Электропроводность диэлектриков

ЛЕКЦИЯ №2

Поляризация диэлектриков.

Классификация диэлектрических материалов.

Поляризация диэлектриков.

Физическая сущность поляризации диэлектриков. Виды поляризации.

Классификация диэлектриков по видам поляризации.

Электропроводность газообразных, жидких и твёрдых диэлектриков. Электропроводность поверхностная и объемная. Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости. Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков.

Смещение электрических зарядов вещества под действием элек­трического поля называется поляризацией. Способность к поляриза­ции является основным свойством диэлектриков.

Поляризация под воздействием электрического поля - мгновенная, вполне упругая (без выделения тепла). Сюда относятся:

Электронная поляризация, представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Это взаимное смещение электронов и ионов внутри атома.

Свойства:

1. Электронная поляризация зависит от T o К (т.к. при нагреве тела расширяются, падает концентрация зарядов);

2. Электронная поляризация не зависит от частоты (т.к. смещение зарядов происходит за t_n=10^-15 с, поэтому запаздывания поляризации по отношению к изменению электрического поля не наблюдается).

3. Электронная поляризация происходит без потерь энергии (как бы упругая деформация), в диэлектрике имеется только емкостная составляющая тока.

Электронная поляризация уменьшается повышением температуры, так как изменяется плотность вещества. Наблюдается у всех видов диэлектриков;

Ионная поляризация характерна для твёрдых тел с ионным строением, обусловлена смещением упруго связанных ионов. Ионная поляризация - это смещение ионов в пределах кристаллической решетки. Наблюдается в твердых телах с ионной кристаллической решеткой. Смещение токов происходит по малым расстояниям за счет упругой деформации решетки.

Свойства ионной поляризации

o TK e при ионной поляризации положителен, т.к. связи между ионами ослабевают с ростом температуры, что облегчает их смещение в электрическом поле;

o не зависит от частоты, т.к. t_n=10^-13 сек;

происходит без потерь. С повышением температуры она усиливается, так как увеличивается расстояние между ионами.

Релаксационная поляризация. Релаксационная, (не мгновенная или замедленная) поляризация - убывает и нарастает замедленно. Сопровождается выделением энергии (тепла). Время релаксации – это промежуток времени, в течении которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия теплового движения в 2,7 раза от первоначального значения, т.е. система из неравновесного состояния приближается к равновесному. Время релаксации сильно зависит от температуры. Чем выше температура, тем меньше силы молекулярного сопротивления повороту диполей в вязкой среде, тем меньше время релаксации. К этому виду относятся:

2. а) Дипольно-релаксационная поляризация (дипольная). Во многих веществах молекулы обладают дипольным моментом в отсутствие электрического поля, но сориентированы моменты хаотично и сумма моментов диполя = 0.

Связана с тепловым движением частиц. При действии поля молекулы стараются ориентировать в направлении поля, как показано на рис.1.3. Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не препятствуют молекулам ориентироваться вдоль поля. При повышении температуры дипольная поляризация сначала увеличивается из-за ослабления молекулярных связей, а когда движение становится более интенсивным, дипольная поляризация падает. Из-за необходимости преодоления некоторого сопротивления дипольная поляризация связана с дополнительными потерями энергии. Дипольная поляризация характерна для полярных газов и жидкостей, иногда может наблюдаться и в полярных органических диэлектриках. Свойства дипольной поляризации:

o дипольная поляризация зависит от температуры (из-за тепловой подвижности молекул);

o сильно зависит от частоты, т.к. диполи имеют определенную инерцию;

o на дипольную поляризацию затрачивается энергия.

б) Ионно-релаксационная поляризация. Наблюдается в неорганических стёклах, а также в кристаллических веществах с неплотной упаковкой ионов. Возникает тогда, когда слабосвязанные ионы вещества под действием электрического поля смещаются в направлении поля. При повышение температуры поляризация резко увеличивается.

в) Электронно-релаксационная поляризация. Возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных электронов или дырок. Характерно для диэлектриков, обладающих большим внутренним полем, большой электропроводностью, высоким показателем преломления.

г) Миграционная поляризация. Проявляется в твёрдых телах неоднородной структуры при наличии примесей. Возникает при низких частотах и связана со значительным рассеиванием энергии. Причина возникновения – наличие проводящих и полупроводящих каналов, а также слоёв, имеющих различную проводимость. При внесении неоднородного материала в электрическое поле свободные электроны проводящих и полупроводящих примесей перемещаются в пределах каждого включения, образуя при этом большие области поляризации.

Спонтанная поляризация. Спонтанная или самопроизвольная поляризация характерна для сегнетоэлектриков. В отсутствии электрического поля в сегнетоэлектриках наблюдаются самопроизвольные смещения частиц (ионов), которое приводит к несовпадению центров положительного и отрицательного зарядов в объёме диэлектрика, то есть возникновению поляризации. В результате в диэлектрике образуются области – домены, в каждом домене частицы, обуславливающие поляризацию, смещены в одном направление.

Остаточная поляризация. Характерна для веществ, называемых электретами. Эти вещества способны сохранять поляризованное состояние и при снятии электрического поля.

Высоковольтная поляризация характеризуется очень высокими временами установления (несколько часов) и созданием в диэлектрике сильных локальных зарядов и против - ЭДС диэлектрика. Это поляризация не проявляется на высоких частотах и при повышенных температурах.