Диэлектрический гистерезис

Существуют диэлектрики, у которых в процессе поляризации изменяется внутренняя структура вещества. Это наблюдается, когда молекулярные диполи реагируют на внешнее электрическое поле не каждый сам по себе, а большими группами, которые занимают некоторые области в объеме диэлектрика, называемые доменами. Форма, размеры и положение доменов изменяются в процессе поляризации. У таких диэлектриков усиление поляризации и ее ослабление описываются разными кривыми на плоскости DОЕ (рис.34). Кривая поляризации D(Е) зависит от начального состояния диэлектрика, характеризуемого значениями напряженности Е₀ и электрической индукции т.е. D=D( .

- D⁺ 𝖤

0 𝖤с 𝖤s

Рис. 34.Кривая начальной поляризации (0-1) и петля циклической поляризации (1-2-3-4-1) при периодическом изменении напряженности

Допустим, что в процессе поляризации диэлектрика векторы 𝚬 и D сохраняют направление в пространстве вдоль фиксированной оси. Векторы могут быть направлены в положительном направлении оси, тогда их проекции на эту ось положительны, или в отрицательном направлении, тогда их проекции отрицательны. При циклической поляризации возможны ситуации, когда направления векторов 𝚬 и D противоположны, например,на участке кривой 1-2-3 от D_r до (- ), очевидно, 𝖤 <0 и D >0.

Если поcле первоначальной поляризации (кривая 0-1 на рис. 34) выключить электрическое поле, то ослабление поляризации происходит по кривой 1-2. В конечном состоянии (точка 2) сохраняется остаточная поляризация (𝖤 =0). При периодическом изменении напряженности электрического поля процесс поляризации описывается замкнутой кривой, которую называют петлей гистерезиса (на рис. 34 кривая 1-2-3-4-1 симметрична относительно начала координат).

Диэлектрический гистерезис проявляется в запаздывании поляризации по отношению к изменению напряженности электрического поля вследствие изменения внутренней структуры диэлектрика под воздействием электрического поля. Состояние диэлектрика (значения поляризации 𝑃 и электрической индукции D)может быть разным при одном и том же значении напряженности 𝚬, если оно получено после разных процессов. Если диэлектрик обладает гистерезисом, то функции 𝑃(𝚬) и D(𝚬) многозначны. Если в ходе процесса поляризации вектор 𝚬 изменяется не только по величине, но и по направлению, то направления векторов 𝚬, 𝑃 и D, как правило, не совпадают (рис. 35).

𝑃 D

Рис. 35. Векторы, характеризующие состояние диэлектрика; точка состояния- (𝚬, 𝑃) или (𝚬, D)

Если при циклической поляризации диэлектрика напряженность электрического поля достигает величины (рис. 34), при которой наблюдается насыщение поляризации (рис. 30), то получается петля, которая называется предельной петлей гистерезиса. Она имеет восходящую ветвь (3-4-1 на рис. 34), соответствующую увеличению напряженности ( >0, >0), и нисходящую ветвь (1-2-3), соответствующую уменьшению напряженности ( <0, <0). Обе ветви симметричны относительно начала координат, т.е. D^-(𝖤)=-D⁺(-𝖤) где плюсв показателе соответствует увеличению напряженности, а минус – ее уменьшению (рис. 34). При медленном изменении напряженности электрического поля точка состояния материала (𝖤, D) никогда не выходит наружу предельной петли гистерезиса. Предельная петля ограничивает область возможных состояний диэлектрика. Она является основной характеристикой гистерезисного материала.