книги / Электротехническое и конструкционное материаловедение

замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. К ним относят дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, миграционную и спонтанную поляризации.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов.

Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около 10–15 с).

Для понимания механизма электронной поляризации рассмотрим рис. 2.2. Как видно из этого рисунка, при отсутствии электрического поля (рис. 2.2, а) электрон (–) вращается вокруг ядра (+) симметрично относительно его центра. Если принять скорость электрона достаточно большой, можно сделать допущение, что заряд электрона распределен равномерно по оси его вращения. А значит, центры положительного и отрицательного зарядов будут совпадать и находиться в центре атома.

Е

Рис. 2.2. Положение зарядов в атоме без приложения электрического поля (а) и в электрическом поле напряженностью Е (б)

Если приложить электрическое поле (рис. 2.2, б), заряды начнут смещаться к противоположным обкладкам и орбита электрона будет деформироваться. В такой системе центры положительного и отрицательного (точка 1) зарядов перестают совпадать, а в диэлектрике вблизи обкладок начнут накапливаться заряды (см. рис. 2.1, б).

На рис. 2.3 показано влияние внешних факторов (температуры и частоты) на величину электронной поляризации (здесь Тпл – температура плавления, Ткип – температура кипения).

11

При воздействии электрического поля напряженностью Е заряды начнут смещаться к противоположным обкладкам и центр отрицательных зарядов (точка 2) сместится относительно центра положительных зарядов (точка 3). Вследствие этого внутри диэлектрика появится собственное электрическое поле напряженностью Ед, направленное в противоположную от Е сторону, а вблизи обкладок начнут накапливаться заряды (см. рис. 2.1, б).

На рис. 2.5 показано влияние внешних факторов (температуры и частоты) на величину ионной поляризации.

Рис. 2.5. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (а) и частоты (б) при ионной поляризации

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры обусловлена ослаблением упругих сил, действующих между ионами, и увеличением их подвижности. Выше температуры плавления связи между ионами разрушаются, а значит, ионная поляризация прекращается. Зависимость от частоты электрического поля отсутствует, поскольку ионная поляризация протекает практически мгновенно.

Дипольно-релаксационная (дипольная) поляризация заклю-

чается в том, что дипольные молекулы (см. подразд. 1.1), находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под воздействием поля (рис. 2.6).

В начальный момент времени (рис. 2.6, а) диполи направлены в разные стороны и совершают хаотические тепловые колебания. Вследствие разупорядоченности результирующий электри-

13

ческий момент всех диполей равен нулю. Под действием сил электрического поля (рис. 2.6, б) диполи начнут поворачиваться, стремясь сориентироваться вдоль линий напряженности электрического поля Е, т.е. положительным полюсом к отрицательному электроду, отрицательным – к положительному. Кроме ориентации диполи еще растягиваются электрическим полем, и величина дипольного момента при этом возрастает.

Рис. 2.6. Схематичное изображение дипольно-релаксационной поляризации: а – хаотическое тепловое движение диполей; б – ориентация диполей вдоль линий напряженности

электрического поля Е

Поворот диполей в направлении поля требует преодоления сил сопротивления соседних диполей, т.е. диполи поворачиваются как бы с «трением». Поэтому дипольная поляризация протекает длительное время и сопровождается потерями энергии, выделяющейся в виде тепла.

Влияние внешних факторов на дипольную поляризацию отражено на рис. 2.7.

Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если межмолекулярные взаимодействия не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры взаимодействие между диполями ослабляется, что усиливает дипольнорелаксационную поляризацию. Но в то же время возрастает энергия хаотического теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние внешнего электрического поля.

14

Поэтому с увеличением температуры вначале, пока ослабление сил межмолекулярного взаимодействия преобладает над возрастанием интенсивности хаотического теплового движения молекул, величина дипольно-релаксационной поляризации растет, а затем, когда преобладает интенсивность теплового движения молекул (тепловая энергия «разбрасывает» диполи), поляризация уменьшается (рис. 2.7, а).

Рис. 2.7. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (а) и частоты (б) при дипольной поляризации

Значительное влияние на дипольно-релаксационную поляризацию оказывает частота (рис. 2.7, б). Пока частота мала, диполи успевают следовать за полем и диэлектрическая проницаемость близка к значению, измеренному при постоянном напряжении (ε=). Когда же частота становится настолько большой, что диполи уже не успевают следовать за изменением поля (f > f0), диэлектрическая проницаемость уменьшается, стремясь к значению, обусловленному электронной поляризацией.

Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных газах, жидкостях, но может наблюдаться и в твердых диэлектриках. В некоторых твердых, в большинстве своем органических, диэлектриках дипольно-релаксационная поляризация обычно обусловлена не ориентацией самой молекулы, а ориентацией имеющихся в ней полярных радикалов. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной.

15

Миграционная (структурная) поляризация наблюдается в технических диэлектриках с проводящими и полупроводящими включениями, слоистых и композиционных диэлектриках. При вне-

сении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения (слоя), образуя поляризованные области на границе раздела сред (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Перераспределение зарядов в слоистых диэлектриках (а) и в диэлектриках, содержащих включения (б)

Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому этот вид поляризации возможен лишь на низких частотах.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация наблюдается у ceгнетоэлектриков (по названию сегнетовой соли NaKC4H4O6 4H2O – первого вещества, в котором было обнаружено это явление).

В сегнетоэлектриках имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. Однако ориентация электрических моментов в разных доменах различная, и результирующий момент равен нулю (рис. 2.10, а). Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов отдельных доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации (рис. 2.10, б).

17

Рис. 2.10. Ориентация электрических моментов в доменах в отсутствие электрического поля (а) и при его приложении (б)

Рис. 2.11. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости в сегнетоэлектриках

Одним из основных параметров сегнетоэлектриков является

сегнетоэлектрическая точка Кюри (ТК) – температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагреве) спонтанная поляризация. Выше точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние (рис. 2.11).

2.1.2.Эквивалентная схема замещения технического диэлектрика

Технические диэлектрики, применяемые в современных системах изоляции, обладают, как правило, не одним, а одновременно несколькими видами поляризации. Следовательно, емкость конденсатора с диэлектриком обусловливается суммой различ-

18

ных механизмов поляризации. На рис. 2.12 показано замещение эквивалентной схемой технического диэлектрика, обладающего различными механизмами поляризации в электрическом поле.

Рис. 2.12. Эквивалентная схема технического диэлектрика

Схема состоит из параллельно включенных емкостных (С) и активно-емкостных (R–С) цепочек. Емкость С0 и накопленный на ней заряд Q0 соответствуют геометрической емкости и заряду электродов (когда между ними нет диэлектрика, т.е. емкости и заряду электродов в вакууме). Емкости Сэ и Си и заряды Qэ и Qи соответствуют электронной и ионной поляризациям соответственно.

Емкость Сдр, заряд Qдр и сопротивление Rдр соответствуют дипольно-релаксационной поляризации. Этот вид поляризации связан с потерей энергии поля, что отражено включенным последовательно с емкостью Сдр активным сопротивлением Rдр.

Емкость Сир, заряд Qир и сопротивление Rир соответствуют ионно-релаксационной поляризации, а Сэр, Qэр и Rэр – электроннорелаксационной поляризации. Емкость См, заряд Qм и сопротивление Rм соответствуют миграционной поляризации, а Сс, Qс и Rс – спонтанной поляризации (цепочка Rс – Cс изображена пунктиром, чтобы показать, что данный вид поляризации возможен только в сегнетоэлектриках).

Все емкости эквивалентной схемы зашунтированы сопротивлением Rиз, представляющим собой сопротивление изоляции сквозной составляющей тока утечки Iскв через диэлектрик. Как правило, ток Iскв очень мал и сопротивление изоляции Rиз составляет десятки и сотни мегаом.

19