Процесс поляризации диэлектриков: описание, типы

С улучшением условий для протекания поляризационных процессов, число заряженных частиц, которые находятся на обкладках конденсатора, возрастает. Подобное качество постепенного накопления энергии получило название диэлектрической проницаемости K или относительной диэлектрической проницаемости вещества ε_r.

Что такое поляризация

Явление возникает тогда, когда в изоляционном материале из-за наличия внешнего электрического поля образуется дипольный момент. Когда ток взаимодействует с диэлектрическим (изолирующим) материалом, последний реагирует сдвигом в распределении заряженных частиц, при этом позитивно заряженные частицы выстраиваются в направлении существующего поля, а негативно заряженные – в обратном направлении. Схема размещения зарядов не зависит от конструкции конденсатора.

Поляризация диэлектриков является термином, который применяется для описания поведения материала с подобными свойствами, располагающегося во внешнем поле. Существующие частицы взаимодействуют с электрическим полем, имеющемся на пластинах конденсатора, в результате чего образуются электрически связанные частицы. Они формируются вследствие контакта конденсаторных пластин конденсатора, а свободные заряды в это же время получают возможность свободного передвижения. Используя модель конденсатора, представляется возможным определить значение диэлектрической проницаемости. Для этого вычисляют показатель относительной проницаемости, используя значение ёмкости так называемого эталонного конденсатора. Эта ёмкость обычно соотносится с показателем диэлектрической проницаемости вакуума.

Понятие диэлектрической проницаемости является одним из определяющих терминов в электростатике. Он однозначно связан с электронной поляризуемостью материалов - явлением, которое управляет всеми механизмами диэлектрической поляризации.

Интенсивность поляризационных процессов Р, протекающих в любом диэлектрике, является отношением суммарного дипольного момента к единице объёма конденсатора:

P = ε₀ (K-1)E,

где ε₀ - константа, которая именуется показателем диэлектрической проницаемости абсолютного вакуума.

Итоговая интенсивность поляризационных процессов, которые протекают в диэлектриках, представляет собой векторную сумму нескольких источников: смещения электронов P_э, смещения ионов P_и, переориентации диполей P_д, и смещения заряда в пространстве P_п:

P = P_э + P_и + P_д + P_п

Поэтому важно знать, в какой мере виды поляризации диэлектриков влияют на их значение в действующих электрических полях разной мощности.

Типы поляризации диэлектриков

Для каждой разновидности поляризационных процессов характерны собственные характеристики времени, которые зависят от показателя частоты имеющегося электрического поля. Быстрее всего реализуется механизм электронного смещения, что чаще всего и случается в высокочастотных полях. Ионная и, тем более, дипольная поляризация возникают при меньшей частотности, поэтому диэлектрическая проницаемость не относится к числу электрофизических констант. Однако при возрастании частоты показатель диэлектрической проницаемости, как правило, снижается, а механизмы её действия теряют первоначальную интенсивность.

Влияние частоты обуславливается сдвигом по фазе на 90 градусов параметров напряжения и тока на идеальном конденсаторе в цепях переменного тока. Фактические материалы-диэлектрики, которые имеются в распоряжении инженеров, характеризуются различного рода дефектами, наличие которые обуславливает дополнительные диэлектрические потери. В частности, значение угла запаздывания, который определяет расхождение между реальным и идеальным токами в конденсаторе получило название тангенса потерь (tg δ) или коэффициента рассеяния. С ростом характеристик диэлектрических констант фактические значения тангенса потерь обычно увеличиваются.

Частота, на которой используется диэлектрик, определяет влияние механизмов поляризации, отображаемое его материалом. При постоянном мониторинге за сменой показателей электрического поля в переменном контуре возможны три варианта:

• Когда продолжительность релаксации лишь немного больше, чем инверсия поля, ионы вообще не могут следовать за полем, следовательно, потери невелики;
• Когда продолжительность релаксации намного быстрее, чем поле инверсии, рассматриваемые процессы могут легко следовать за частотой поля, но потери по-прежнему невелики;
• Если время релаксации и частота поля одинаковы, процессы следуют за полем с некоторым запаздыванием, а генерируемые потери являются максимальными.

Таким образом эффективность диэлектрика минимальна тогда, когда фактический период релаксации не зависит от характеристик поля. Эти свойством обладают, в частности, диэлектрические композиции из керамических материалов, которые практически всегда являются поликристаллами. В электростатических системах повышенной и высокой частоты такой показатель называют Q-фактором; он считается величиной, которая обратна показателю тангенса потерь.

Электронная

Возникает одновременно при активном воздействии электрического поля. В этом случае ядро атома вместе с его электронным облаком движутся во взаимно противоположных направлениях. В результате они удаляются друг от друга, а образующийся диполь обладает крайне малыми размерами. Соответственно эффект поляризации, если и возникает, то имеет весьма незначительные объём и влияние.

Рассматриваемый вид поляризации характеризуется небольшим относительным сдвигом позитивного и негативного заряда, которые перемещаются во взаимно обратных направлениях. Электронная поляризация активна, если имеющееся электрическое поле деформирует область негативно заряженных электронов, которые расположены у позитивно заряженных ядер. Существуют материалы, молекулы которых находятся в состоянии перманентной поляризации. Причина этого явления – наличие сильных и постоянных химических связей. Например, в воде электронный тип поляризации обусловлен молекулами, которые непрерывно вращаются под влиянием сильного электрического поля. В данном случае явление поляризации диэлектриков вызывает э дипольный момент, равный промежутку между центрами смещения негативных и позитивных зарядов, умноженному на их количество. Значение показателя электронной поляризации Р может быть вычислено как величина дипольного момента p, которая отнесена к единице объёма V поляризованного материала

P = p/V

Ионная

В некоторых твёрдых веществах-диэлектриках, например, в керамике, ионы в кристаллической решетке размещаются симметрично, естественно, что в таком случае поляризация отсутствует. Но, если ввести в такое электрическое поле некоторое количество положительно и отрицательно заряженных частиц, то их притягивание будет осуществляться в разных направлениях. Этим вызывается ионная поляризация, вызывающая изменения диэлектрических констант.

Всегда имеется некоторое расстояние между смежными ядрами в молекуле твёрдого тела-диэлектрика, поэтому в молекуле всегда наличествует дипольный момент, который не зависит от характеристик внешнего электрического поля. внешнего электрического поля. Как известно, молекулы поваренной соли имеют только два иона, поэтому в каждой молекуле появляется свой дипольный момент, направление которого – от негативно до позитивно заряженного иона.

Дипольная

Существует много ионных соединений, у которых более двух атомов. В этих случаях количество ионных связей, и, следовательно, моментов, также увеличивается. Результирующий параметр (который заключается в разделении позитивно и негативно заряженных частиц в структуре отдельной молекулы) будет являться векторной суммой отдельных дипольных моментов.

В том случае, когда молекула имеет центр симметрии, равнодействующий дипольный момент молекулы равен нулю. Чистый дипольный момент молекулы присутствует только в асимметричных молекулярных структурах. Эту величину называют постоянным дипольным моментом, поскольку он присутствует там даже тогда, когда внешнее поле отсутствует.

Некоторые твёрдые тела обладают постоянными молекулярными диполями. Они вращаются, создавая при этом средний дипольный момент, который направлен в направлении приложенного поля. Дипольная ориентация часто встречается в полимерных материалах, атомная структура которых допускает подобную переориентацию.

Самопроизвольная

Этот вид электрической поляризации характерен для некоторых непроводящих кристаллов или диэлектриков, у которых отмечается разделение центра положительного и отрицательного электрического заряда. Таким образом, одна сторона кристалла имеет положительный заряд, а противоположная – отрицательный. Направление такой поляризации может быть изменено приложением соответствующего электрического поля. Таие материалы называются сегнетоэлектриками. Типичным примером сегнетоэлектричества являются процессы, происходящие в кристаллах титаната бария BaTiO₃ . Эта соль состоит из кристаллов, структурными единицами которых являются крошечные электрические диполи, т.е., в каждом блоке центры положительного заряда и отрицательного заряда разделены. Иногда эти диполи спонтанно выстраиваются в кластеры, называемые доменами, причём в сегнетоэлектриках домены с помощью сильного внешнего электрического поля ориентируются преимущественно в одном направлении. Обращение внешнего поля меняет преобладающую ориентацию сегнетоэлектрических доменов на противоположную, но переключение на новое направление отстаёт от изменения внешнего электрического поля. Это отставание называется сегнетоэлектрическим гистерезисом.

Выше характерной температуры, называемой температурой точки Кюри, явление сегнетоэлектричества исчезает, потому что тепло интенсивно встряхивает диполи и тем самым преодолевает силы, самопроизвольно выравнивающие их.

Механизмы поляризации диэлектриков, кроме описанных, реализуются и в форме межфазной поляризации. В керамических материалах это явление возникает из-за посторонних зарядов, которые возникают из-за загрязнений или неправильной геометрии на границах раздела поликристаллических твердых тел. Эти заряды частично подвижны, поэтому перемещаются под действием приложенного поля.