Диэлектрики. Электропроводность диэлектриков в слабых полях

Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость. Основные виды поляризации

Согласно ГОСТ 21515-86 Материалы диэлектрические. Термины, определения,

- диэлектрики – материалы, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться и в которых возможно существование электрического поля.

Основные характристики, описывающие поведение диэлектриков в электрических полях: 1) диэлектрические потери; 2) удельная электропроводность или удельное электросопротивление; 3) электрическая прочность; 4) поляризация.

Поляризация – есть ограниченное смещение связанных электрических зарядов, вызванное действием электрического поля или под действием электрического поля, пропорциональное напряженности поля. В полярных диэлектриках электрическое поле вызывает также ориентацию молекул-диполей в направлении поля. В отсутствие электрического поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения.

Зависимость смещения от напряженности приложенного поля линейна для большинства диэлектриков. Исключение составляют сегнетоэлектрики, - в них величина смещения изменяется нелинейно, обнаруживая насыщение при некотором значении напряженности поля. Данная группа диэлектриков получила свое название от сегнетовой соли, в которой впервые была обнаружена нелинейность поляризации.

Одна из важнейших характеристик диэлектрика – относительная диэлектрическая проницаемость

где: Q – заряд, полученный при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик;

Q_o - заряд, полученный в том же конденсаторе, при том же напряжении, но в случае, если бы между электродами был вакуум.

где Q_d – заряд, обусловленный поляризацией диэлектрика, разделяющего электроды.

Таким образом,

Отсюда следует, что _r =1 только для вакуума и >1 для любого вещества.

Соотношение можно записать в виде:

Отсюда следует, что диэлектрическую проницаемость вещества можно определять как отношение С конденсатора с данным диэлектриком к С конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум.

Существует 2 основные группы видов поляризации:

1. Упругая поляризация связана с действием упругих сил, где силы взаимодействия между двумя атомами изменяются по линейному закону,– возникает под действием электрического поля практически мгновенно (время установления не более с) и также мгновенно исчезает при снятии поля.

2. Релаксационная поляризация – медленные виды П. (время установления от секунд до часов). Релаксационные процессы – в зоне неупругих сил. Это медленные процессы, т.к. происходит ослабление взаимодействия. Релаксационные процессы сопровождаются рассеянием энергии, т.е. нагреванием диэлектрика (энергия эл. поля расходуется на нагрев – происходят т.н. диэл. потери).

Упругие виды П: электронная, ионная упругая, дипольная упругая, атомная.

Релаксационные виды: ионно-релаксационная, дипольная релаксационная, спонтанная, миграционная (выс.вольтная)

Рассмотрим подробнее каждый вид поляризации

1. электронная – смещение эл.облака относительно ядра атома под действием электрического поля.

2. Ионная – смещение ионов под действием электрического поля или вызванное действием эл.поля

а) ионная упругая - под действием электрического поля – в зоне действия упругих сил;

б) ионная релаксационная – вызванная действием эл.поля, в зоне квазиупругих сил ( происходит под действием теплового поля, но смещение – по направлению эл.поля, т.е. вызванное действием эл.поля)

3) Дипольная (ориентационная): ориентация собственных дипольных моментов под действием или вызванное эл.полем

а) дипольная упругая - под действием электрического поля – в зоне действия упругих сил;

б) дип.релаксационная – вызванная действием эл.поля, в зоне квазиупругих сил.

4) Спонтанная (доменная) – ориентация собственных дипольных моментов доменов в сегнетоэлектриках

5) Миграционная – разделение эл.зарядов на границах разделов неоднородностей в диэлектрике, вызванная электрическим полем.

Электрический момент единицы объема диэлектрика

Эл.момент единицы объема

,

где:

n_o – кол-во частиц в ед.объема;

m_i – момент i-ой частицы.

,

где m – индуцированный электрический момент.

Предположим, диэлектрик размещен между обкладками конденсатора площадью S, расстояние между обкладками – l.

Заряд, индуцированный электрическим полем в диэлектрике = Q. В этом случае эл.момент всего объема диэлектрика

Он также = М=I V, V= S l – объем диэл-ка.

Получим

М=I S l ,

следовательно – Q l=I S l , откуда следует, что эл.момент ед.объема

что соответствует плотности поверхностного заряда  :

,

но это только в том случае, когда силовые линии приложенного поля перпендикулярны плоскости поверхности, на которой накапливается эл.заряд.

Если мы имеем угол  м/у направлением силовых линий и перпендикуляром к заряженной плоскости, то получаем следующее:

Площадь обкладок конденсатора S’=S cos

Е

l

V = S l cos ; I S l cos = Q l

I = Q/(S cos)   = I cos

В отсутствие поля , т.к. индуц. момент m_инд=0

При Е  0

Среднее макроскопическое поле в диэлектрике и диэлектрическая проницаемость

При наличии внешнего поля с напряженностью Е_о в диэл-ке индуцируется поляризационный заряд, создающий противоположно направленное поле Е_внутр равное

Среднее макроскопическое поле в диэлектрике при этом составит

Диэлектрическая проницаемость диэлектрика находится при этом как

Подставляем Е_ср из предыдущего выражения ,

т.к. ,

а

,

где:

n_o - кол-во частиц в ед.объема,

m_инд – индуцированный момент, равный  Е ( - поляризуемость, Е – напряженность поля), получим:

Поляризуем ость  характеризует способность системы связанных зарядов смещаться под действием эл.поля, а диэлектрическая проницаемость  - отражает способность диэлектрика поляризоваться и связана с образованием электрического момента в единице объема диэл-ка. Минимальная  =1 – для вакуума, максимальное значение  зависит от типа диэлектрика, от его плотности, температуры, от частоты эл.поля.