляризация протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации [4].
КЛАССИФИКАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Классификация диэлектриков по виду поляризации:
Линейные диэлектрики;
Нелинейные диэлектрики;
Неполярные диэлектрики;
Полярные диэлектрики;
Ионные диэлектрики.
Линейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, применяемым в основном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов.
Нелинейные диэлектрики относят к активным диэлектрикам, параметры которых зависят от величины приложенной разности потенциалов. Емкостью конденсатора с нелинейным диэлектриком можно управлять электрическим полем.
Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных, являются углеводородные материалы, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. В неполярных однородных диэлектриках наблюдается только электронная поляризация. Если материал является неоднородным, то кроме электронной поляризации в диэлектрике также наблюдается миграционная поляризация.
Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др. В полярных однородных диэлектриках наблюдается электронная и дипольно-релаксационная поляризации. Если материал является неоднородным, то в нем также наблюдается миграционная поляризация.
Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризации. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов в решетке имеют также и ионно-релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др. [4].
3 ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ ПО СКОРОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССА
Быстрые поляризации:
Электронная;
Ионная;
Замедленные поляризации:
Дипольно-релаксационная поляризация;
Ионно-релаксационная поляризация;
Электронно-релаксационная поляризация;
Миграционная поляризация;
Спонтанная поляризация;
Быстрые поляризации – это упругие поляризации, которые происходят практически мгновенно, без потерь энергии приложенного электрического поля, то есть без выделения тепла в диэлектрике. Быстрые (деформационные) поляризации, обусловленные упруго связанными частицами. Упруго связанные частицы имеют одно положение равновесия, около которого они совершают тепловые колебания, и под действием приложенного поля они смещаются на небольшие расстояния
Замедленные поляризации – это релаксационные поляризации, которые происходят не мгновенно, с потерями энергии приложенного электрического поля, с выделением тепла в материале. Замедленные поляризации обусловленные слабо связанными частицами. Слабо связанные частицы имеют несколько положений равновесия, в которых они в отсутствие электрического поля могут находиться равновероятно. Переход слабо связанных частиц из одного равновесного положения в другое осуществляется под действием флуктуации теплового движения. Слабо связанная частица какое-то время колеблется около положения равновесия, затем под действием флуктуации скачком меняет это положение равновесия на другое. Время нахождения частицы в определенном положении равновесия зависит от высоты потенциального барьера между данными положениями равновесия. Смещение слабо связанных частиц происходит на гораздо больше расстояния, чем смещение упруго связанных частиц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствии поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков проявляется под действием механических напряжений. Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью. Осуществляется благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных атомов, молекул, ионов, либо ориентации электрических диполей, существовавших в диэлектрике и в отсутствие электрического поля.В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные – в направлении вектора напряженности поля, отрицательные – в обратном направлении.У разных материалов разная диэлектрическая проницаемость. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока — около 80.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение в электробезопасность [Electronic resource]. – Режим доступа: http://www.electricsafety.ru/article5.php
Консультационный центр MATLAB [Electronic resource]. – Режим доступа: http://matlab.exponenta.ru/pde/book6/3.php
Агеева Н.Д. Электротехническое материаловедение [Текст] / Н.Г. Винаковская, В.Н. Лифанов – Дальневосточный государственный технологический университет, 2006, С. 7.
Электронный каталог о образовательных ресурсов [Electronic resource]. Режим доступа: http://ctl.mpei.ru/LocalContent.aspx?id=polar
Учебник по электротехническим материалам [Electronic resource]. Режим доступа: http://www.electrofaq.com/ETMbook/POLAR/POL15.HTM
Костюков Н.С. Релаксационная поляризация в твёрдых диэлектриках [Текст] / Лукичёв А.А. – “Вестник АНЦ РАН”. Сер.2. Физика, химия, астрономия, 1997, вып. 1. С. 12-21.
Лекции по курсу Электротехнические материалы [Electronic resource]. Режим доступа: http://www.bez-dvoek.ru/education/tkm/POLAR/POL18.HTM
Новикова С.Ю. Электронное издание Физика Диэлектриков [Electronic resource] – Режим доступа: http://www.iu4ever.org/files/FOM5/906_FOM5_phd.pdf