 |
1.4 Электронно-релаксационная поляризация
|
|
|
|
1. 4 Электронно-релаксационная поляризация
Электронно-релаксационная поляризация отличается от электронной и ионной поляризаций и возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или " дырок".
Электронно-релаксационная поляризация характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления света 
, большим внутренним полем и электронной электропроводностью. Например: диоксид титана, загрязненный примесями 
(ниобий), 
(кальций), 
(барий); некоторые соединения на основе оксидов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута.
При электронно-релаксационной поляризации может иметь место более высокое значение диэлектрическая проницаемость 
, по сравнению с чисто электронной поляризацией, а также наличие максимума в температурной зависимости .
1. 5 Ионно-релаксационная поляризация
Наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллах неорганических веществ с неплотной упаковкой ионов. В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотического теплового движения смещаются (ориентируются) в направлении поля.
После снятия электрического поля ионно-релаксационная поляризация постепенно ослабевает по экспоненциальному закону: с повышением температуры диэлектрическая проницаемость увеличивается подобно как и для материалов с плотной упаковкой ионов. В частотной зависимости может наблюдаться максимум.
1. 6 Миграционная поляризация
Миграционная поляризация рассматривается как дополнительный механизм поляризации, проявляющийся в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Она проявляется на низких частотах, и связана со значительным рассеиванием электрической энергии. Причинами такой поляризации является проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, содержащих несколько слоев с разной проводимостью.
|
|
|
При внесении неоднородного диэлектрика в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, образуя большие поляризованные области.
В слоистых материалах на границе раздела слоев и в приэлектродных слоях может происходить накопление зарядов медленно движущихся ионов.
Все это усиливает поляризацию, но и создает дополнительные потери.
1. 7 Спонтанная поляризация (самопроизвольная)
Спонтанная поляризация существует у сегнетоэлектриков, которые обладают следующей особенностью. При отсутствии внешнего поля в них имеются области (микрообъемы), называемые доменами, обладающие собственным элементарным электрическим моментом. До наложения внешнего электрического поля ориентация этих моментов хаотичная, поэтому результирующий электрический момент равен нулю.
При наложении электрического поля ситуация существенно изменяется. В этом случае начинается преимущественная ориентация элементарных электрических моментов в каждом из доменов по направлению действующего поля, электрическая индукция 
и 
увеличивается. Однако, при некотором значении напряженности электрического поля 
может произойти насыщение, т. е. элементарные электрические моменты в каждом из доменов принимают направление действующего электрического поля, дальнейший рост электрической индукции прекращается и она достигает 
, а диэлектрическая проницаемость с этого момента начинает уменьшаться (см. рис. 1. 8).
|
|
|
Рисунок 1. 8 – Зависимость и от напряженности электрического поля для сегнетоэлектриков
Зависимость 
для сегнетоэлектриков используется в создании варикондов, т. е. специальных конденсаторов, величина электрической емкости которых зависит от величины приложенного напряжения.
В температурной зависимости может наблюдается один или несколько максимумов. Для них характерно наличие точки Кюри (см. рис. 1. 9).
Рисунок 1. 9 – Температурная зависимость для сегнетоэлектриков
При подходе к температуре, соответствующей точки Кюри, по мере нагрева материала в нем происходит перестроение кристаллической структуры и это усиливает поляризацию. Однако постепенно усиливается тепловое хаотическое движение. При достижении температуры, соответствующей точки Кюри, преобладающим фактором является тепловое хаотическое движение. Оно разрушает поляризацию и диэлектрическая проницаемость резко уменьшается.
Это явление используется в создании специальных терморезисторов с положительным температурным коэффициентом сопротивления, которые называются позисторами. Температурная зависимость электрического сопротивления 
позисторов приближается к релейной, т. е. при достижении температуры срабатывания их величина электрического сопротивления увеличивается на несколько порядков, что может быть использовано для самоограничения тока в электрической цепи (см. рис. 1. 10).
Рисунок 1. 10 – Температурная зависимость электрического сопротивления терморезисторов-позисторов на базе сегнетоэлектриков
Эти позисторы могут быть использованы в качестве датчиков температуры для защиты электрических машин, аппаратов и др. от чрезмерного перегрева, а также могут быть использованы в качестве специальных нагревательных элементов с эффектом самоограничения тока при достижении температуры срабатывания.
Для сегнетоэлектриков характерно явление гистерезиса, учитывая нелинейную зависимость D(E). Петля гистерезиса и характерные точки на ней показаны на рис. 1. 11.
 |
Рисунок 1. 11 – Петля гистерезиса и характерные точки на ней, полученная при воздействии на сегнетоэлектрик переменного электрического поля
|
|
|
– максимальное значение электрической индукции (условно со знаком " +" ) и соответствующее ей максимальное значение напряженности электрического поля 
;
– остаточная электрическая индукция при напряженности электрического поля 
;
– коэрцитивная сила или значение напряженности электрического поля противоположного направления, необходимого для уменьшения остаточной электрической индукции до нуля.
В виду наличия гистерезиса для сегнетоэлектриков характерны большие потери при работе их в переменных полях. Диэлектрические потери, с учетом масштабных коэффициентов, пропорциональны площади петли гистерезиса.
Сегнетоэлектрики относятся к активным диэлектрикам, состоянием которых можно управлять электрическим полем.
Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков
Как известно жидкие диэлектрики жидкие диэлектрики могут состоять из нейтральных молекул, т. е. неполярных молекул, или из дипольных (полярных) молекул. В соответствии с этим они по-разному будут реагировать на наложение электрического поля.
К нейтральным жидкостям относятся все нефтяные масла: трансформаторное масло, кабельное масло, конденсаторное масло, а также бензол, толуол и др.
Величина для нейтральных жидкостей определяется наличием только электронной поляризации, а значит 
и не превышает значения 2, 5. Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, т. к. с повышением температуры происходит тепловое расширение, и число частиц в единице объема уменьшается. Наиболее резкое изменение происходит на границе фазового перехода вещества из жидкого в газообразное состояние.
Диэлектрическая проницаемость неполярных жидких диэлектриков практически не зависит от частоты 
изменения электрического поля, т. к. время установления электронной поляризации очень мало (см. рис. 1. 12).
Рисунок 1. 12 – Зависимость для нейтральных жидких диэлектриков от частоты изменения электрического поля
К полярным жидкостям относятся хлорированные дифенилы, савол, этиловый спирт и др. Они обладают электронной и дипольно-релаксационной поляризациями.
|
|
|
Диэлектрическая проницаемость тем больше, чем больше степень полярности молекул, которая оценивается величиной дипольного момента.
Диэлектрическая проницаемость зависит от количества вещества в единице объема, т. е. существенно зависит от температуры (см. рис. 1. 6).
В температурной зависимости наблюдается максимум при определенной температуре. Условие максимума диэлектрической проницаемости следующее: время релаксации 
должно быть равно времени полупериода действующего электрического поля: 
.
Время релаксации – внутренний параметр данного диэлектрика и зависит от вязкости среды. С повышением температуры вязкость среды уменьшается и время релаксации также уменьшается.
Частотная зависимость имеет такой же вид, как и для дипольно-релаксационной поляризации (см. рис. 1. 7). С увеличением частоты в начале диполи успевают следовать за изменением поля, а при достижении граничной частоты, диполи уже не успевают за изменением поля. При этом величина диэлектрической проницаемости уменьшается до значения, обусловленного чисто электронной поляризацией.
С повышением температуры исходная величина диэлектрической проницаемости уменьшается, т. к. плотность среды становится меньше и раздвигается частотный диапазон, т. е. граничная частота становится больше.
|
|
|
