Поляризація діелектриків

Найважливішою властивістю діелектриків є їхня здатність до поляризації під дією прикладної електричної напруги. Процес поляризації є зміною розташування в просторі частинок діелект-рика, які мають електричні заряди, причому діелектрик одержує індукований (наведений) електричний момент, а в конденсаторі, який утворений діелектриком з електродами утворюється електрич-ний заряд.

Інтенсивність поляризації визначається поляризованістю Р, що вимірюється в Кл/м². В однорідному полі, коли дипольні електричні моменти всіх n молекул орієнтовані паралельно, поляризованість визначається за формулою:

(1.18)

де – сумарний електричний момент молекули; – об’єм діелектрика між обкладками конденсатора.

Рис.1.10. Розміщення зарядів у поляризованому діелектрику.

Оскільки в глибині діелектрика додатні і від’ємні заряди взаємно компенсуються, то нескомпенсовані електричні заряди за-лишаються на поверхні діелектрика. Таким чином, у випадку одно-рідного електричного поля поляризованість діелектрика дорівнює поверхневій густині його зарядів. Якщо збільшувати напруженість електричного поля, то поверхнева густина електричних зарядів буде також збільшуватись, відповідно буде збільшуватись і поляри- зованість діелектрика.

Для більшості діелектриків поляризованість прямопропор-ційна напруженості електричного поля і їх називають лінійними. В деяких діелектриків, особливо у сегнетоелектриків ця залежність не є прямопропорційною і їх називають нелінійними. В останній час вони знаходять все ширше застосування, оскільки дають змогу керувати електричними та оптичними властивостями матеріалів шляхом зміни напруженості електричного поля, температури і т.д.

Діелектрик, ввімкнений в електричне коло, можна розгля-дати як конденсатор визначеної ємності.

Величина заряду (Кл) визначається, як

(1.19)

де С – ємність конденсатора, Ф; U – напруга, В.

При паралельному з’єднанні конденсаторів сумарна (еквівалентна) ємність дорівнює сумі ємностей віток:

(1.20)

При послідовному з’єднанні конденсаторів еквівалентна ємність буде виражена формулою:

(1.21)

Енергія електричного поля (Дж), що накопичена в ділянці ізоляції з ємністю С, до якої прикладена напруга U:

(1.22)

В будь-якому діелектрику, поміщеному в електричне поле, спостерігаються такі явища: зміщення зарядів різних видів поляри-зації, переміщення зарядів або струму по об’єму структури або на поверхні та нагрів діелектрика від енергії розсіяння.

Ємність кондесатора з діелектриком і накопичений в ньому електричний заряд зумовлені сумарною дією механізмів поляризації, що представлені на схемі заміщення діелектрика (рис.1.11.).

Рис.1.11. Діелектрик складної будови з різними механізмами поляризації в електричному полі (а) і його еквівалентна схема (б).

Електронна поляризація є жорстким зміщенням і деформацією електронних оболонок атомів та іонів. Діелектрична проникність речовини з чисто електронною поляризацією чисельно дорівнює квадрату показника заломлення світла n. Електронна поляризація матеріалу зменшується при збільшенні температури в зв’язку з тепловим розширенням діелектрика.

Іонна поляризація характерна для твердих тіл з іонною будовою і зумовлюється зміщенням жорстко зв’язаних іонів. З підвищенням температури вона посилюється в результаті послаб-лення жорстких сил між іонами із-за збільшення відстані між ними при тепловому розширенні.

Дипольно-релаксаційна поляризація відрізняється від електронної та іонної тим, що вона пов’язана з тепловим рухом частинок. Дипольні молекули, що знаходяться в хаотичному тепловому русі, частково орієнтуються під дією поля, що і є причиною поляризації.

Іонно-релаксаційна поляризація спостерігається в неорганіч-ному склі і в деяких неорганічних кристалічних речовинах. Тут іони речовини під дією електричного поля зміщуються в напрямі поля.

Електронно-релаксаційна поляризація характерна для діе-лектриків з високими степенем заломлення та електронною елект-ропровідністю.

Міграційна поляризація розуміється як додатковий механізм поляризації, що може проявлятися в твердих діелектриках з неоднорідною структурою та наявності домішок.