Изучаем явление поляризации диэлектриков
Содержание
В любом веществе всегда присутствуют связанные электрозаряды. Это могут быть атомные ядра, электроны или ионы. Когда на эти частицы начинает действовать внешнее электрическое поле, они лишаются своих равновесных состояний и начинают перемещаться в разных направлениях, в зависимости от своего знака заряда. В результате в каждом элементарном объеме диэлектрика появляется индуцированный электрический момент. Образование такого момента называется поляризацией диэлектрика. Данное явление связано с особенностями строения материалов. В зависимости от типа вещества может наблюдаться тот или иной механизм.
Различие веществ относительно реакции на электрическое поле
Относительно воздействия электрического поля выделяют несколько типов веществ:
- проводники;
- полупроводники;
- сверхпроводники;
- диэлектрики.
Проводники позволяют зарядам перемещаться, соответственно по ним, при появлении разности напряжений течет ток. К таким материалам относят различные металлы (медь, серебро), а также некоторые другие вещества (электролиты, графит).
Свойства полупроводников зависят не только от электрического воздействия, но также и от других условий, например, от температуры или освещения. В зависимости от ширины запрещенной зоны, полупроводники делят на широкозонные и узкозонные.
Характеристики сверхпроводников в первую очередь зависят от температуры. Если она невысокая, то они практически не препятствуют перемещению зарядов.
Диэлектриками называют материалы с запрещенной зоной не менее 3эВ. Соответственно они практически не проводят электрический ток и могут служить изоляторами. Материя при этом может быть в газообразном, жидком или твердом состоянии. Выделяют такие типы диэлектриков:
- полярные;
- неполярные.
К полярным относятся материалы, молекулы которых отличаются несимметричным строением и даже при отсутствии внешнего электрического поля представляют собой диполи с определенным электрическим моментом. При поляризации полярных диэлектриков происходит переориентация молекул в электрическом поле. Полярными веществами являются сегнетоэлектрики, керамика, большинство полимеров.
Неполярные материалы не содержат электрических диполей. В диэлектриках такого типа молекулы являются симметричными, а сумма их электрических моментов равняется нулю. К ним относятся двухатомные газы, поваренная соль, некоторые полимеры (полистирол, полиэтилен).
Что такое поляризация
В электрическом поле любой заряд подвергается воздействию сил. Это приводит к тому, что частицы стремятся сдвинуться в направлении вектора напряженности Е (если заряд положительный) или в противоположную сторону (если заряд отрицательный). Поскольку носителями являются частицы, из которых состоят атомы, то свойства материалов зависят от связей внутри атомов и молекул.
У проводников существуют заряды, которые могут перемещаться. Поэтому под действием электрического поля по ним протекает электрический ток. Когда происходит поляризация типичных проводников, такие частицы скапливаются на границах сред. Внутри диэлектриков несвязанных зарядов нет. Частицы удерживаются атомами или молекулами, поэтому двигаться свободно не могут. Под действием электрического тока молекулы смещаются или разворачиваются.
В диэлектриках положительные и отрицательные заряды подвергаются силам, стремящимся растащить их. Таким образом «+» сдвигаются в сторону, куда направлено поле, а «–» — в противоположную. В однородных веществах частицы с положительным и отрицательным зарядом взаимно компенсируются. На поверхности диэлектрика возникает нескомпенсированный заряд.
Основные физические определения
В физике используют несколько понятий, которые помогают вычислить состояние разных параметров поля и среды.
- Диполь
Для удобства внутри вещества выделяют диполи. Ими называют систему из связанных между собой отрицательного и положительного зарядов. Причем заряды по величине в идеальном диполе считаются равными.
Любой такой элемент характеризуется дипольным моментом:
Момент в диполе зависит от заряда частиц и расстояния между ними. Это векторная величина, которая измеряется в Кл*м. Направление дипольного момента можно определить, проведя прямую от отрицательного полюса к положительному.
- Вектор поляризации
Чтобы учесть изменение, которое претерпит поле в среде, используют вектор поляризации. Эта величина учитывает дипольные моменты:
Единицей измерения служит кулон, деленный на метр в квадрате. Эта векторная величина связана с напряженностью электрического поля. Ее можно выразить через диэлектрическую восприимчивость:
Эта формула применяется в СИ. В ней учтена электрическая постоянная ε0, которой не будет при переходе к СГС. Чтобы рассмотреть поле в веществе, также применяют вектор электрической индукции D. Он позволяет узнать результирующую силу, которой подвергнется заряженная частица в поле, созданном суммой внешнего и того, что состоит из дипольных моментов:
- Диэлектрическая проницаемость
Не любая среда способна к поляризации. Соответственно можно понять, как материал будет реагировать на воздействие поля. Например, вакуум обладает нулевой восприимчивостью, поскольку молекул в нем нет. Для воздуха и многих газов этот показатель около 1 в нормальных условиях. Вода при температуре 20 градусов обладает восприимчивостью 80, а эта же характеристика для сегнетоэлектриков может превышать 1000. Рассматриваемая величина может быть константой или тензором. А также, если поле не стационарно, она уменьшается, что особенно заметно на высоких частотах.
Диэлектрическая проницаемость учитывается при создании конденсаторов. Если брать материал с высокой восприимчивостью к полю, то можно получить элемент большей емкости, не меняя его размеров.
Поляризация зависит не только от физических свойств вещества, но и от параметров внешнего электрополя. Максимальной степени поляризованности диэлектрик достигает в электростатическом поле.
Модели поляризации
В зависимости от внутренней структуры поле будет воздействовать на вещество по-разному. Поэтому выделяют такие основные виды поляризации диэлектриков:
- Электронная поляризация. Происходит за счет того, что любой атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Под воздействием электрического поля орбитали деформируются, а также немного смещаются в пространстве относительно ядра. Поляризация диэлектриков этого вида быстро появляется под внешним воздействием, но также мгновенно исчезает, если поле убрать. Время, за которое проходит такой процесс, можно оценить в 10-15 с.
Электронная поляризация
- Ионная поляризация. Она характерна для кристаллических структур. Например, такой эффект наблюдается у NaCl, где решетка состоит из положительно заряженных узлов Na и отрицательно заряженных Cl. Расстояние между атомами меняется, но ион не сдвигается на величину больше, чем расстояние между узлами кристаллической решетки.
Ионная поляризация
- Дипольная поляризация или ориентационная. Наблюдается у материалов, где существуют молекулы, которые можно рассматривать в качестве диполей. Без внешнего поля они внутри вещества ориентированы по-разному, но с появлением внешней силы начинают разворачиваться. Ориентационная поляризация зависит от сил трения и внутренней энергии, которая может препятствовать выстраиванию молекул в определенном порядке.
Дипольная поляризация
Рассматривая явление поляризации диэлектрика, следует учитывать и геометрию соединений. В неполярном диэлектрике молекулы ориентированы таким образом, что центры положительного и отрицательного зарядов совпадают. Поляризация неполярных диэлектриков приводит к тому, что центры смещаются и молекулы становятся диполями. В то время поляризация полярных диэлектриков такой процесс не провоцирует, поскольку молекулы в них и без внешнего поля являются диполями.
Поляризация диэлектриков включает и такие виды, как:
- Миграционная. Наблюдается в композитных средах. В этом случае каждый материал накапливает заряды на границе. Процесс протекает медленно, в некоторых случаях миграционная поляризация диэлектрика может занять часы.
Миграционная поляризация
- Спонтанная. Механизм такой поляризации наблюдается у пироэлектриков, в частности сегнетоэлектриков. Внутри вещества возникают домены, где направление дипольного момента совпадает. При поляризации сегнетоэлектриков можно управлять этим состоянием, прикладывая электрическое поле.
Спонтанная поляризация
Для большинства диэлектриков характерно линейное электрическое смещение, то есть, их поляризация прямо зависит от напряженности внутреннего поля. Но существуют вещества, в которых зависимость поля смещения от напряженности меняется нелинейно. Такие диэлектрики были названы сегнетоэлектриками. Данное наименование появилось в связи с тем, что нелинейность поляризации была впервые обнаружена у сегнетовой соли.
При отсутствии внешнего поля моменты отдельных доменов в диэлектриках направлены беспорядочно, но они взаимно уравновешиваются. При действии электротока происходит ориентация диполей в направлении вектора напряженности. При этом резко увеличивается интенсивность поляризации, а также диэлектрическая проницаемость. У сегнетоэлектриков данный процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряженность электрополя не достигнет определенного значения. После этого наступит насыщение. Дальнейшее увеличение напряженности уже не способствует росту поляризации, прекращается также рост проницаемости. Процесс самопроизвольной поляризации связан с затратой энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Загрузка...
