Зависимость поляризации от напряжения

Зависимость поляризации от напряжения

В зависимости от того, выделяется в процессе поляризации в диэлектрике теплота или нет, она может быть двух видов: упругая и релаксационная.

Упругая поляризация протекает практически мгновенно под действием электрического поля и не сопровождается рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике, т.е. теплота в нем не выделяется.

Релаксационная поляризация нарастает и убывает в течение некоторого промежутка времени и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием.

Существует несколько основных механизмов поляризации: электронная, ионная, дипольная, миграционная и др.

Электронная поляризация – это упругое смещение и деформация электронных орбит относительно положительно заряженного ядра (рисунок 4.4). При этом образуются упругие диполи – пары связанных друг с другом электрических зарядов (смещенные электроны и положительные заряды ядер атомов). Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации, и не связана с потерями энергии до резонансных частот.

Рисунок 4.4 – Механизм электронной поляризации

Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля – порядка 10 -15 –10 -14 с, что сравнимо с периодом световых колебаний и позволяет считать ее мгновенной. Поэтому этот механизм поляризации проявляется на всех частотах, вплоть до оптических (10 14 –10 16 Гц). Если с диэлектрика снято напряжение, электронная поляризация исчезает.

Значение относительной диэлектрической проницаемости ε вещества с чисто электронной поляризацией численно равно квадрату показателя преломления света, т.е. равенство (4.15) выполняется строго. Поляризуемость частицы α в этом случае не зависит от температуры, а ε уменьшается с повышением температуры из-за теплового расширения диэлектрика и уменьшения числа частиц в единице объема.

При увеличении размера атома электронная поляризуемость увеличивается, т.к. при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки, но и возрастает заряд ядра.

Ионная поляризация – это смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в твердых веществах с ионными связями, например, в ионных кристаллах типа NaCl (рисунок 4.5).

В отсутствии внешнего поля расстояние между положительным и отрицательным зарядом составляет r₀; под действием поля они раздвигаются на некоторое расстояние х (оно всегда меньше периода решетки) в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях (положительные ионы смещаются в направлении поля, а отрицательные – в противоположном). Вследствие этого ячейка приобретает индуцированный электрический момент
Р_И = q*x. Ионная поляризация также устанавливается за очень короткое время, но все же большее, чем электронная: порядка 10 -14 -10 -13 с.

Рисунок 4.5 – Механизм ионной поляризации на примере элементарной ячейки кристалла NaCl

Ионная поляризация сильнее проявляется у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т.е. являются многовалентными, например, Ti 4+ , Pb 2+ и др. По этой же причине она возрастает с повышением температуры диэлектрика, т.к. расстояния между ионами вследствие теплового расширения увеличиваются.

Дипольная, или дипольно-релаксационная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Сущность этого вида поляризации заключается в повороте (ориентации) в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент (рисунок 4.6). Более строго дипольную поляризацию можно объяснить не как непосредственный поворот полярных молекул под действием внешнего поля, а как внесение этим полем некоторой упорядоченности в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения. Таким образом, дипольная поляризация по своей природе связана с тепловыми движениями молекул, и на нее существенное влияние оказывает температура.

С увеличением температуры молекулярные силы, препятствующие ориентации диполей относительно поля, ослабевают, и поляризация усиливается. Однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля, и после некоторого максимума относительная диэлектрическая проницаемость снова начинает уменьшаться
(а следовательно, уменьшается и степень поляризации).

Рисунок 4.6 – Механизм дипольной поляризации

Дипольная поляризация в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и аморфных вязких веществах; в кристаллах (при температурах ниже точки плавления) диполи молекул обычно «заморожены», т.е. закреплены на своих местах и не могут ориентироваться. Однако дипольная поляризация все же наблюдается в некоторых кристаллических телах с неплотной упаковкой молекул, например, в водяном льду и других кристаллах с водородными связями, где переориентация диполя заключается в перескоке протона из одного положения в другое. В полимерах может иметь место поворот (или переброс) не целых молекул, а отдельных их частей (сегментов). Поскольку в этом случае происходит поворот имеющихся в молекуле полярных радикалов по отношению к самой молекуле, такая поляризация называется также дипольно-радикальной.

Процесс установления дипольной поляризации, после включения диэлектрика под напряжение (или процесс ее ликвидации после снятия напряжения), требует относительно большого по сравнению с практически безынерционными явлениями электронной и ионной поляризации времени. Поляризованность Р_Д дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

(4.23)

где τ – время релаксации дипольной поляризации.

Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия теплового движения в 2,7 (е) раза от первоначального значения, т.е. система из неравновесного состояния приближается к равновесному.

Если период приложенного переменного напряжения меньше τ, то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем и дипольная поляризация не дает вклада в поляризованность диэлектрика. Поскольку τ обычно имеет порядок 10 -10 -10 -6 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах ниже 10 6 -10 10 Гц. При понижении температуры τ сильно возрастает из-за увеличения сил молекулярного взаимодействия.

Миграционная поляризация является дополнительным механизмом поляризации и наблюдается в неоднородных диэлектриках с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накоплении объемных зарядов на границах раздела (рисунок 4.7). Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь на весьма низких частотах. Она связана со значительным рассеянием энергии в диэлектрике.

Рисунок 4.7 – Механизм миграционной поляризации

В зависимости от того, какой механизм поляризации превалирует в диэлектрике, они делятся на три группы:

• неполярные диэлектрики, к которым относятся газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, обладающие в основном электронной поляризацией (водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.);
• полярные (дипольные) диэлектрики – это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации (нитробензол, кремнийорганические соединения, феноло-формальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, хлорированные углеводороды, капрон и др.);
• ионные соединения, к которым относятся твердые неорганические диэлектрики с ионной и электронной поляризацией (кристаллы с плотной упаковкой ионов, например, кварц, слюда, корунд, и материалы с неплотной упаковкой ионов, такие как неорганические стекла, керамика и т.п.).

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник

14. Зависимость поляризованности р и диэлектрической проницаемости ε от напряженности электрического поля е сегнетоэлектриков. Петля диэлектрического гистерезиса.

В результате спонтанной поляризации в ионных и дипольных сегнетоэлектриках элементарные ячейки с одинаково направлен­ными электрическими моментами образуют небольшие объемы, называемые доменами. Следовательно, домен — это совокупность элементарных ячеек, имеющих общий вектор спонтанной поляризованности Рс (Рс = ∑po). Векторы Рс отдельных доменов имеют раз­личную направленность, поэтому суммарная поляризованность (или просто поляризация) Р всего образца сегнетоэлектрика равна нулю (Р = 0). Если монокристаллический образец поместить в электриче­ское поле и повышать его напряженность, то векторы дипольных моментов отдельных доменов начнут ориентироваться в направле­нии силовых линий поля, и тем в большем количестве, чем больше будет напряженность электрического поля; поляризованность Р об­разца начнет возрастать. Когда векторы поляризованности всех до­менов сориентируются по полю, наступит состояние технического насыщения и весь монокристалл станет однодоменным; при этом Р будет равна Ри а Е= Еи диэлектрическая проницаемость примет максимальное значение. Если теперь поменять полярность электри­ческого поля, то произойдет переполяризация — изменится направ­ление вектора Рс на противоположное. Техническое насыщение Ри нужно отличать от спонтанной поляризованности Рс, которая всегда присутствует в доменах. Величину Ек удобнее измерять, используя предельную петлю диэлектрического гистерезиса (см. ниже).

Изменение знака спонтанной поляризации под действием элек­трического поля — важная особенность сегнетоэлектриков.

Зависимость поляризованности Р и диэлектрической проницае­мости ε от напряженности электрического поля Е имеет сложный вид (рис. 7.3). С увеличением напряженности поля ε изменяется от начального значения εн до максимального εм (при Е = Емакс) и далее уменьшается, приближаясь к значению εн в области сильных полей. Весь процесс изменения Р и ε от Е можно разбить на три участка (см. рис. 7.3).

Участок I — область слабых электрических полей с напряженно­стью Е меньшей коэрцитивной силы Ес. На этом участке поляриза­ция осуществляется за счет обратимого смещения стенок доменов. Зависимость Р от Е линейная, ε от Е практически не зависит, т.е. сегнетоэлектрик ведет себя аналогично обычному диэлектрику.

Участок II — область приближения Е к Ес характеризуется поля­ризацией образца путем необратимого смещения стенок доменов. Значения Р и в на этом участке максимально зависят от Е. Неболь­шие изменения напряженности электрического поля приводят к рез­кому изменению поляризованности и диэлектрической проницаемо­сти и при Eмакс ε = εм. Этот участок характеризуется коэффициентом эффективной нелинейности Кэф

С увеличением частоты Кэф уменьшается. Наибольшее значение он имеет при низких частотах. При высоких частотах, когда полупе­риод приложенного напряжения становится меньше времени пере­поляризации доменов, Кэф существенно уменьшается. Коэффициент Кэф является важной характеристикой сегнетоэлектриков, используе­мых в варикондах, диэлектрических усилителях, стабилизаторах пе­ременного напряжения и т.п. Например, вариконды работают на участке II ε(Е), когда Кэф максимален. В зависимости от природы материала Кэф изменяется от 1 до 50 (табл. 7.5).

Таблица 7.5 Свойства сегнетокерамики для варикондов

Материалы Tk,°С εн Кэф Емакс, кВ/м tgδ

ВК-1 75±10 2000 6-8 150-200 0,02

ВК-2 75+10 2000 15-20 120-150 0,01

ВК-3 25+10 10000 1-2 50-100 0,03

ВК-4 105±10 1800 10-16 250-300 0,015

ВК-5 75+10 2000 35-50 80-100 0,01

ВК-6 200 400 20-50 500-600 0,03

На участке III, в самом его конце, поляризация образца практически заканчивается полностью, при этом поляризованность достигает технического насыщения Рн, а гистерезисная петля становится предельной петлей диэлектрического гистерезиса. Если на этом участке снять внешнее электрическое поле (Е = 0), образец сохра­нит остаточную поляризованность Ро (рис. 7.4).

Остаточная поляризованность Ро всегда меньше спонтанной по­ляризованности Рс, так как после снятия напряжения образец сегнетоэлектрика частично деполяризуется. У монодоменного образца Ро = Рс. Отношение Ро к Рн является коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса Кппг

Рис. 7.4. Предельная петля диэ-

и диэлектрической проницаемости е лектрического гистерезиса сегне-

сегнетоэлектрика от напряженности тоэлектрика электрического поля Е

Коэффициент Кппг является важной характеристикой сегнетоэлектриков с ППГ, которые можно использовать в запоминающих устройствах (ЗУ) ЭВМ (твердотельного интегрального исполнения). Значение Кппг у этих сегнетоэлектриков должно быть больше 0,9.

На участке III диэлектрическая проницаемость снижается, так как увеличивается Е:

С дальнейшим ростом напряженности поля Р образца слегка возрастает (см. рис. 7.4, отрезок ВС) за счет обычных видов поляри­зации (электронной, ионной, дипольной), а ε продолжает снижать­ся, приближаясь к значению εн в области сильных электрических полей.

При циклическом изменении электрического поля зависимость поляризованности от напряженности поля примет вид петли гисте­резиса (см. рис. 7.4), аналогичной для ферромагнетиков. Из предель­ной петли диэлектрического гистерезиса можно определить остаточную поляризованность Ро (при Е = 0), коэрцитивную силу Ес и другие характеристики. Величины Рн и Еп являются соответственно значениями поляризованностью и напряженностью поля, указываю­щими начало участка насыщения (отрезок ВС) предельной петли ди­электрического гистерезиса. Экстраполяция отрезка ВС до пересече­ния с осью Р дает величину, приближенно равную спонтанной поляризации Рс. По значению коэрцитивной силы Ес сегнетоэлектрические материалы подразделяют на сегнетомягкие (Ес 11 / 40 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая > >>

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник