Спонтанная поляризация

Спонтанная поляризация происходит в материалах, называемых сегнетоэлектриками. Первоначально такой механизм поляризации был обнаружен у сегнетовой соли, из-за чего весь класс материалов получил своё название. Такой материал состоит из участков, называемых доменами, причем в пределах каждого домена происходит самопроизвольная очень сильная поляризация вещества в одном направлении. Каждый домен имеет свое направление спонтанной поляризации.

Рис. 3.5. Спонтанная поляризация: а – электрическое поле отсутствует,      б – в электрическом поле.

При отсутствии внешнего электрического поля оси поляризации доменов направлены во все стороны. поэтому при векторном суммировании дипольных моментов множества доменов общий дипольный момент оказывается равным нулю (рис. 3.5 а). При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов начинают поворачиваться вдоль поля, происходит их ориентация (рис. 3.5 б). Вследствие этого дипольные моменты доменов складываются, увеличивая общий дипольный момент материала, т.е. появляется суммарная поляризация вещества.

Рис. 3.6. Петля диэлектрического гистерезиса

Поскольку домены сами по себе сильно поляризованы, суммарный эффект оказывается очень большим. Величина диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков очень велика ε = 100¸100 000.

При наложении и снятии электрического поля поляризация материала изменяется по-разному. На график зависимости поляризации от напряженности электрического поля (рис. 3.6) получается петля диэлектрического гистерезиса (очень похожая по форме на петлю гистерезиса намагничивания ферромагнетиков).

По характеру поляризация подразделяется на упругую и релаксационную. Например при электронной поляризации, смещение электронных оболочек атомов или молекул происходит практически мгновенно (за время t»10^–15 с).. В результате при включении и выключении внешнего электрического поля поляризация устанавли­вается мгновенно и запаздывания между поляризацией и электрическим полем практически нет (рис. 3.7 а). В этом случае, при включении и выключении электрического поля, потерь электрической энергии в веществе не происходит. Такой тип поляризации называется упругой поляризацией.

Некоторые другие процессы в веществе протекают с заметной задержкой (время t»10^–3¸10^–5 с), например, процессы, связанные с тепловой активацией. Так при дипольной поляризации, между разными положениями громоздких молекул существуют потенциальные барьеры, и для того, чтобы их преодолеть, требуется энергия.

а)   б)

Рис. 3.7. Типы поляризации: а – упругая, б – релаксационная

Если энергии внешнего электрического поля недостаточно, то таким дополнительным источником энергии становится тепловая, которой требуется некоторое время для поворота диполей. Тогда при включении внешнего электрического поля (или при выключении) поляризация запаздывает и устанавливается через некоторое время, которое называется временем релаксации (рис. 3.7. б) Эта задержка играет важную роль, поскольку в результате этой задержки в диэлектрике в переменном электрическом поле происходит потеря энергии на поляризацию. Такого типа поляризация называется релаксационной.

 

2.2. Диэлектрические потери

Диэлектрические потери – это процесс выделения тепловой энергии в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Потери связаны с двумя рассмотренными процессами в диэлектрике:

 электропроводностью и поляри-зацией. Так, под действием электрического поля свободные носители заряда разгоняются, приобретают кинетическую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещества, передают им эту энергию. Таким образом, энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию из-за электро-проводности диэлектрика.

Вторую часть в потери диэлектрика вносит поляризация релаксационного типа, упомя-нутая выше.

Рассмотрим конденсатор с диэлектриком, который включён в электрическую цепь рис. 3.8. Мощность электрических потерь в нем определяется формулой:

W=U× I× cos α,      (5)

где U – напряжение и I – ток на участке цепи, – a сдвиг фаз между ними.

В конденсаторе с идеальным диэлектриком сдвиг фаз между напряжением и током в точности равен 90 градусам (угол α), вследствие чего мощность потерь в соответствии с формулой (5) равна нулю. В случае реального диэлектрика ток отклоняется от перпендикулярного направления на некоторый угол d. Векторная диаграмма тока и напряжения в этом случае приведена на рис. 3.9.

Вектор тока можно разложить на две составляющие:

I_a – активную, параллельную вектору напряжения, и

I_p – реактивную, перпендику­лярную вектору напряжения.

Тогда по диаграмме

I× cos α= I_a=I× sind = I_р× tgd,

или, подставляя в (8), получим

W=U× I_р× tgd,      (6)

т.е. величина мощности потерь пропорциональна множителю tgd.

 Поэтому для количественной оценки величины диэлектрических потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь, который характеризует свойства материала.

 

Величина напряжения (U), частоты тока (w) и емкость конденсатора (С) определяют реактивную составляющую тока:

I_p=U´wґC.                                        (7)

В свою очередь, емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости e  материала (6)

С=e × С_о ,

где С_о – емкость конденсатора без диэлектрика.

Откуда

W=U× w× C_о× e tgd.                            (8)

 

В приведенной формуле величины напряжения, круговая частота и С_о не зависят от свойств среды, а диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь определяются материалом диэлектрика. Их произведение называют коэффициентом диэлектрических потерь k_d.

 

k_d = e × tgd,                                         (9)

от него зависит мощность электрических потерь, подставляя в (8), получим

 

W=U× w× C_о×  k_d.                                 (10)

Величины тангенс угла потерьtgd и коэффициент диэлектрических потерь k_d характеризуют свойства материала. Чем они больше, тем больше электрические потери и тем больше нагрев диэлектрика.