Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков (540408), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В таких молекулах из-за их асимметричногостроения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают.Рис. 2.6. Строение некоторых полярных материалов26К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидныесмолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.Ионные соединенияИонные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрикис ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны кромеэлектронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации.
Принято выделятьгруппу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций − электронной и ионной, и сзамедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся наэлектронную и ионную поляризации. К первой группе, в которой наблюдаются толькобыстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкойионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд и др. Ко второй группе, вкоторой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов в решетке имеюттакже и ионно-релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла,электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.Электронная поляризацияЭлектронная поляризация - смещение электронного облака относительноцентра ядра атома или иона в результате чего возникает электрический момент,исчезающий после окончания действия электрического поля.
Наблюдается во всех безисключения диэлектриках. Единственным видом поляризации она является внеполярных диэлектриках. Время протекания поляризации 10-14 - 10-15с. Так как послеснятия поля деформированные электронные оболочки возвращаются прежнееположение, то энергия, затраченная на поляризацию, возвращается источникуэлектрической энергии, поэтому эта поляризация происходит без потерь энергии.Электронная поляризация вместе ионной составляют группу "упругих" или быстрыхвидов поляризаций.Электрический момент p, приходящийся на одну частицу (атом или ион) для неслишком больших полей пропорционален напряженности поляp = α э ⋅ E.(10)Коэффициент αэ называется электронной поляризуемостью.Для многих диэлектриков, таких как газы, неполярные жидкости можно легкоустановить взаимосвязь между макроскопическим параметром диэлектрическойε и микроскопическимp = n αэ E = ε (ε - 1).E , откудапроницаемостью(9):..параметром αэ−поляризуемостью, используя.ε = 1+ n ⋅αэε0(11)αэ частиц от температуры не зависит, но диэлектрическая проницаемость, каквидно из последней формулы, зависит от числа частиц в единице объема n, котороеуменьшается с повышением температуры из-за теплового расширения диэлектрика.
Втемпературнойзависимостидиэлектрическойпроницаемостинеполярныхдиэлектриков резкое уменьшение ε с температурой наблюдается при переходахвещества из одного агрегатного состояния в другое из твердого в жидкое и изжидкого в газообразное состояние, как показано на рисунке.27Рис. 2.7. Зависимость диэлектрической проницаемостиот температуры для неполярных диэлектриковСостояния: 1 – твердое, 2 – жидкое, 3 - газообразноеДиэлектрическая проницаемость неполярныхквадрату лучепреломления диэлектрикадиэлектриковблизкакε ≈ ν2Так как время установления поляризации у таких диэлектриков очень мало посравнению с полупериодом приложенного напряжения, их диэлектрическаяпроницаемость не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот, порядка 1014 1016 Гц.
При таких частотах будет наблюдаться резонансная поляризация.На рисунке представлена зависимость ε от частоты (частота в Гц) для неполярныхдиэлектриков.Рис. 2.8. Зависимость диэлектрической проницаемостиот частоты для неполярных диэлектриковБольшие отличия ε от ν свидетельствуют о том, что кроме электронной, ввеществе возникают и другие виды поляризаций.28Ионная поляризацияИонная поляризация - наблюдается в веществах с ионной химической связью ипроявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов.
Какуказывалось, время электронной поляризации весьма мало - на 2 - 3 порядка большеионной поляризации.2Соотношение ε≈νдля веществ с ионной поляризацией не соблюдается.2Например, для каменной соли ν = 1.54; ν = 2.22 иε = 4.8; для рутила TiO2: ν = 2.7; ν2=7.3 и ε = 114.Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры у твердых ионныхлинейных диэлектриков может быть различной. У большинства ионных диэлектриковεс ростом температуры увеличивается, т.к. при этом уменьшается коэффициентупругой связи между ионами и расстояние между ними увеличивается при тепловомрасширении материала. Если обозначим через Купр - коэффициент упругой связи междуионами, а через ∆x - смещение ионов, то в состоянии равновесия q.E = Купр. ∆x , аэлементарный электрический момент пары состоящей из двух разноименнозаряженных ионов2и αи = q / Kупр ;(12)Pи = q.∆x = q2E / KупрТогда поляризованность единицы объема Pи будет равна сумме всехэлементарных моментов.
Диэлектрическая проницаемость увеличивается с ростомтемпературы для неорганических стекол различного состава, для керамическогоматериала −электротехнического фарфора, содержащего большое количествостекловидной фазы. Но у некоторых веществ с большим внутренним полемэлектронная поляризация преобладает над ионной, как например у рутила TiO2 иперовскита CaTiO3 , и ε ростом температуры уменьшается, как показано на рисунке.Если диэлектрик характеризуется не только электронной, но и ионной поляризацией, тообщая поляризуемость (деформационная) будет равна сумме электронной и ионнойполяризуемостиαи = αи + αи .(13)Наличие второго слагаемого приводит к тому, что диэлектрическая проницаемостьионных диэлектриков больше, чем у неполярных веществ.Диэлектрическая проницаемость будет больше у тех ионных диэлектриков,которые содержат многовалентные ионы, например Ti++++, Pb++ ,O- - . В таких веществахионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, чтообусловливает большую ионную поляризуемость.Релаксационные (замедленные) виды поляризацииРелаксационные (замедленные) виды поляризации - проявляются в газах,жидкостях и твердых диэлектриках в том случае, если они состоят из полярныхмолекул, диполей или молекул, имеющих отдельные радикалы или части (сегменты),обладающие собственными электрическими моментами:• дипольная;• дипольно - релаксационная;• дипольно - радикальная.29В твердых телах возможны также различные разновидности релаксационныхполяризаций, связанные, главным образом, с химическим составом, структурой и типомдефектов поляризации:• электронно - релаксационная;• ионно - релаксационная;• миграционная;• спонтанная.Дипольно-релаксационная поляризацияДипольную поляризацию часто называют ориентационной, так как онапроявляется в появлении некоторой упорядоченности в расположении полярныхмолекул, совершающих хаотические "тепловые" движения под действиемэлектрического поля.
При дипольно-радикальной или дипольно-сегментальнойполяризации в некоторых полярных полимерах под действием поля происходитопределенное упорядочение полярных радикалов или более крупных частеймакромолекул - сегментов. Релаксационная поляризованность при дипольнорелаксационной поляризации после приложения поля к диэлектрику нарастает вовремени до установления значения Pо согласно выражениюt−⎛τP(t ) = P0 ⎜⎜1 − e⎝⎞⎟,⎟⎠(14)где P(t) поляризованность в момент t, а после снятия внешнего поля уменьшаетсяпо закону−tP(t ) = P0 e .τ(15)В этих выражениях τ - постоянная времени процесса, называется временемрелаксации - она равна времени, за которое поляризация уменьшается в "е" раз, т.е.приблизительно в 2,7 раза (е - основание натурального логарифма).Для полярных диэлектриков величина поляризуемостиα = α э + α др(16)Величина дипольно-релаксационной поляризуемости определяется по формулеα др =µ23kT,(17)гдеµ −электрический дипольный момент,k −постоянная Больцмана,T −абсолютная температура.Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для полярнойжидкости (полифенилсилоксановой) для различных частот приведена на рисунке (поМ.В.Соболевскому, О.А.Музовской и Г.С.Попелевой)30Рис.
2.9. Зависимость диэлектрической проницаемостиполифенилсилоксановой жидкости от температуры дляразличных частотПри низких температурах время релаксации дипольных молекул велико из-завысокой вязкости полярного диэлектрика и малой тепловой подвижности молекул. ПоДебаю для жидкости, состоящей из сферических молекул радиуса "a" с вязкостью η,время релаксации определяется по формуле4πη a 3.τ=kT(18)При низких температурах ориентация молекул электрическим полем затруднена,поэтому диэлектрическая проницаемость невелика.
При повышении температурывремя релаксации уменьшается из-за уменьшения вязкости, ориентация молекулоблегчается, что приводит к увеличению интенсивности дипольно-релаксационнойполяризации и резкому росту диэлектрической проницаемости, которая, последостижения максимума, уменьшается, приблизительно обратно пропорциональнотемпературе за счет роста теплового движения молекул, препятствующегоупорядочению полярных молекул (диполей).Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для жидкого полярногодиэлектрика при различных температурах (1 - 20оС, 2 - 40оС, 3 - 60оС) показана нарисунке.31Рис. 2.10. Зависимость диэлектрическойпроницаемости от частоты жидкого полярного приразличных температурахС увеличением частоты в области низких частот диэлектрическая проницаемостьполярных диэлектриков остается постоянной до тех пор, пока время релаксациидипольных молекул остается меньше полупериода электрического поля (1/2f), т.е.
заэто время диполи успевают полностью упорядочиться в направлении поля.При дальнейшем росте частоты, когда время полупериода становится меньшевремени релаксации, которое от частоты не зависит, диэлектрическая проницаемостьначинает уменьшаться вплоть до значений, определяемых электронной поляризацией.Следовательно, на высоких частотах дипольная поляризация отсутствует (τ<< 1/2f ), т.к.диполи не успевают следовать за электрическим полем. Область уменьшениядиэлектрической проницаемости в ее частотной зависимости называется дисперсиейдиэлектрической проницаемости.В диэлектриках сложной структуры при наличии в них нескольких физическихмеханизмов поляризации, например, за счет различных полярных групп молекул илинескольких компонентов смешанного диэлектрика и т.п.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
