Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Под поляризацией диэлектрика понимают процесс упорядочения его связанных электрических зарядов под действием электрического поля. Различают несколько механизмов поляризации. Электронная поляризация Этот вид поляризации представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. В чистом виде проявляется в неполярных диэлектриках, состоящих из электрически нейтральных молекул, у которых центры отрицательных и положительных зарядов совпадают (полистирол, полиэтилен и др.).
Если такой диэлектрик поместить в электрическое поле между обкладками конденсатора, то в каждом из атомов произойдет смещение электронных оболочек относительно своего ядра в сторону положительного электрода (рис. 1.22), в результате чего образуются упругие диполи, количественно характеризуемые величиной электрического момента т = д1, где Š— расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов диполя. Процесс образования упругих диполей протекает практически мгновенно (в течение 10-'" ... 10 и с) и наблюдается у всех видов диэлектриков. :, О';,:,''О, 0'; к=О ЕФО Рис. 1.22 Величина электрического момента пропорциональна напряженности электрического поля Й и= азе. Здесь а, — электронная поляризуемость, зависящая от структуры молекулы или атома, Ф м'.
Интенсивность процесса поляризации оценивают величиной электрического момента единицы объема материала: Р„= тл. Здесь л — количество частиц в единице объема. Величину Р называют поляризованностью диэлектрика. О способности диэлектрика поляризоваться судят по увеличению емкости конденсатора при помещении его между обкладками этого диэлектрика.
Глава 1., Электрофизические свойства рааиоматериалов При отсутствии диэлектрика (рис. 1.23, а).емкость конденсаторв равна 5 С =в —, о о где еь — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (8,84 10 " Ф/м); 5 — площадь обкладок конденсатора; с( — расстояние между обкладками. (1.25) б рве.
1.вз При этом на обкладках конденсатора существуют электрические заряды, величи- на которых равна Ь= С,П Здесь У вЂ” напряжение между обкладками конденсатора. При наличии диэлектрика (рис. 1.23, б) на его поверхности появляются поляри- зационные заряды, а на обкладках конденсатора — наведенные заряды Я,„„при этом емкость конденсатора возрастает и становится равной Это увеличение емкости учитывают путем введения безразмерного коэффициента е, называемого относительной диэлектрической проницаемостью, который показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора без диэлектрика.
При наличии диэлектрика емкость конденсатора равна 5 С =се —. д а (1.26) Для неполярных диэлектриков е = 2...2,5. Относительная диэлектрическая проницаемость е и поляризованность Р„„связа- ны между собой соотношением Р, =ее(е — 1) Ж (1.27) -(Оо+О ) О П О Н О Н О +(Оь+Онвв) О' Щ О' Н О+ Щ О' 1.3. Электрофизическив свойства диэлв ических материалов Дипольная поляризация Этот вид поляризации имеет место в полярных диэлектриках, молекулы которых представляют собой твердые диполи (бакелит, целлюлоза, эпоксидная смола), электрические моменты которых ориентированы произвольно (рис. 1.24). Е=О гас Я> Я) ф Я> Я> Ж Я) Я> Рис. 1.24 Под воздействием поля эти молекулы частично ориентируются вдоль силовых линий поля, что и является причиной поляризации, Поворот диполей в направлении поля связан с преодолением межмолекулярных сил, поэтому протекает сравнительно медленно и сопровождается потерями энергии на нагрев диалект- рика.
После прекращения действия поля ориентированность частиц постепенно ослабевает и поляризованность диэлектрика уменьшается, что может быть записано в виде формулы Р (г) = Р (0)ехр (г гО) о где Р (О) — величина поляризованности в момент времени г„когда прекращается действие поля; т, — время релаксации, то есть такой промежуток времени, в течение которого поляризованность уменьшается в е раз (е = 2,71) от первоначального значения. Процесс дипольной поляризации сопровождается электронной поляризацией, поэтому степень поляризованности полярного диэлектрика оказывается более высокой и е достигает 6 — 9.
Ионная поляризация Этот вид поляризации происходит в кристаллических диэлектриках, имеющих плотную ионную структуру (слюда). Под действием сил внешнего электрического поля в ионных кристаллах происходит упругое смещение ионов относительно своего первоначального положения (рис, 1.25) на расстояние, меньшее периода решетки.
— — >г Рис. 1.26 Глава 1. Эле офизические свойства радиоматериалое Смещению ионов препятствуют упругие силы химической связи. В состоянии равновесия действие сил электрического поля уравновешивается действием сил химической связи, то есть дж= Й„„„дх, где Але — коэффициент упругой связи; Ьх — смещение ионов. Следовательно, величина смещения ионов будет равна Время установления ионной поляризации — порядка 10 "с. Величина относительной диэлектрической проницаемости е составляет 5 — 12, В ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (органическое стекло и некоторые другие вещества) ионы под воздействием поля смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки.
После снятия поля ионы постепенно возвращаются к центру равновесия. Такой вид поляризации называется ионно-релаксационной. Спонтанная поляризация Этот внд поляризации имеет место в группе твердых диэлектриков, получивших название сегнетоэлектриков. У таких диэлектриков даже при отсутствии внешнего электрического поля наблюдается самопроизвольная (спонтанная) ориентация твердых диполей в отдельных областях, называемых доменами, линейные размеры которых лежат в пределах от 10-' до 10 ' см. В каждом из доменов электрические моменты диполей направлены одинаково, а в разных доменах — по-разному (рис.
1.26, а), Поэтому общий электрический момент сегнетоэлектрика равен нулю. в Рис. 1.2В Механизм возникновения спонтанной поляризации можно проследить на примере титаната бария (Ват(О,), который по своей научной значимости и техническому применению занимает ведущее место среди сегнетоэлектриков. При температуре выше 120'С (точка Кюри) титанат бария обладает кристаллической структурой, имеющей форму куба (рис. 1.27). Размеры элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов титана и кислорода. Поэтому ион 47 1.3. Электрофизические свойства диалект ических материалов титана имеет некоторую свободу перемещения в пределах октаэдра, образованного ионами кислорода. Вследствие интенсивного теплового движения ион титана непрерывно перебрасывается от одного кислородного иона к другому, благодаря чему усредненное во времени его положение совпадает с центром элементарной ячейки. Поэтому ячейка не обладает электрическим моментом.
° — Т~м ° — Вам о — о Рис. 1.27 При температуре ниже 120 'С энергия теплового движения недостаточна для переброса иона титана из одного равновесного положения в другое, ион локализуется вблизи одного из кислородных ионов, вследствие чего нарушается кубическая симметрия в расположении заряженных частиц и элементарная ячейка приобретает электрический момент. Одновременно с этим искажается форма ячейки— она вытягивается по направлению оси, проходящей через центры ионов кислорода и титана, сблизившихся между собой. Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек приводит к тому, что смещение ионов титана происходит в них согласованно, в одном направлении, в результате чего образуются домены. Если сегнетоэлектрик поместить в электрическое поле, то по мере роста напряженности поля будет происходить обратимое смещение границ доменов в направлении поля (рис.
1.26, б) и линейное возрастание электрической индукции В (участок ОА на рис. 1.26, г). В сильных электрических полях смешение доменных границ принимает необратимый характер„при этом разрастаются те домены, у которых вектор спонтанной поляризации имеет наименьший угол с направлением вектора напряженности электрического поля.
Одновременно с этим происходит поворот диполей по направлению поля. Этому процессу соответствует участок АВ на рис 1.26, к При некоторой напряженности поля, соответствующей точке В, все домены сегнегоэлектрика оказываются сориентированными вдоль силовых линий поля (рис. 1.26, в), наступает техническое насыщение. Кривую ОАВ называют основной кривой поляризации диэлектрика. В области насыщения наблюдается некоторое увеличение индукции, что объясняется электронной и ионной поляризацией. Если после насыщения напряженность поля уменьшить до нуля, то сохранится вызванная полем ориентация доменов и будет наблюдаться некоторая остаточная индукция Ц, При изменении направления поля происходит переориентация векторов спонтанной поляризации, индукция быстро уменьшается, и при напряженности — Е„называемой коэрцеаивисй силой, она становится равной нулю. Дальнейшее увеличение напряженности поля вновь переводит сегнетоэлектрик в состояние технического насыщения (точка С).
Таким образом, при поляризации сегнетоэлектриков изменение индукции отстает от изменения напряженности поля. Это явление называется гистерезисом. Площадь 48 Глава 1. Элвктрофизическив свойства адиоматериалов петли гистерезиса пропорциональна энергии, затрачиваемой за один период изменения напряженности электрического поля.
Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика определяется по основной кривой поляризации: На рис. 1.28 представлена зависимость индукции и относительной диэлектрической проницаемости от напряженности поля. Относительная диэлектрическая проницаемость, измеренная в слабых полях, называется начальной. В сильных полях относительная диэлектрическая проницаемость достигает значения 10" — 10'. О Рис. 1.22 Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и частоты Влияние температуры на величину диэлектрической проницаемости оценивают температурным коэффициентом диэлектрической пронииаемости: 1 Ые Я е ЙТ Этот коэффициент равен относительному изменению диэлектрической проницаемости при увеличении температуры на 1 'С.
У неполярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость слабо уменьшается с ростом температуры (рис. 1.29, кривая 1), так как уменьшается плотность диэлектрика, а следовательно, количество поляризуемых частиц. Величина а, отрицательна, примерно равна коэффициенту линейного расширения диэлектрика и составляет около †1 10 ' 1/К. Т Рис. 1.29 1.3. Элекгрофизические свойства диэле ических мате ивлов У полярных диэлектриков зависимость е от температуры имеет характерный максимум (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
