Какие существуют типы диэлектриков каков механизм их поляризации

Диэлектрики. Поляризация диэлектриков.

Вторая большая группа веществ, различаемых по их электрическим свойствам – диэлектрики (изоляторы), вещества, не проводящие электрический ток. К диэлектрикам относятся различные виды пластмасс, стекол, керамики, кристаллы солей, сухая древесина, многие чистые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензины), газы при не очень сильных внешних полях. Все заряженные частицы, образующие данное непроводящее вещество, связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела.

Заметим, что резкой границы между проводниками и изоляторами нет, так как все вещества в той или иной степени способны проводить электрический ток, однако, во многих случаях слабой проводимостью веществ можно пренебречь и считать их идеальными изоляторами. Возможность такого приближения необходимо рассматривать в каждом конкретном случае отдельно. Заметим, что во многом применимость модели идеального изолятора определяется временами протекания рассматриваемых процессов, более подробно эта проблема будет рассмотрена позднее.

Так как все вещества состоят из электрически заряженных частиц, то все вещества взаимодействуют с электрическим полем. В диэлектриках под действием электрического поля заряды могут смещаться на незначительное расстояние, величина этого смещения меньше размеров атомов и молекул. Тем не менее, эти смещения могут приводить к весьма заметным последствиям, таки как появление индуцированных зарядов. В отличие от проводников, в диэлектриках индуцированные заряды могут возникать как на их поверхности, так и внутри их объема. Явление возникновения зарядов под действием внешнего поля называется поляризацией диэлектрика, а сами возникающие заряды называются поляризационными.

Существуют несколько механизмов поляризации диэлектрика, соответственно с которыми различают несколько типов диэлектриков, некоторые из них мы сейчас кратко рассмотрим.

Неполярные диэлектрики. К этому классу диэлектриков относятся вещества, состоящие из атомов и молекул, не обладающих собственными дипольными моментами в отсутствии поля. Типичными примерами таких веществ являются одноатомные благородные газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул – кислород, водород, азот; различные органические жидкости масла, бензины; из твердых тел – пластмассы.

В молекулах этих веществ центры положительных зарядов ядер и отрицательных зарядов электронных облаков совпадают (рис. 258). Под действием внешнего электрического поля происходит незначительное смещение центров этих зарядов, благодаря чему каждый атом приобретает индуцированный дипольный момент, направление которого совпадает с направлением внешнего приложенного электрического поля. Величина этого дипольного момента сложным образом зависит от напряженности внешнего поля. Однако в полях слабых по сравнению с внутриатомными полями величина индуцированного дипольного момента оказывается пропорциональной напряженности внешнего поля

где коэффициент пропорциональности α называется поляризуемостью молекулы.

Справедливость такой записи обосновывается малостью смещения центров положительных и отрицательных зарядов, а на малых изменениях любая функция может быть приближенно заменена на линейную.

Задание для самостоятельной работы.

1. Оцените напряженность электрического поля внутри атома водорода.

Так как каждая молекула приобретает дипольный момент то и весь диэлектрик в целом приобретает дипольный момент. Величина этого дипольного момента может служить характеристикой степени поляризации диэлектрика. Однако более удобно ввести «точечную» характеристику воздействия электрического поля на диэлектрик. Для этого внутри диэлектрика небольшой объем ΔV, индуцированный дипольный момент этого объема равен сумме дипольных моментов отдельных молекул, находящихся внутри рассматриваемого объема , отношение этого дипольного момента к объему называется поляризацией [1] (вектором поляризации) диэлектрика

Как обычно, данная характеристика становится «точечной», при объеме выделенной части, стремящейся к нулю (ΔV → 0).

Если индуцированный дипольный момент каждой молекулы пропорционален напряженности внешнего поля, то и дипольный момент каждой части диэлектрика также пропорционален напряженности внешнего поля. Поэтому связь между вектором поляризации и напряженностью внешнего поля принято записывать в виде

где χ (греческая буква «хи») – называется поляризуемостью вещества. Поляризуемость вещества в отличии от поляризуемости тела и молекулы является безразмерной величиной, характеризующей данное вещество. В отличие от проводников, где воздействие поля характеризуется величиной индуцированных зарядов, для диэлектриков такой характеристикой является дипольный момент единицы объема, то есть вектор поляризации.

Рассмотренный механизм поляризации неполярных диэлектриков называется индукционным.

Формально из сравнения формул (1) и (2) следует, что поляризуемость вещества связана с поляризуемостью отдельной молекулы соотношением , (где n — число молекул в единице объема, то есть концентрация). Однако такое простое соотношение справедливо только для разреженных газов, где можно пренебречь взаимодействием молекул. В жидких и твердых телах каждая молекула находится в поле, которое создается не только внешними источниками, но дипольными моментами других молекул. Иными словами – та же «заклиненная» задача, только еще в более сложной постановке.

Задание для самостоятельной работы.

1. Считая, что поляризуемость молекулы равна ее объему оцените поляризуемость молекул газов. Оцените также поляризуемость воздуха при нормальных условиях. Для проведения оценок примите, что диаметр молекулы примерно равен 1 ангстрему.

Полярные диэлектрики. Некоторые молекулы обладают собственным дипольным моментом даже в отсутствии внешнего электрического поля. Такие молекулы называются полярными, а диэлектрики, образованные такими молекулами –полярными. Полярные молекулы несимметричны, электронные плотности в них смещены к одному из атомов.

Типичным примером такой молекулы служит молекула воды H₂O, в которой электронные облака смещены к атому кислорода, вследствие чего центры положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга, поэтому молекула обладает собственным дипольным моментом (рис. 259).

Механизм поляризации полярных диэлектриков иной, чем неполярных. В отсутствие внешнего поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, поэтому в любом объеме диэлектрика, содержащем достаточно много молекул, суммарный дипольный момент равен нулю. Во внешнем электрическом поле на молекулы действует вращающий момент, поэтому молекулы начинают ориентироваться, так, что вектор дипольного момента выстраивается вдоль вектора напряженности внешнего поля (рис. 260). Тем самым диэлектрик и каждая его часть приобретает индуцированный дипольный момент. Такой механизм поляризации называется ориентационным. Полной ориентации всех молекул препятствует хаотическое тепловое движение, поэтому молекулы диэлектрика лишь частично ориентируются по внешнему полю.

Понятно, что в очень сильных полях подавляющая часть молекул выстроится вдоль вектора напряженности внешнего поля. Однако при комнатных температурах степень ориентации молекул является незначительной, поэтому и в случае полярных диэлектриков можно приближенно считать, что вектор поляризации диэлектрика пропорционален напряженности электрического поля

Отметим, что поляризуемость полярных диэлектриков на несколько порядков превышает поляризуемость неполярных.

Заметим, что индукционный механизм поляризации присутствует и в полярных диэлектриках. То есть под действием электрического поля происходит смещение зарядов в молекулах, однако эффект ориентации на несколько порядков превосходит индукционный эффект, поэтому последним часто пренебрегают.

Задание для самостоятельной работы.

1. Объясните, почему поляризуемость полярных диэлектриков зависит от температуры, а неполярных практически нет. Как ведет себя поляризуемость полярных диэлектриков с ростом температуры?

Электреты. Интересный класс веществ образуют диэлектрики, способные длительное время сохранять наэлектризованное состояние и создающие собственное электрическое поле в окружающем пространстве. Такие вещества называютсяэлектретами, они аналогичны постоянным магнитам, сохраняющим состояние намагниченности.

Стабильные электреты можно получить, нагревая диэлектрик до температуры плавления, а затем охлаждая их в сильном электрическом поле. В жидком состоянии полярные молекул, находящиеся в электрическом поле, ориентируются, при отвердевании подвижность молекул исчезает, поэтому ориентированное состояние молекул может сохраняться длительное время. Изготавливают электреты из органических (воск, парафин, нафталин, эбонит) и неорганических (сера, некоторые виды стекол) полярных диэлектриков. Первые электреты были изготовлены в начале XIX века итальянским физиком А. Вольта

Что такое поляризация диэлектрика

Диэлектриками считают вещества, которые не проводят электрический ток. К ним относят многие чистые жидкости, например масла, бензины и дистиллированную воду, а также керамику, стекло, сухую древесину, кристаллы солей и газы под воздействием несильных внешних полей. Четкой границы между проводниками и диэлектриками нет, поскольку все вещества в той или иной мере проводят электрический ток. Однако, если проводимость выражена слабо, ею можно пренебречь и считать вещество идеальным изолятором.

Под действием электрического поля заряды в диэлектриках могут смещаться только на незначительное расстояние, величина этого смещения не превышает размеры молекул и атомов. Данные смещения приводят в появлению индуцированных зарядов, в отличие от проводников, такие заряды могут возникать как на поверхности, так и внутри диэлектрика.

Механизм поляризации неполярных диэлектриков

К неполярным диэлектрикам относят вещества, которые состоят из атомов и молекул без собственного дипольного момента в отсутствии поля. Это газы с симметричными двухатомными молекулами — водород, кислород и азот, пластмассы, органические жидкости и бензины. В них центры положительных зарядов ядер совпадают с отрицательным зарядами электронных облаков.

Механизм поляризации неполярных диэлектриков называют индукционным. Под действием внешнего поля центры зарядов смещаются незначительно, при этом каждый атом приобретает индуцированный дипольный момент. Его направление совпадает с направлением поля, а величина зависит от его напряженности.

Поскольку каждая молекула приобрела дипольный момент, то весь диэлектрик также его приобрел. В отличие от проводников, в которых воздействие поля характеризуется величиной индуцированных зарядов, важным параметром диэлектриков является дипольный момент единицы объема — вектор поляризации.

Механизм поляризации полярных диэлектриков

Молекулы некоторых веществ обладают собственным дипольным моментом в отсутствии внешнего электрического поля, такие диэлектрики называют полярными. Электронные плотности в молекулах полярных диэлектриков смещены к одному из атомов, механизм поляризации здесь иной. В отсутствии внешнего поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, а их суммарный момент равен нулю.

Внешнее электрическое поле воздействует на вращающий момент каждой молекулы, в результате чего они начинают ориентироваться так, что их дипольный момент выстраивается вдоль вектора напряженности внешнего поля. Данный механизм поляризации называют ориентационным. При этом диэлектрик приобретает индуцированный дипольный момент.

Механизмы поляризации диэлектриков

Процесс поляризации наблюдается во всех без исключения ди­электриках. В зависимости от вида заряда, расстояния, на которое он способен перемещаться, времени, затрачиваемого на поляри­зацию, различают четыре ее механизма.

1. Электронная поляризация — смещение под действием поля электронного облака атомов, в результате чего центры масс от­рицательных и положительных зарядов перестают совпадать и каждый атом становится электрическим диполем (рис. 2.2, а).

Специфика этого вида поляризации — упругое смещение на очень малые расстояния частиц с предельно малой массой — обу­словливает ее безинерционность (время установления электрон­ной поляризации около с), так что она успевает следовать за полем даже в области оптических частот.

Поэтому диэлектрическая проницаемость материалов, облада­ющих преимущественно электронной поляризацией, не зависит от частоты и практически не зависит от температуры

Рис. 2.2. Схемы, поясняющие механизмы поляризации диэлектриков: a – электронная; б – ионная; в – дипольная; г — миграционная

Электронная поляризация происходит без потерь энергии на нагрев диэлектрика, то есть имеет чисто упругий характер. Значение диэлектрической проницаемости материалов, обладающих электронной поляризацией, обычно колеблется в пределах 2 . 2,5.

2. Ионная поляризация вызывается упругим смещением ионов на небольшое в сравнении с параметром решетки расстояние и наблюдается в ионных твердых телах ( рис. 2.2, б). Время установления ионной поляризации около с, что обеспечивает ее независимость от частоты.

Эффект ионной поляризации перекрывает проявление электрон­ной, которая, естественно, происходит и в этом случае, и типич­ное значение диэлектрической проницаемости для чисто ионных кристаллов составляет 5 . 10 . Характерна она для стекол и керамик. Аномально высока диэлектрическая проницаемость у оксидов металлов, обладающих полупроводниковыми свойствами, среди них особо выделяется оксид титана с диэлектрической проницаемостью, равной 120.

С повышением температуры смещение ионов облегчается, вследствие чего растет и диэлектрическая проницаемость. Это является важной особенностью диэлектриков с ионным строением — кера­мики и стекол — и должно учитываться при их использовании.

3. Дипольная (ориентационная) поляризация проявляется как ориентация под действием поля полярных молекул или групп ато­мов. Полярной является, например, молекула воды, расположение атомов водорода в которой несимметрично относительно атома кислорода (рис. 2.2, в). Полярны также многие полимеры, но их молекулы в целом не могут ориентиро­ваться по полю из-за большой длины; для них типично смещение отдельных фрагментов.

На преодоление взаимодействия молекул и сил трения при ориентации диполей расходуется энергия поля, которая превра­щается в тепло (рассеивается). Следовательно, дипольная поля­ризация неупругая, релаксационная.

При нагревании материала подвижность молекул возрастает, но в твердых телах это сказывается на увеличении e лишь при температурах, приближающихся к температуре плавления или размягчения. В жидкостях и полимерах может наблюдаться экс­тремальная температурная зависимость : при нагреве она сна­чала растет из-за ослабления связей между молекулами, а затем падает, так как превалирующее значение приобретает тепловое разупорядочивающее движение молекул, а не ориентирующее действие поля.

При увеличении частоты диэлектрическая проницаемость снижается, поскольку проявляется инерционность процесса ориента­ции.

Ионные кристаллы не обладают дипольной поляризацией, так как в них нет молекул. Но если материал содержит примеси, со­стоящие из полярных молекул, диэлектрические потери могут резко возрасти. Так бывает, например, когда полимер содержит в виде примесей остатки отвердителя. Влажность диэлектрика (особенно для пористых материалов) также может быть причиной по­вышенных потерь вследствие дипольной поляризации.

4. Миграционная поляризация — неупругое перемещение слабосвязанных примесных ионов на расстояния, превышающие па­раметр кристаллической решетки, часто до границ зерен (рис. 2.2, г). Ион приме­си, не становится носителем, потому что он не может преодолеть границу зерна, но участвует в переносе тока при смене его поляр­ности. Закономерности для поляризации по миграционному меха­низму те же, что и для дипольной.

Чтобы избежать потерь, связанных с миграционной поляриза­цией, надо обращать внимание на отсутствие в материале пор, механических включений и примесей, прежде всего легкоподвиж­ных ионов Na+.

Анализируя пригодность какого-либо диэлектрика для тех или иных целей, необходимо прежде всего представлять себе, на­сколько он полярен. Как говорилось выше, строго неполярных диэлектриков практически не существует.

Очень слабо полярными являются многие высококачественные полимеры, по своему строению тоже неполярные, но все же со­держащие некоторые количества примесей, повышающих значе­ние диэлектрических потерь вследствие диполыюй и миграцион­ной поляризации.

Полупроводники — Ge, Si, GaAs — имеют диэлектрическую проницаемость в интервале значений 12. 15, которая уменьшается по мере увеличения частоты. Большие значения в обусловлены малой шириной запрещенной зоны.

Пьезоэлектрики

Поляризация под действием механических напряжений является особым механизмом поляризации.

Как известно, обязательным следствием напряжений в упругом теле является деформация, величина которой определяет­ся модулем упругости. Лишь в сравнительно немногих кристаллах помимо деформации обнаруживается еще и поляризованность. Материалы, способные поляризоваться в отсутствие внешнего электрического поля под действием механических напря­жений, называются пьезоэлектриками, а физическое явление, сопровождающей деформацию, — пьезоэффектом. Его причиной служит смещение положительных и отрицательных ио­нов или отдельных фрагментов молекул в кристаллах, не имею­щих центра симметрии (рис. 2.3). Пьезоэффект в них можно вызвать не только чистым сжатием или растяжением, как показано на рисунке, но и изгибом, скручиванием, сдвигом.

Рис. 2.3. Возникновение прямого пьезоэффекта

Важная особенность пьезоэффекта, резко расширяющая обла­сти его практического применения — обратимость, то есть деформа­ция кристалла во внешнем электрическом поле. Схематично пьезоэффект представлен на рис.2.4.

Рис.2.4. Схема возникновения прямого и обратного пьезоэффектов

Явление, сходное с обратным пьезоэффектом — удлинение кристалла вслед­ствие поляризации под действием электрического поля, — наблюдается во всех без исключения диэлектриках и называется электрострикцией. Признаки, отли­чающие пьезоэффект от электрострикцпи: 1) линейная зависимость деформации от напряженности поля, тогда как при электрострикции эта зависимость квадра­тична; 2) электрострикция необратима, механические напряжения в материалах, не являющихся пьезоэлектриками, не приводят к поляризации; 3) электрострикционная деформация значительно меньше, чем пьезоэлектрическая.

Первым применением пьезоэлектриков была ультразвуковая подводная локация, основанная на том, что в результате обрат­ного пьезоэффекта в воду излучаются механические колебания высокой частоты — ультразвук. Отраженные сигналы (звуковое эхо) принимаются другим кристаллом и преобразуются в электри­ческий сигнал с помощью прямого пьезоэффекта. Пьезоэффект широко используется в бытовых приборах. Так, на прямом пьезоэффекте действуют источники высокого напряже­ния в зажигалках, пьезозвукосниматели, пьезомикрофоны, датчи­ки давления и перемещений. На обратном пьезоэффекте основано действие пьезотелефонов, пьезозвонков, пьезоэлектрических безоб­моточных двигателей и микропозиционеров. В радиоэлектронике наибольшее значение имеют пьезоэлектрические преобразователи: резонаторы, излучатели, вибраторы, основным элементом кото­рых являются детали простой формы (пластины, стержни, диски) из пьезоэлектрика с нанесенными на них контактами. Такие пьезопреобразователи выполняют в РЭА функции стабилизаторов частоты, высокоизбирательных фильтров, стандартов частоты.

В технике большое применение находят мо­нокристаллы простых и сложных оксидов—кварц, ниобат и танталат лития (LiNbO₃ и LiTaO₃), а также пьезокерамика.

Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.

Все вещества по электропроводности разделяются на проводники и диэлектрики. Промежуточное положение между ними занимают полупроводники.

Проводниками называют вещества, в которых имеются свободные носители зарядов, способные перемещаться под действием электрического поля. Примерами проводников являются металлы, растворы или расплавы солей, кислот, щелочей.

Диэлектриками или изоляторами называются вещества, в которых нет свободных носителей зарядов и которые, следовательно, не проводят электрический ток. Это будут идеаль­ные диэлектрики. В действительности диэлектрики проводят электрический ток, но очень слабо, их проводи­мость в 10 15 -10 20 раз меньше, чем у проводников. Это обусловлено тем, что в обычных услови­ях заряды в диэлектриках связаны в устойчивые молекулы и не могут, как в проводниках, легко отрываться и становиться свободными. Молекулы диэлектрика электронейтральны: суммарный заряд электронов и атомных ядер, входящих в состав молекулы, равен нулю. В первом приближении молекулу можно рассматривать как диполь с электрическим моментом ; здесь q — заряд ядра молекулы, -век­тор, проведенный из "центра тяжести" электронов в "центр тяжести" положительных заря­дов атомных ядер.

Различают два основных типа диэлектриков: полярный и неполярный.

Диэлектрик называют неполярным, если в его молекулах в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают, например, Для них диполный момент , т. к. . И, следовательно, суммарный дипольный момент неполярного диэлектрика .

В молекулах полярныхдиэлектриков ( , спирты, НС1. ) центры тяжести зарядов раз­ных знаков сдвинуты друг относительно друга. В этом случае молекулы обладают собствен­ным дипольным моментом . Но эти дипольные моменты в отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул ориентированы хаотически и суммарный дипольный момент такого диэлектрика равен нулю, т. е.

Если диэлектрик внести в электрическое поле, то в нем произойдет перераспределе­ние связанных зарядов. В результате этого суммарный дипольный момент диэлектрика становится отличным от нуля. В этом случае говорят, что произошла поляризация диэлектрика. Различают три типа поляризации диэлектриков:

1) ЭЛЕКТРОННАЯ: oна наблюдается в неполярных диэлек­триках, когда электронная оболочка смещается относитель­но ядра против поля.

2) ОРИЕНТАЦИОННАЯ: она наблюдается в полярных диэ­лектриках, когда диполи стремятся расположиться вдоль поля. Этому препятсятвует тепловое хаотическое движение.

3) ИОННАЯ: она наблюдается в твердых кристаллических диэлектриках, когда внешнее по­ле вызывает смещение положительных ионов по полю, а отрицательных — против поля.

Количественной мерой поляризации диэлектрика является поляризованность диэлек­трика — векторная величина, равная отношению суммарного дипольного момента малого объема диэлектрика к величине этого объема , т. е.

в СИ Р измеряется в Кл / м 2 .

Таким образом, вектор поляризованности диэлектрика равен дипольному моменту единицы объема поляризованного диэлектрика.

Как показывает опыт у изолированных диэлектриков вектор поляризованности для не слишком больших пропорционален напряженности электрического поля, т.е.

где — электрическая постоянная, æ — называется диэлектрической восприимчивостью ди­электрика; это безразмерная величина, которая для вакуума и, практически, для воздуха, ра­вна нулю(æ — каппа, греческая буква).

Итак, при внесении диэлектрика в электрическое поле с напряженностью происходит поляризация диэлектрика, в результате которой возникает поле связанных зарядов, направ­ленное против внешнего поля.

Напряженность поля связанных зарядов обозначим через ; оказывается она пропорциональна напряженности поля в диэлектрике, т.е. поэтому напряженность поля в диэлектрике , или

откуда (11-36) где (11-37)

называют относительной диэлектрической проницаемостью вещества или среды; — безразмерная величина; т.к. æ =0 для вакуума и, практически, для воздуха, для этих же сред = 1. Итак, поле в диэлектрике ослабляется в ε раз, по сравнению с полем в вакууме.

11.9. Теорема Остроградского-Гаусса для поля в диэлектрике. Связь векторов — сме­щения, — напряженности и — поляризованности

ТеоремаОстроградского-Гаусса для потока вектора в вакууме имела вид:

где Q — суммарный заряд, охватываемый замкнутой поверхностью S. В диэлектрике Q складывается из свободных (сторонних) зарядов и связанных зарядов, т.е.

Можно показать, что .

Подставляя эту формулу в (11-38), после преобразования получим (11-39)

называют вектором электрического смещения или вектором электрической индукции. Она измеряется, как и , в Кл/м 2 . Учитывая, что находим

Линии вектора могут начинаться или заканчиваться лишь на свободных зарядах, а линии — на свободных и связанных. С учетом (11-40) формула (11-39) запишется так

т.е. поток вектора электрического смещения через произвольную замкнутую поверхность S равен алгебраической сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью.

Это и естьтеорема Остроградского-Гаусса в интегральной форме для поля в диэлек­трике, которая в дифференциальной форме выглядит так: