2 ПОЛЯРИЗАЦІЯ ДІЕЛЕКТРИКІВ
2.1 Діелектрик в електричному полі
Для будь-якого діелектрика характерним процесом, що виникає при дії на нього електричного поля, є поляризація – обмежений зсув зв’язаних зарядів або орієнтація дипольних молекул.
Про явища, зумовлені поляризацією діелектрика, можна судити за значенням діелектричної проникності, а також кута діелектричних втрат, якщо поляризація діелектрика супроводжується розсіюванням енергії, яка викликає нагрівання діелектрика. У нагріванні технічного діелектрика можуть брати участь нечисленні вільні заряди, що зумовлюють виникнення під впливом електричного поля незначного наскрізного струму, який проходить крізь товщу діелектрика і по його поверхні. Наявність наскрізного струму свідчить про явище електропровідності технічного діелектрика, яка чисельно характеризується значеннями питомої об’ємної і питомої поверхневої електропровідностей, або оберненими відповідними їм значеннями питомих об’ємного і поверхневого електричних опорів.
Будь-який діелектрик можна використовувати тільки при напрузі, що не перевищує граничного значення в певних умовах. При перевищенні цього значення напруги настає пробій діелектрика – повна втрата ним електроізоляційних властивостей. Цю граничну напругу називають пробивною напругою, а відповідне значення напруженості однорідного електричного поля – електричною міцністю діелектрика.
2.2 Поляризація діелектриків і діелектрична проникність
Під впливом електричного поля зв’язані електричні заряди діелектрика зміщаються в напрямку сил, які діють на них, і тим більше, чим вище напруженість поля. При знятті електричного поля заряди повертаються в початковий стан. В полярних діелектриках, що містять дипольні молекули, вплив електричного поля викликає орієнтацію диполів, при відсутності поля диполі знаходяться в тепловому русі.
Більшість діелектриків характеризується лінійною залежністю електричного зміщення від напруженості електричного поля, утвореного в діелектрику. Особливу групу складають діелектрики, у яких зі зміною напруженості поля електричне зміщення залежить нелінійно. Такі діелектрики називаються сегнетоелектриками.
Будь який діелектрик з нанесеними на нього електродами і включений в електричне коло можна уявити як конденсатор певної ємності (рис. 2, а).
Рисунок 2.1 – Діелектрик складної сполуки з різними механізмами поляризації в електричному полі (а) та еквівалентна схема його заміщення (б)
Заряд конденсатора визначається:
де С – ємність конденсатора;
U – прикладена до нього напруга.
Заряд конденсатора Q при заданому значенні прикладеної напруги складається з двох складових: Q0 – заряду, коли між пластинами конденсатора є вакуум, і Qд – заряду конденсатора з діелектриком.
Однією з найважливіших характеристик діелектрика є відносна діелектрична проникність – ε.
Ця величина являє собою відношення заряду, отриманого при деякій напрузі на конденсаторі, що містить даний діелектрик, до заряду конденсатора тих же розмірів, якби між пластинами був вакуум:
З виразу (2.3) випливає, що відносна діелектрична проникність будь-якої речовини більше одиниці і дорівнює одиниці тільки у випадку вакууму.
Співвідношення (2.1), наведене вище, може бути подане у вигляді:
де С0 – ємність конденсатора, коли між його пластинами є вакуум.
З формули (2.4) видно, що діелектричну проникність речовини e можна визначити як відношення ємності конденсатора з даним діелектриком до ємності конденсатора тих же розмірів, діелектриком якого є вакуум.
Між пластинами конденсатора можуть бути речовини з різним значенням ε. Для двох таких речовин діелектрична проникність визначається:
де Q1 + Q2 =1 – об’ємні концентрації компонентів;
x = (+1 до –1) – константа, що характеризує розподіл компонентів. При паралельному з’єднанні компонентів х = +1:
При послідовному з’єднанні компонентів х = –1:
Діелектрична проникність залежить від температури і визначається виразом:
Формула (2.8) дозволяє обчислити відносну зміну діелектричної проникності при підвищенні температури на один градус. Ця величина називається температурним коефіцієнтом діелектричної проникності.
Діелектрична проникність залежна від агрегатного стану діелектриків.
2.2.1 Діелектрична проникність газів
Газоподібні речовини характеризуються малою щільністю за рахунок великої відстані між молекулами. Тому діелектрична проникність усіх газів незначна і близька до 1.
Залежність діелектричної проникності газів від температури і тиску визначається зміною числа молекул в одиниці об’єму газу n0. Це число прямо пропорційно тиску і обернено пропорційно абсолютній температурі. В табл. 2.1 наведена залежність ε від тиску деяких газів, а в табл. 2.2 – залежність ε повітря від температури.
Таблиця 2.1 – Залежність ε від тиску деяких газів
Таблиця 2.2 – Залежність ε повітря від температури
Температурна залежність діелектричної проникності газів визначається за формулою (2.8).
Величину TКe неполярного газу можна знайти за виразом:
Залежність діелектричної проникливості газу від тиску характеризують виразом:
Для повітря при р = 0,1 МПа:
Число молекул в одиниці об’єму газу n0 визначається :
2.2.2 Діелектрична проникність рідких діелектриків
Рідкі діелектрики можуть бути утворені з неполярних і полярних молекул.
Залежність ε неполярних рідин від температури і частоти наведена на рис. 2.2.
Рисунок 2.2 – Залежність ε неполярних рідин від температури (а) і частоти (б)
Для полярної рідини графік залежності ε від температури e = f (t°) наведений на рис. 2.3.
Рисунок 2.3 – Залежність діелектричної проникливості від температури для полярної рідини совола (f1 = 50 Гц; f2 = 400 Гц; f3 = 1000 Гц)
Графік залежності ε полярної рідини e = f(f) від частоти наведений на рис. 2.4.
Рисунок 2.4 – Залежність діелектричної проникливості від частоти для полярної рідини
Значення критичної частоти fk, при якій починається зниження ε (рис. 2.4) визначається за формулою:
де 
– стала Больцмана;
Т – температура;
r – радіус молекул;
h – динамічна в’язкість речовини.
Час релаксації молекул tk пов’язаний з частотою fk співвідношенням:
де tk – час релаксації молекул.
Діелектрична проникність для неполярних і слабополярних рідин знаходиться в межах 2,1¸2,3, а для полярних рідин – ε = 3,5¸5.
2.2.3 Діелектрична проникність твердих діелектриків
Діелектрична проникність твердих діелектриків може мати різні чисельні значення відповідно до різних структурних особливостей твердого діелектрика. У твердих тілах є можливими всі види поляризації.
Для твердих неполярних діелектриків характерні ті ж закономірності, що і для неполярних рідин і газів.
Значення ε неполярних твердих діелектриків при tº = 20º С:
Тверді діелектрики, що являють собою іонні кристали з щільним упакуванням частинок, мають електронну і іонну поляризацію, значення діелектричної проникливості їх лежить у широких межах.
Тверді діелектрики, що мають іонну, електронну та іонно-релаксаційну поляризацію, характеризуються у більшості випадків порівняно невисоким значенням ε.
Значення ε іонних кристалів:
Для неорганічних скляних матеріалів ε лежить у порівняно вузьких межах: ε = 4¸20.
Значення ε для неорганічного скла:
Значення ε для органічних твердих діелектриків:
Діелектрична проникливість сегнетоелектриків має різко виражену залежність від напруженості поля і температури.
Деякі значення ε для сегнетоелектриків в слабких полях при tº= 20ºС:
2.3 Основні види поляризації діелектриків
Поляризація діелектриків залежно від агрегатного стану і структури поділяється на два основних види.
До першого виду належить поляризація, що відбувається в діелектрику під впливом електричного поля практично миттєво, пружно, без розсіювання енергії, тобто без виділення тепла.
Другий вид поляризації не відбувається миттєво, а наростає й убуває уповільнено та супроводжується розсіюванням енергії в діелектрику, тобто його нагріванням. Такий вид поляризації називають релаксаційною поляризацією.
До першого виду поляризації належать електронна й іонна, інші механізми належать до релаксаційної поляризації. Особливим механізмом поляризації є резонансна, що спостерігається в діелектриках при світлових частотах, а тому несуттєва для практичної електротехніки.
Ємність конденсатора з діелектриком і накопичений у ньому електричний заряд обумовлюються сумою різних механізмів поляризації і можуть спостерігатися в різних діелектриків. Декілька механізмів одночасно може бути і в одному матеріалі.
Еквівалентна схема заміщення діелектрика, у якому існують різні механізми поляризації, містить ряд ємностей і активних опорів, включених паралельно джерелу напруги U, як це показано на рис. 2.1, б.
Ємність С0 і заряд Q0 відповідають власному полю конденсатора, якщо між його пластинами є вакуум. Величини Се і Qе відповідають електронній поляризації.
Електронна поляризація являє собою пружне зміщення і деформацію електронних оболонок атомів. Час встановлення електронної поляризації (10-15 с). Електронна поляризація спостерігається в усіх видах діелектриків і не пов’язана з втратою енергії.
Іонна поляризація (Сі, Qі ) характерна для твердих тіл з іонною структурою й обумовлена пружним зміщенням зв’язаних іонів. Час встановлення іонної поляризації (10-13 с).
Дипольно-релаксаційна поляризація (Сд-р, Qд-р, rд-р) відрізняється від електронної та іонної тим, що вона пов’язана з орієнтацією дипольних молекул, що перебувають в хаотичному русі, під дією електричного поля й характерна для полярних газів і рідин. Цей вид поляризації може спостерігатися також і у твердих полярних органічних речовинах, але в цьому випадку поляризація обумовлена вже не поворотом самої молекули,
а поворотом наявних у ній радикалів стосовно молекули. Прикладом речовини з цим видом поляризації є целюлоза, полярність якої пояснюється наявністю гідроксильних груп ОН. У кристалах з молекулярними ґратками і слабкими Ван-дер-Ваальсовими зв’язками можлива орієнтація і більш великих часток.
Іонно-релаксаційна поляризація (Сі-р, Qі-р, rі-р) спостерігається в неорганічних речовинах з нещільним упакуванням іонів. У цьому випадку слабко зв’язані іони речовини під дією зовнішнього електричного поля орієнтуються в напрямку поля. З підвищенням температури іонно-релаксаційна поляризація помітно підсилюється.
Електронно-релаксаційна поляризація (Се.р, Qе.р, rе.р) відрізняється від електронної та іонної і виникає за рахунок збуджених тепловою енергією надлишкових (дефектних) електронів або дірок.
Міграційна поляризація (См, Qм, rм) характерна для твердих тіл неоднорідної структури при макроскопічних неоднорідностях і при наявності домішок. Ця поляризація проявляється при низьких частотах і пов’язана зі значним розсіюванням електричної енергії. Причинами такої поляризації є провідні і напівпровідні включення в технічних діелектриках, наявність шарів з різною провідністю та інші.
При внесенні неоднорідних матеріалів в електричне поле вільні електрони й іони провідних і напівпровідних включень переміщаються в межах кожного включення, утворюючи великі поляризовані області.
На рис. 2.1 штриховими лініями показані також Ссп, Qcп і rсп, що належать до механізму самовільної (спонтанної) поляризації. Цей вид поляризації характерний для сегнетоелектриків. У речовинах з самовільною поляризацією є окремі області (домени), у яких є діелектричний момент при відсутності зовнішнього поля. Орієнтація електричних моментів у різних доменах різна. Накладення зовнішнього поля сприяє переважній орієнтації електричних моментів доменів у напрямку поля, що дає ефект дуже сильної поляризації. На відміну від інших видів поляризації при деякому значенні напруженості зовнішнього поля настає насичення і не відбувається зростання інтенсивності поляризації. Тому діелектрична проникність при спонтанній поляризації залежить від напруженості електричного поля. У температурній залежності спостерігається один або кілька максимумів. У змінних електричних полях матеріали з самовільною поляризацією характеризуються значним розсіюванням енергії.
Залежно від виду поляризації всі діелектрики діляться на кілька груп. До першої групи можна віднести діелектрики, що мають в основному,
тільки електронну поляризацію, наприклад, неполярні і слабополярні тверді речовини в кристалічному і аморфному станах (парафін, сірка, полістирол), а також неполярні і слабополярні рідини і гази (бензол, водень та ін.).
До другої групи належать діелектрики, що мають одночасно електронну та дипольно-релаксаційну поляризацію. Серед них полярні (дипольні) органічні, напіврідкі і тверді речовини (масляно-каніфольні компаунди, епоксидні смоли, целюлоза, деякі хлоровані вуглеводні та ін.).
Третю групу складають тверді неорганічні діелектрики з електронною, іонною та іонно-електронно-релаксаційною поляризаціями. У цій групі доцільно виділити дві підгрупи матеріалів через істотне розходження їхніх електричних характеристик:
- діелектрики з електронною та іонною поляризаціями,
- діелектрики з електронною, іонною та релаксаційними поляризаціями.
До першої переважно відносять кристалічні речовини з щільним упакуванням іонів (кварц, слюда, кам’яна сіль, корунд, рутил). До другої належать неорганічне скло, матеріали, що містять склоподібну фазу (порцеляна, мікалекс), та кристалічні діелектрики з нещільним упакуванням іонів у ґратках.
Четверту групу складають сегнетоелектрики, що характеризуються спонтанною, електронною, іонною та електронно-іонно-релаксаційною поляризаціями: сегнетова сіль, метатитанат барію та інші.
Наведена вище класифікація діелектриків дозволяє визначати їх основні електричні властивості.
2.4 Контрольні питання
- Фізичний смисл діелектричної проникності.
- Діелектрична проникність газів.
- Діелектрична проникність рідких діелектриків
- Діелектрична проникність твердих діелектриків.
- Діелектрична проникність комбінованих діелектриків.
- Залежність діелектричної проникності від температури і тиску.
- Схема заміщення діелектриків.
- Основні види поляризації діелектриків.
