Ответы с Ириными дополнениями

1.Виды диэлектрической поляризации

Поляризация — это явление при котором под действием внешнего электрического поля происходит ограниченное смещение связанных заряженных частиц и некоторое упорядочение в расположении ди­полей, совершающих хаотическое тепловое движение, в результате чего в диэлектрике образуется результирующий электрический ди­польный момент.

По строению диэлектрика различают:

• электронную,

• ионную,

• ионно-релаксационную,

• дипольно-релаксационную,

• миграционную,

• электронно-релаксационную,

• самопроизвольную (спонтанную),

• резонансную.

Вид поляризации зависит от того, какие части­цы диэлектрика, смещаясь, вызывают поляризацию, а также на ка­кие расстояния они смещаются. Все частицы диэлектрика можно объединить в две группы:

• упруго (сильно) связан­ные

• слабо связанные.

Упруго связанные частицы (заряды) - имеют одно положение рав­новесия, около которого они совершают тепловые колебания, и под действием приложенного поля они смещаются на небольшие рас­стояния.

Слабо связанные частицы (например, ионы) - 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. Электрическое поле придает направленный характер этим перехо­дам: положительно заряженные частицы смещаются по полю, а от­рицательно заряженные — против поля. Смещение слабо связанных частиц происходит на гораздо большие расстояния, чем смещение упруго связанных частиц.

Виды поляризации

• упругие (деформацион­ные с упруго связанными частицами),

• релаксационные (слабо связанные частицы).

К деформационным видам поляризации относятся электронная и ионная. Они устанавливаются упруго, практически мгновенно и без рассеяния энергии приложенного электрического поля — без ди­электрических потерь.

Электронная поляризация - упругое смещение (де­формации) электронных оболочек атомов (ионов) относительно ядра (рис. 2.5) и имеет место во всех диэлектриках. Время установ­ления этой поляризации чрезвычайно мало (τ = 10^-14—10^-15 с), по­этому она наблюдается на всех частотах, включая оптические (τ = 10¹² —10¹⁵ Гц). Электронная поляризуемость α_э не зависит от температуры и частоты приложенного напряжения (α_э ≠ φ(T,f)), а с увеличением размера атома (иона) возрастает; α_э = r³, где r — радиус атома (иона).

Ионная поляризация наблюдается в кристаллических и аморф­ных телах ионного строения (в кварце, слюде, асбесте, стекле и т.п.) и заключается в смещении упруго связанных ионов под дейст­вием приложенного поля на расстояния, меньшие постоянной ре­шетки, т.е. в упругой деформации решетки (у аморфных веществ — апериодической сетки). На рис. 2.6 схематически показана ионная поляризация NaCl, имеющего кубическую решетку. Время установ­ления ионной поляризации порядка 10^-12— 10^-13 c , поэтому она имеет место на всех частотах до оптических включительно. Ионная по­ляризуемость α_и не зависит от частоты приложенного напряжения, но с повышением температуры линейно возрастает (рис. 2.7, 2), так как происходит ослабление упругой связи между ионами; α_и = 2q/k_св , где q — заряд иона; k_св — коэффициент упругой связи между ионами. Чем слабее связь между ионами и чем выше их заряд (валентность), тем больше α_э.

Ионную поляризацию можно рассматривать как частный случай атомной поляризации.

Рис2-5. Схематическое изображение Рис. 2.6. Механизм ионной поляриза-

электронной поляризации ции на примере NaCl (схематически)

Рис. 2.7. Зависимость ионной Рис. 2.8. Схематическое изображение

α_и (2) и ионно-релаксационной ионно-релаксационной поляризации на

α_иp ( 1 ) поляризуемости от примере CsCl:

тем-ературы (схематически)

1 — подрешетка ионов цезия Cs⁺

2 — подрешетка ионов хлора Сl^-

Релаксационными видами поляризации являются оставшиеся виды. Они протекают замедленно и с поглощением энергии приложенного поля, обусловливая тем самым диэлектрические потери.

Ионно-релаксационная поляризация имеет место в неорганических стеклах и в ионных кристаллах с неплотной упаковкой решетки ио­нами (в электротехнической керамике, асбесте, мраморе и т.п.). Этот вид поляризации заключается в некотором упорядочении, вносимом электрическим полем в хаотический тепловой переброс слабо свя­занных ионов. Слабо связанными ионами являются собственные ионы диэлектрика, находящиеся в узлах решетки вблизи вакансий, ионы примеси и т.п. На рис. 2.8 схематически изображена ионно-релаксационная поляризация на примере CsCl, имеющего неплотно упакованную решетку ионами. Одним из видов теплового движения слабо связанных ионов является их переброс из узлов решетки в ва­кансии.

В отсутствие электрического поля слабо связанные ионы, совершая тепловые колебания, временами перескакивают из одного равновесного положения в другое. При этом число ионов, перемес­тившихся в одном направлении, будет равно числу ионов, перемес­тившихся в обратном направлении. Если к диэлектрику приложить электрическое поле, то переброс слабо связанных ионов приобретет направленный характер: положительные ионы начнут перемещаться по полю, а отрицательные — против поля. Ионы, перемещаясь на расстояния, превышающие постоянную решетки, не становятся сво­бодными и, следовательно, не обусловливают электропроводности. Закрепляясь на некотором расстоянии друг от друга, они образуют в диэлектрике положительный и отрицательный пространственные за­ряды, которые обусловливают ионно-релаксационную поляризацию. Поляризуемость, присущая этому виду поляризации, в первом приближении равна

α_ир = q² ∆² / 12kT , где q — заряд иона; ∆ — рас­стояние, на которое в среднем перемещаются ионы. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам рав­новесия (обычно к новым).

Ионно-релаксационная поляризация проявляется в диапазоне частот от постоянного напряжения до 10⁶ —10¹⁰ Гц. С увеличением температуры ионно-релаксационная поляризуемость α_ир нелинейно возрастает (см. рис. 2.7, 1) в результате ослабления связи между ио­нами и, главным образом, увеличения числа ионов, участвующих в этом виде поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается только в ди­электриках молекулярного строения (газообразных, жидких и твер­дых) полярных, т.е. в таких диэлектриках, молекулы которых в отсут­ствие внешнего поля имеют постоянный дипольный момент μ (например, в полихлордифениле, канифоли, ПВХ и т.п.). Соответст­вующая поляризуемость α др описывается формулой α др = μ² / 3kT).

Дипольно-релаксационная поляризация заключается в том, что под действием внешнего электрического поля становится более упо­рядоченным положение полярных молекул (диполей), непрерывно совершающих хаотическое тепловое движение (рис. 2.9). Этот вид поляризации зависит от температуры и частоты приложенного напряжения. С повышением температуры в результате ослабления молекулярных связей увеличивается ориентация диполей в направлении электрического поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризуемость α др возрастает (рис. 2.10, участок 1-2). Однако с повышением температуры возрастает и энергия хаотического теплового движения диполей, и выше некоторой температуры Тм дезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при Т> Тм) дипольно-релаксационная поляризуемость αдр уменьшается (участок 2-3). Таким образом, при нагревании αдр возрастает, проходит через температурный максимум и далее понижается.

Рис. 2.9. Схематическое изображение Рис. 2.10. Зависимость дипольно-релак-дипольно-релаксационной поляризации сационной поляризуемости αдр от тем­пературы

Положение температурного максимума дипольно-релаксационной поляризуемости α др с увеличением частоты напряжения сме­щается в область более высоких температур (возрастает Тм).

Дипольно-релаксационная поляризация имеет место в полярных диэлектриках, находящихся в газообразном, жидком или твердом аморфном состоянии. В кристаллических диэлек­триках αдр может наблюдаться только при температурах выше темпе­ратуры плавления. При Т<Тпл в кристаллах диполи настолько прочно закреплены на своих местах, что ориентация их в электрическом поле затруднена и поэтому адр не наблюдается в обычном виде. В кристаллических телах с неплотной упаковкой молекул (например, у льда — лед плавает в воде) αдр наблюдается. Дипольно-релак­сационная поляризация существует также в кристаллизующихся полимерах за счет ре­лаксации сегментов в аморфных областях и полярных групп.

Продолжительность установления дипольно-релаксационной по­ляризации называется временем релаксации диэлектрика и опреде­ляется из формулы

τ = τо exp(Wp / kT) (2.28)

где τо — период теплового колебания молекулы; Wp — энергия акти­вации процесса релаксации.

Если τ больше, чем время полупериода приложенного перемен­ного напряжения, то диполи не успевают ориентироваться вслед за изменяющимся полем, и дипольно-релаксационная поляризация соответственно не наблюдается .Так как τo полярных диэлектриков обычно имеет значение 10^-6—10^-10 с, то ди­польно-релаксационная поляризация проявляется только на часто­тах ниже 10⁶ — 10¹⁰ Гц. При более строгом определении под τ следует понимать время, в течение которого после внезапного снятия внеш­него поля электрический момент единицы объема диэлектрика уменьшается в е (~2,7) раз.

В полимерах в результате особенностей их строения и поведения в электрическом поле дипольно-релаксационная поляризация мо­жет проявляться в виде двух основных разновидностей: дипольно-сегментальной и дипольно-групповой.

Дипольно-сегментальная поляризация обусловлена подвижностью сегментов — отрезков молекулярных цепей, состоящих из десятков и даже сотен и тысяч химических звеньев, и заключается в создании электрическим полем некоторой упорядоченности в положении сег­ментов, непрерывно совершающих хаотическое тепловое движение. Дипольно-сегментальная поляризация имеет место в аморфных полимерах, а у кристаллизующихся — в аморфных областях, в результате сегмен­тального движения в длинных петлях, свободных концах и проход­ных макромолекулах (см. рис. 1.12, 2).

Дипольно-групповая поляризация наблюдается в полярных полиме­рах и обусловлена ориентацией полярных групп и боковых ответвле­ний молекулярных цепей под действием приложенного напряжения. Под полярными группами понимают атомы или группы атомов: — С1, - F, -ОН, >СО, -СОН, -СООН, -NH2 , -NO2, -О-О- и т.п., -имеющие неуравновешенную ковалентную полярную связь и вызы­вающие возникновение дипольного момента в макромолекулах по­лимеров. Боковые ответвления участвуют в поляризации, так как имеющиеся концевые метальные группы —СН3 обладают дипольным моментом (см. табл. 1.2). Время релаксации т полярных групп и боко­вых ответвлений меньше т сегментов, поэтому они сохраняют под­вижность при температурах, ниже температуры стеклования Tс, когда сегментальное движение отсутствует. В результате меньшего значения т дипольно-групповая поляризация проявляется при более высоких частотах, чем дипольно-сегментальная, поэтому эти виды поляризации иногда называют соответственно высокочастотной и низкочастотной. Характер зависимости поляризуемостей дипольно-сегментальной (αдс) и дипольно-групповой (αдг) от температуры и частоты приложенного напряжения такой же, как и у дипольно-релаксационной поляризуемости α др разновидностью которой они являются.