Электронная теория поляризации диэлектриков — справочник студента

• Проведя
  аналогичные рассуждения для поворота сферы относительно других осей, получим
•           
• Из первого соотношения можно записать

Следовательно, локальное поле Лорентца для неполярных
диэлектриков с правильной кубической решеткой.

Аналогично – для неполярных жидких и аморфных тел, где
молекулы расположены хаотически.

В этом случае суммирование заменяется усреднением

Уравнение Клаузиуса
– Мосотти

Уравнение (1) устанавливает связь между локальным и внешним
полем.

Подставим (2) в (1):

Уравнение (3) показывает, что напряженность локального
поля зависит от материала диэлектрика.

С
учетом выражения (2), получим уравнение Клаузиуса – Мосотти:

Уравнение Клаузиуса – Мосотти справедливо только для
неполярных диэлектриков (т. е. учитывает только электронную поляризацию).
Позволяет устанавливать связь между макроскопическим параметром,
характеризующим диэлектрик как непрерывное тело, а именно диэлектрической
проницаемостью e и его микроскопическими параметрами: концентрацией
молекул N и поляризуемостью молекул a.

1. Для инженерных расчетов уравнение (4) можно
   использовать в модифицированном виде:
2. где M – молярная масса вещества;
3. r – плотность вещества.
4. Так как, по определению, NM/r – число Авогадро NA, то
5. где
    – молярная поляризация.
6. Установлено, что для всех неполярных диэлектриков e » n2, где n – коэффициент преломления электромагнитных волн в
   диэлектрике (ф-ла Лорентц-Лоренца)
7. или
8. гле
    – молярная рефракция.
9. Полярные диэлектрики.
10. Теория Дебая.
11. Первая теория поляризации полярных диэлектриков была
    предложена Дебаем. В ее основе – предположение о справедливости для полярных
    диэлектриков формулы
12. , 
                                                          (*)
13. полученной для неполярных диэлектриков, или для оптических
    частот
14. Напишем два выражения для вектора поляризации
15. В качестве поля, действующего
    на молекулу подставим (*) . Тогда
16. Поляризуемость в постоянном поле можно заменить на
    оптическую поляризуемость, выраженную из ф-лы Лорентц-Лоренца
17. Из двух последних формул получаем
18. Окончательно ф-ла Дебая имеет вид

Хорошее соответствие эксперименту дает только для . Например, для воды измеренное для паров
значение момента Д, а по ф-ле Дебая Д.

•  Теория
  Онзагера
• Уточнение теории Дебая.

Поле, действующее на молекулу, представляется в виде поля
сферической полости, вырезанной вокруг молекулы, и т.н. реактивного поля

1. Поле внутри полости однородное, больше, чем в диэлектрике, и
   сонаправлено с ним

Источник: https://vunivere.ru/work21955/page3

3.3. Поляризация диэлектриков

Здесь — вектор дипольного момента одной молекулы, суммирование ведётся по всем молекулам, находящимся внутри физически бесконечно малого объема   . Например, рассмотрим однородно поляризованный шар (рис. 3.17). 

Рис. 3.17. Поляризованность и электрическое поле однородно поляризованного шара 

При поляризации неполярного диэлектрика электронная оболочка атома или молекулы деформируется — электроны смещаются против поляризующего поля, ядра смещаются по полю.

Возникает некоторое расстояние между ранее (в отсутствие поляризующего поля) совпадавшими центрами положительных и отрицательных зарядов.

В результате атом или молекула приобретают некоторый наведенный дипольный момент. 

Более или менее очевидно, что наведенный дипольный момент будет пропорционален величине внешнего электрического поля. Понять это можно, рассматривая поведение потенциальной энергии П(x) взаимодействия двух частиц, где х — расстояние между ними.

Пусть равновесному состоянию соответствует расстояние (частицы находятся в одной точке и дипольный момент отсутствует).

При малых отклонениях от положения равновесия в разложении потенциальной энергии в ряд Тейлора можно ограничиться несколькими первыми членами

Соответственно, при отклонении от этого положения возникает сила

• подобная силе упругости при растяжении пружины. Если заряды в молекуле «соединены» такой «пружиной», то при наложении поля Е новое равновесное расстояние между частицами будет определяться соотношением
• В результате находим величину возникшего под действием поля дипольного момента

Умножая наведенный дипольный момент на концентрацию поляризованных молекул N/V (N — их полное число в объеме V), получаем поляризованность диэлектрика

(3.16)

1. Если записать поляризованность (3.16) в виде
2. где константа (для данного вещества)  по определению есть диэлектрическая восприимчивость вещества, то для , то в рамках данной модели диэлектрическую восприимчивость можно вычислить по нижеследующей формуле

Векторы собственных дипольных моментов отдельных молекул в обычном состоянии из-за теплового движения ориентированы хаотически. Поэтому при отсутствии внешнего электрического поля средний суммарный дипольный момент любого физически бесконечно малого объема диэлектрика равен нулю. Другими словами, диэлектрик не поляризован: его поляризованность  равна нулю.

Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекул параллельно вектору , а тепловое движение этому препятствует, диэлектрик поляризуется, при этом его поляризованность должна зависеть от температуры, а именно: с ростом температуры она должна убывать. Ниже эта зависимость вычисляется, также будет показано, что и в случае полярных диэлектриков их поляризованность пропорциональна напряженности поляризующего поля. Такая поляризация называется ориентационной (рис. 3.18). 

Рис. 3.18. Ориентационная поляризация диэлектрика

Источник: https://online.mephi.ru/courses/physics/electricity/data/course/3/3.3.html

4.1.2. Поляризация диэлектриков

Основные понятия

Электрической поляризацией называют процесс смещения упруго связанных электрических зарядов или ориентацию диполей в направлении приложенного электрического поля. Другими словами, электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля.

При описании электрических явлений (в том числе и поляризации) обычно рассматривают систему, состоящую из электродов, между которыми находится диэлектрик. К указанным электродам подводится напряжение, т.е.

рассматривается некоторый участок конструкции, которой может быть электрический конденсатор, кабель, обмотка электрической машины или трансформатора и т.п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его параметров в лаборатории.

В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов (носителей заряда), всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, ионы.

Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные заряды — в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные заряды — в обратном направлении (рис.

4.8). В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика (dV) приобретает индуцированный электрический момент (dP). Образование индуцированного электрического момента (Р) в диэлектрике и представляет собой явление поляризации.

Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованностъ, интенсивность поляризации), который равен отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремиться к нулю:

.                                                               (4.19)

• Для однородного диэлектрика с неполярными молекулами, находящимися в однородном электрическом поле,вектор поляризации равен:
• ,                                                                                      (4.20)
• где  – индуцированный момент одной молекулы (атома); N0 – число молекул (атомов) в единице объема.
• Значение индуцированного электрического момента () зависит от напряженности внешнего электрического поля:
• ,                                                       (4.21)
• где  Ф/м – диэлектрическая постоянная;  – поляризуемость частицы (характеризует способность частицы к поляризации), м3.

Используя выражения (4.20) и (4.21) получим:

1.                                                ,                                              (4.22)
2. где  – безразмерный параметр – диэлектрическая восприимчивость вещества, или поляризуемость единицы объема диэлектрика.
3. Для однородного диэлектрика с полярными молекулами, помещенного в однородное электрическое поле:
4. ,                                                                           (4.23)
5. где  – среднее значение составляющей вдоль поля вектора постоянного дипольного момента молекулы; вычисляется с использованием распределения Больцмана для частиц в силовом поле:
6. ,              (4.24)
7. где  – классическая функция Ланжевена .
8. При а 0.

   Рассмотрим простейший углеводород – метан СН4  и продукты замещения в нем водорода хлором: хлористый метил (СН3С1), двуххлористый метилен (CH2Cl2), хлороформ (СНС13) и четыреххлористый углерод (тетраформ) (СС14). Молекула метана в пространстве имеет вид тетраэдра, в центре которого расположен атом С, а по вершинам атомы Н (см. рис. 4.10, г).Очевидно, что для метана µ = 0.

   Молекулы СНС13, СН2С12 и СНС13 асимметричны и для них соответственно ; 5,17·10-30 и 3,8·10-30 Кл·м. Но молекула ССl4 вновь симметрична и имеет µ= 0.

   1. Бензол С6Н6 – вещество неполярное; при замещении одного атома водорода в бензоле другим элементом или группой получаем полярные вещества:
   2. 1) монохлорбензол             (µ = 5,17·10-30 Кл·м);
   3. 2) монойодбензол                 (µ = 4,3·10-30 Кл·м);
   4. 3) фенол                        (µ = 5,2·10-30 Кл·м);
   5. 4) анилин                    (µ = 5,1·10-30 Кл·м);

   5) нитробензол           (µ = 13,2·10 -30 Кл·м) и т.д.

   • Ацетон вследствие наличия в молекуле группы СО полярен; для него, µ = 9,7·10 -30 Кл·м.
   • К неорганическим веществам с высоким значением µ относятся:
   • · йодид алюминия АlI3                  (µ = 16,5·10-30 Кл·м);
   • · хлорид олова SnCl4                      (µ = 17,0·10 -30 Кл·м).
   • Из числа применяемых в электроизоляционной технике органических материалов практически неполярными являются такие вещества углеводородного состава, как полиэтилен – полимер, имеющий следующее строение (упрощенно):
   • ,
   • а также парафин, церезин, полиизобутилен, полипропилен, полистирол, невулканизированный каучук, эскапон, нефтяные электроизоляционные масла и др.
   • Сильно полярными являются: поливинилхлорид, который имеет следующее строение:
   • ,

   поливиниловый спирт и его производные, целлюлоза и ее производные, фенолформальдегидные смолы и т.п.

   1. Политетрафторэтилен (фторлон-4), имеющий следующее строение:
   2. ,
   3. можно рассматривать как полимерный углеводород (полиэтилен), в котором атомы водорода полностью замещены атомами фтора, благодаря симметричной структуре каждого звена молекулярной цепочки неполярен; но политрифторхлорэтилен (фторлон-3) имеет несимметричное строение и потому полярен.
   4. Основные виды поляризации
   5. В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектриков различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную, ионно-релаксационную, дипольно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную.

   Индуцированный под действием приложенного электрического поля суммарный электрический заряд обусловливается суммой различных видов поляризации. Механизмы поляризации могут наблюдаться в различных диэлектриках, однако несколько механизмов поляризации могут наблюдаться одновременно у одного диэлектрика. Гипотетический диэлектрик, обладающий всеми механизмами поляризации, может быть

   представлен эквивалентной схемой, в которой каждому механизму поляризации соответствует включенная параллельно источнику напряжения (U) емкость (С)  (рис. 4.11).

   Емкость С0 и заряд Q0 соответствуют геометрической емкости и заряду т.е., если между электродами находится вакуум. Емкость Сэ и заряд Qэ (рис. 4.11) характеризуют электронную поляризацию.

   Электронная поляризация представляет собой смещение центра заряда электронного облака относительно положительно заряженного ядра атома под  действием внешнего электрического поля (рис. 4.12). Смещению противодействует кулоновское притяжение электронов к ядру.

   Время установления электронной поляризации очень мало (около 10-15 с), поэтому она практически не зависит от частоты электромагнитного поля (рис 4 13), но связана с потерей энергии и не зависит от температуры.

   Однако величина ε диэлектриков, обладающих только электронной поляризацией, уменьшается с ростом температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа поляризованных частиц в единице объема (рис. 4.14).

   Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. При увеличении размеров атомов электронная поляризуемость увеличивается, так как ослабевает связь внешних электронных оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки (l), но и возрастает заряд (q).

   Для удобной и наглядной оценки электронной поляризуемости атома или иона (α) введено понятие геометрической поляризации, равной отношению α к диэлектрической постоянной (ε0), измеряемой в единицах объема. Геометрическая поляризуемость (α/ε0) имеет порядок объема атома, т.е. 10-30…10-29 м3. Например, значения α/ε0 атомов галогенов (в порядке возрастания их атомной массы) равны:

   • · для F          – 0,4·10-30;
   • · для Сl         – 2,4·10-30;
   • · для Br         – 23,6·10-30;

   Источник: http://libraryno.ru/4-1-2-polyarizaciya-dielektrikov-elektomaterial/

   Лабораторная работа: Исследование диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь в твердых диэлектриках

   • Лабораторная работа №6
   • Исследование диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь в твердых диэлектриках.
   • Цель работы: Определить зависимость диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь в твердых диэлектриках от температуры.

   Требуемое оборудование:1. Измеритель электропроводности ЛСМ1 – 1 шт.

   2. Измерительные кассеты– 3 шт.

   1. Теория.
   2. Характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация – ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
   3. Поляризацией называется состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема.
   4. Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля (наведенную или индуцированную), и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствии поля.
   5. О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектриков, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также по величине диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии.
   6. Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью :
   7. , (1)
   8. где СД – емкость конденсатора с данным диэлектриком, С0 – емкость того же конденсатора, если бы между электродами находился вакуум.
   9. Величина относительной диэлектрической проницаемости является безразмерной величиной.
   10. Количественной характеристикой поляризации является поляризованность диэлектрика P. Поляризованностью называют векторную физическую величину, равную отношению электрического момента dp элемента диэлектрикак объему dV этого элемента
   11. (2)
   12. Рассматривая явления поляризации с учетом агрегатного состояния и структуры диэлектрика, следует различать следующие механизмы поляризации: электронный, ионный, дипольно – релаксационный, электронно – релаксационный, ионно – релаксационный, резонансный , миграционный и спонтанный.

   К мгновенным видам поляризации относятся механизмы, протекающая в диэлектрике под воздействием электрического поля практически мгновенно, вполне упруго, без рассеяния энергии. К этому виду относятся электронная и ионная поляризации. Время установления этих механизмов ничтожно мало ( 10-13  10-15 с).

   К замедленным механизмам относятся те, когда поляризация нарастает и убывает замедленно, и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. нагревом.

   Поляризация такого вида называется релаксационной.

   К этому виду относятся дипольно — релаксационная, ионно — релаксационная и электронно — релаксационная, а также миграционная поляризация, возникающая в твердых диэлектриках неоднородной структуры.

   В зависимости от влияния напряженности внешнего электрического поля на величину диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики делятся на линейные (рис.1а) и нелинейные (рис.1б).

   

   а)

   

   б)

   Рис.1. Зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля для линейных (1а) и нелинейных (1б) диэлектриков.

   Линейные диэлектрики относят к пассивнымдиэлектрикам, применяемым в основном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов.

   Нелинейные диэлектрики относят к активным диэлектрикам, параметры которых зависят от величины приложенной разности потенциалов. Емкостью конденсатора с нелинейным диэлектриком можно управлять электрическим полем.

   В диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, происходит некоторое выделение энергии. Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

   Если бы в диэлектрике конденсатора мощность совсем не рассеивалась («идеальный диэлектрик»), то вектор тока I опережал бы вектор напряжения U точно на 900, а ток был бы чисто реактивным IС. Но в реальном диэлектрике наряду с реактивным током имеет место ток активный (ток потерь).

   Таким образом, полный ток, складывающийся из двух токов (активного и реактивного), опережает напряжение на угол , несколько меньший 900, т.е. величина угла  связана с величиной активного тока (тока потерь). Чем больше Ia, тем сильнее угол  отклоняется от 900.

   Но в качестве характеристики потерь взят не сам угол , а угол δ, дополняющий угол  до 900 , т.е. δ = 90 – .

   Угол δ называют углом диэлектрических потерь. Чем больше этот угол, тем больше (при прочих равных условиях) диэлектрические потери.

   • Обычно в качестве параметра материала дают величинутангенса угла потерь. Очевидно, что тангенс угла потерь равен отношению активного и реактивного токов:
   • (3)
   • Легко получить выражение для величины диэлектрических потерь Р в участке изоляции, обладающем емкостью С. Очевидно, что
   • . (4)
   • С учетом того, что значение силы тока через участок изоляции с емкостью С равно:
   • где– угловая частота, получим:
   • (5)
   • Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе делятся на четыре основных вида.

   1. Потери на электропроводность.

   2. Релаксационные потери.

   3. Ионизационные потери.

   4. Резонансные потери.

   Диэлектрики, построенные из неполярных молекул (полиэтилен, полистирол) и обладающие только электронной поляризацией, имеют наименьшее значение диэлектрической проницаемости.

   Температурная зависимость диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков определяется изменением числа молекул в единице объема.

   В диэлектриках, обладающих электронной поляризацией, диэлектрические потери невелики и обусловлены, как правило, только сквозной электропроводностью и наличием примесей.

   1. Величина тангенса угла диэлектрических потерь может быть вычислена по следующей формуле
   2. (6)
   3. где f – частота приложенного напряжения, Гц; – удельное сопротивление диэлектрика.
   4. Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с температурой по экспоненциальному закону вида
   5. (7)
   6. где А, b– const.
   7. Диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают ионной и электронной поляризацией и имеют величину диэлектрической проницаемости, лежащую в широких пределах. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных кристаллов в большинстве случаев имеет положительное значение, вследствие того что при повышении температуры наблюдается не только уменьшение плотности вещества, но и возрастание поляризуемости кристаллической решетки, причем влияние этого фактора сказывается на величине температурного коэффициента сильнее, чем изменение плотности

   В кристаллических структурах с плотной упаковкой ионов (слюда, кварц) при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от электропроводности. В диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов (электротехнический фарфор) наблюдаются также потери, связанные с релаксационной поляризацией.

   У диэлектриков с дипольными молекулами (поливинилхлорид, полиамиды, материалы на основе целлюлозы) зависимость от температуры проявляется значительно резче и характеризуется наличием максимума.

   В низкотемпературной области ориентация молекул в большинстве случаев невозможна из-за значительной вязкости.

   При повышении температуры ориентация диполей облегчается, что приводит к возрастанию диэлектрической проницаемости.

   Исследуемые образцы

   В данной работе для исследования используются образцы гетинакса, текстолита и стеклотекстолита, относящиеся к слоистым пластикам.

   Слоистые пластики — это разновидность пластмасс, где связующим веществом служит полимер, а наполнителем – листовые волокнистые материалы. Наиболее широкое применение получили: стеклотекстолит, гетинакс и текстолит.

   Гетинакс – листовой слоистый прессованный материал, состоящий из двух или более слоев бумаги, пропитанной термореактивной смолой. Электротехнический гетинакс выпускают восьми марок. В зависимости от марки в качестве связующего вещества применяют фенолформальдегидные смолы или эпоксидную смолу типа ЭД — 16.

   Гетинакс является анизотропным материалом, поэтому электрическая прочность гетинакса вдоль слоев в 5 — 8 раз ниже, чем поперек, а удельное сопротивление ниже в 50 — 100 раз. Гетинакс легко обрабатывается механически, а тонколистовые сорта хорошо штампуются, особенно в подогретом состоянии. Из гетинакса изготовляют детали радиотехнического и электротехнического назначения.

   Гетинакс используется для изготовления наиболее дешевых печатных плат.

   Стеклотекстолит – слоистый прессованный материал, состоящий из двух или более слоев стеклоткани, пропитанной различными термореактивными связующими.

   Производят следующие марки: СТ — Б, СТ -1 на основе фенолоформальдегидной смолы; СТЭФ — 1 и СТЭФ — Р на эпоксидно — феноловом связующем; СТК — на кремнийорганическом связующем.

   Стеклотекстолит обладает повышенной влагостойкостью и лучшими электрическими и механическими параметрами по сравнению с текстолитом и гетинаксом, но хуже обрабатывается механически. Из стеклотекстолита изготовляют платы печатных схем, антенные обтекатели и другие радиодетали.

   Текстолит – слоистый пластик, в котором в качестве наполнителя используют хлопчатобумажную ткань, пропитанную термореактивной смолой фенолформальдегидного типа. Выпускают четырех марок: А, Б, Г – на основе сравнительно грубых тканей – бязи и миткаля, и ВЧ (для высоких частот) – на основе шифона.

   Дороже гетинакса, так как стоимость ткани значительно дороже стоимости бумаги. Листовой текстолит применяют как конструкционно-изоляционный материал для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или работающих на истирание (детали переключателей).

   Методика проведения эксперимента

   В настоящей работе используется измеритель индуктивности и емкости ЛСМ1 (рис. 2). С его помощью можно определить емкость конденсатора, индуктивность катушек, а также тангенс угла потерь.

   Для включения прибора необходимо нажать кнопку «Сеть», при этом на передней панели загорится ряд индикаторов «Шкала», «Температура», «Канал», «С» и т.д.

   

   Рис.2. Измеритель индуктивности и емкости ЛСМ1.

   Исследуемые образцы находятся в измерительной кассете ИК1. Для ее установки в прибор необходимо поднять шторку, установить кассету с образцами в термокамеру прибора до упора. При этом шторка должна опуститься.

   Затем установите требуемый режим измерения (емкость C или тангенс угла потерь tg ). Выберите требуемый диапазон измерений.

   Установите требуемое значение температуры термокамеры. При первом нажатии кнопки на индикаторе «Температура»высветится установленное значение температуры. При повторном нажатии кнопки произойдет коррекция устанавливаемой температуры.

   Через 2 с после завершения установки индикатор «Температура»перейдет в режим отображения текущей температуры. Для отключения терморегулятора необходимо установить температуру менее 300 С. При этом на экране высветится сообщение «OFF».

   Сообщения, выдаваемые прибором

   При работе прибора на индикаторе могут отображаться следующие сообщения:

   • L– измеряемая величина C ниже выбранного диапазона;
   • H– измеряемая величина C выше выбранного диапазона;
   • P– измеряемое значение тангенса потерь C выше выбранного диапазона;
   • A– при измерении активная составляющая больше реактивной (tgδ>1).
   • Зная величину емкости конденсатора, его геометрическую форму и размеры, можно вычислить величину диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора.
   • (8)
   • где h – толщина образца S – площадь верхнего электрода; 0 = 8,85 10-12 Ф/м.
   • Размеры образцов: Стеклотекстолит СТ – 4 — h = 4 мм, S = 60 х 60 мм; Текстолит – h = 2 мм; S = 60 х 60 мм; Гетинакс — h = 2 мм; S = 60 х 60 мм.
   • Порядок выполнения работы

   1. Установите картридж с образцом в прибор. При комнатной температуре измерьте С и tgδ диэлектрика на фиксированной частоте при комнатной температуре. Для этого установите требуемый канал для измерения. И выберите диапазон измерения С и tgδ. По полученным результатам измерения рассчитать значение .

   2. Провести измерение температурной зависимости  = f(T). Для этогоустановите требуемое значение температуры термокамеры. Измерения С и tgδ производите по следующему температурному ряду: комнатная, 40, 60, 80, 1000 C.

      Рекомендуется соблюдать интервал между измерениями 10 мин для стабилизации показаний прибора при чанинагреве образца. По полученным значениям рассчитать . По окони измерений отключите терморегулятор. Для этого необходимо установить температуру менее 300 С.

      При этом на экране высветится сообщение «OFF». Осторожно выньте образец из термокамеры.

   3. Постройте график зависимости  = f(T). Для тангенса угла диэлектрических потерь tgδ построить зависимость ln(tgδ) = f(1/T). Выполнив линейную аппроксимацию экспериментальных точек, по тангенсу угла наклона определить эффективную энергию активации носителей заряда по формуле:

   .

   1. Результаты измерений занести в таблицу 1.

   Таблица 1

   Исследуемый

   1. материал
   2. Т, 0С
   3. С, Ф
   4. tg 
   5. 

   Контрольные вопросы

   1. Поляризация. Типы поляризации.

   2. Какие виды поляризации можно отнести к замедленным и почему?

   3. Линейные и нелинейные, полярные и неполярные диэлектрики.

   4. Что называется диэлектрической проницаемостью?

   5. Диэлектрические потери. Виды диэлектрических потерь.

   6. Каков физический смысл параметра tg .

   7. Охарактеризуйте исследуемые в работе диэлектрики. Справедливо ли утверждение, что они являются активными диэлектриками?

   Литература.

   1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учебник. — СПб.: Изд.«Лань», 2002. — 368 с.

   2. Материаловедение. Конструкционные и электротехнические материалы. Материалы и элементы электронной техники . Методические указания к лабораторным работам №1-4 для студентов II курса ЭМФ, РЭФ/В.Н. Гаревский И.Л. Новиков, Р.П. Дикарева, Т.С. Романова. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 74 с.

   Источник: https://infourok.ru/laboratornaya-rabota-issledovanie-dielektricheskoy-pronicaemosti-i-dielektricheskih-poter-v-tverdih-dielektrikah-3044311.html

   Поляризация диэлектрика

   

   Поляризация диэлектрика – это явление упорядоченного переориентирования молекул диэлектрика под действием внешнего электрического поля.

   В результате поляризации вместе с молекулами перераспределяются и их электрически заряженные частицы.

   Получается, что в одном направлении по отношению к силовым линиям поля преобладают положительно заряженные частицы, а в противоположном – отрицательно заряженные.

   Интересно, что в результате поляризации в диэлектрике появляется собственное электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему, собственно вызвавшему эту поляризацию. И хотя внутреннее поле значительно меньше внешнего, наблюдается эффект достаточно существенного ослабления последнего.

   Степень поляризации диэлектрика очень часто выражают его диэлектрической проницаемостью. Чем она меньше, тем сильнее диэлектрик ослабляет внешнее поле.

   

   Типы поляризации

   Различают несколько типов поляризации диэлектрика: электронная, ионная, дипольная, электронно-релаксационная, ионно-релаксационная, самопроизвольная, структурная, резонансная и миграционная.

   Самая простая и самая быстрая (по времени переориентации молекул) – электронная. При ионной поляризации смещаются не молекулы, а кристаллические решетки диэлектрика. При дипольной – переориентируются диполи молекул.

   Релаксационная приводит к смещению слабо закрепленных в кристаллической структуре заряженных частиц (электронов или ионов). При  резонансной поляризации переориентируются частицы, частоты которых совпадают с частотой внешнего электрического поля.

   Миграционная связана с тем, что в некоторых диэлектриках есть слои с различной электрической проводимостью. Структурная возникает в неоднородных диэлектриках, содержащих различные примеси.

   

   Поляризация диэлектрика зависит не только от его физических свойств, но и от характера внешнего поля.

   Как правило, максимальная степень поляризации возникает при воздействии на диэлектрик статического (не изменяющегося во времени) электрического поля.

   Правда при резонансной поляризации это условие не соблюдается. В этом случае она минимальна, так как резонансная частота движения молекул не может быть равна нулю.

   Интересно

   Наименьшее воздействие на внешнее поле из известных материалов оказывает керамика. Именно поэтому этот материал чаще всего используется при создании электронных компонентов и в частности конденсаторов.

   Помимо поляризации под действием внешнего поля в некоторых диэлектриках (сегнетоэлектриках) может возникать и спонтанная поляризация. Иногда это явление наблюдается при деформации, трении или температурном воздействии на материал.

   Источник: http://scsiexplorer.com.ua/index.php/osnovnie-ponyatiya/1802-poljarizatsija-dielektrika.html

   Электростатическое поле в диэлектриках. Поляризация диэлектриков. Электронный и ориентационный механизмы поляризации диэлектриков

   В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

   При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул.

   В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды.

   Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

   Связанные заряды создают электрическое поле которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности  внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля

   Физическая величина, равная отношению модуля напряженности  внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности  полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.

   Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

   Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

   Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

   При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей ориентированы хаотично из-за теплового движения, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

   При внесении диэлектрика во внешнее поле  возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле направленное навстречу внешнему полю .

   Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

   Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

   Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом.

   Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля.

   На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле направленное навстречу внешнему полю . Так происходит поляризация неполярного диэлектрика.

   Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.

   Поляризация неполярного диэлектрика.

   Источник: https://students-library.com/library/read/94952-elektrostaticeskoe-pole-v-dielektrikah-polarizacia-dielektrikov-elektronnyj-i-orientacionnyj-mehanizmy-polarizacii-dielektrikov

   1.1. Поляризация диэлектриков. 1. Диэлектрические материалы. Химия радиоматериалов. Курс лекций

   1.1.1. Электронная поляризация

   1.1.2. Ионная поляризация

   1.1.3. Дипольная поляризация

   1.1.4. Миграционная поляризация

   При описании электрических явлений обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами, к которым подводится электрическое напряжение, т. е. некоторый участок изоляции.

   Таким участком может быть электрический конденсатор, изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т. п.

   , а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его электрических параметров.

   В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные — в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные — в обратном направлении.

   В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp.

   Образование индуцированного электрического момента р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Качественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

   . (1.1)

   Поляризованность — векторная величина: ее направление совпадает с направлением электрического момента — от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в [Кл× м], а объем -в [м3], то единицей модуля поляризованности будет [Кл/м2].

   Существует несколько видов поляризации: электронная, ионная, дипольная и миграционная.

   1.1.1. Электронная поляризация

   Электронная поляризация — это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации.

   Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля — порядка 10-14 — 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических.

   При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки l, но и возрастает заряд ядра q.

   1.1.2. Ионная поляризация

   Ионная поляризация — смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями.

   При этом центры положительных и отрицательных зарядов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние x в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях, вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент рu = qx.

   Ионная поляризация устанавливается также за малое время (хотя и большее, чем электронная) — 10-13 — 10-14 с.

   Ионная поляризуемость больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т. е. являются многовалентными.

   1.1.3. Дипольная поляризация

   Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Сущность этого метода поляризации заключается в повороте в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент.

   Диэлектрики можно подразделить на полярные (содержащие постоянные диполи, способные к переориентации) и неполярные (не содержащие ориентирующихся диполей).

   В молекулах любого вещества содержатся положительные и отрицательные электрические заряды. Алгебраическая сумма всех зарядов равна нулю, когда вещество не наэлектризовано, т. е. электрически нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в молекуле у каждоговещества различно.

   Если заменить все положительные заряды молекулы одним суммарным, считая его расположенным в центре тяжести отдельных положительных зарядов, и такое же суммирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные точечные заряды могут либо не совпадать в пространстве друг с другом, либо совпадать.

   В первом случае молекула даже в отсутствие внешнего электрического поля будет представлять собой электрический диполь с отличным от нуля постоянным электрическим моментом рП = ql, где q — суммарный положительный (отрицательный) заряд молекулы; l — расстояние между суммарными зарядами, т. е. плечо диполя. В большинстве случаев постоянный электрический момент молекул полярных веществ рП = 10-30 — 10-29 [Кл× м].

   Электрический момент молекулы — величина векторная, направленная от отрицательного заряда -q к положительному заряду +q. У неполярных веществ l = 0 и потому рП = 0.

   Независимо от электрических свойств о полярности вещества можно судить по строению его молекул. Молекулы имеющие симметричное строение и центр симметрии, неполярны, так как центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы и l = 0 и рП = 0. Несимметричные молекулы полярны.

   Более строго дипольную поляризацию можно объяснить как внесение внешним электрическим полем некоторой упорядоченности в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения. Следовательно, дипольная поляризация по своей природе связана с тепловым движением молекул, и на нее оказывает существенное влияние температура.

   Дипольная поляризация в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и аморфных вязких веществах.

   Процесс установления дипольной поляризации после включения диэлектрика под напряжение требует относительно большого времени. Поляризованность РД дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

   

   Постоянную времени этого процесса t называют временем релаксации дипольной поляризации. Если период приложенного переменного напряжения меньше t , то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем. Так как τ обычно имеет порядок 10-6 — 10-10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах не ниже 106 — 1010 Гц.

   При понижении температуры t сильно возрастает.

   1.1.4. Миграционная поляризация

   Миграционная поляризация наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела.

   Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленные — секунды, минуты, часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.

   Источник: https://siblec.ru/estestvennye-nauki/khimiya-radiomaterialov/1-dielektricheskie-materialy/1-1-polyarizatsiya-dielektrikov

   Поляризация диэлектриков — это… Что такое Поляризация диэлектриков?

   Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

   Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

   • Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

   Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

   Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

   Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика.

   Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ.

   Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е1, направленное против внешнего поля с напряженностью Е0. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е0-Е1.

   Типы поляризации

   В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

   • Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10−15 с). Не связана с потерями.
   • Ионная — смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10−13 с, без потерь.
   • Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
   • Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
   • Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
   • Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
   • Самопроизвольная (спонтанная) — благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10−2)
   • Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
   • Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

   Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты. В связи с этим вводится понятие дисперсии диэлектрической проницаемости.

   Зависимость вектора поляризации от внешнего поля

   В постоянном поле

   В слабых полях

   В постоянном или достаточно медленно меняющемся от времени внешнем электрическом поле при достаточно малой величине напряженности этого поля, вектор поляризации P, как правило (исключение составляют сегнетоэлектрики), линейно зависит от вектора напряженности поля E:

   (в системе СГС),
   (в системе СИ; дальше формулы в этом параграфе приводятся только в СГС, формулы СИ и дальше отличаются лишь электрической постоянной )

   где  — коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром — диэлектрической восприимчивостью) данной среды. Для однородной среды фиксированного состава и структуры в фиксированных условиях ее можно считать константой. Однако в связи со всем сказанным выше вообще говоря зависит от точки пространства, времени (явно или через другие параметры) и т. д.

   Для изотропных[1] жидкостей, изотропных твердых тел или кристаллов достаточно высокой симметрии  — просто число (скаляр). В более общем случае (для кристаллов низкой симметрии, под действием механических напряжений и т. д.)  — тензор (симметричный тензор второго ранга, вообще говоря невырожденный), называемый тензором поляризуемости. В этом случае можно переписать формулу так (в компонентах):

   где величины со значками соответствуют компонентам векторов и тензора, соответствующим трем пространственным координатам.

   Можно заметить, что поляризуемость — одна из наиболее удобных физических величин для простой иллюстрации физического смысла тензоров и применения их в физике.

   

   где  — три собственных числа тензора поляризуемости.

   Если все эти три собственных числа равны друг другу, значит умножение на тензор эквивалентно умножению на число, а среда изотропна (в отношении поляризуемости). (Отсюда ясно, почему кристалл с высокой симметрией не может давать анизотропии: требованиям симметрии могут удовлетворить только три одинаковых собственных числа).

   В сильных полях

   • В достаточно сильных полях[2] всё описанное выше осложняется тем, что по мере роста напряженности электрического поля рано или поздно теряется линейность зависимости P от E.
   • Характер появляющейся нелинейности и характерная величина поля, с которой нелинейность становится заметной, тоже, конечно, зависит от индивидуальных свойств среды, условий итп.
   • Можно выделить их связь с типами поляризации, описанными выше.
   • Так для электронной и ионной поляризации при полях, приближающихся к величинам порядка отношения потенциала ионизации к характерному размеру молекулы U0/D, характерно сначала ускорение роста вектора поляризации с ростом поля (увеличение наклона графика P(E)), затем плавно переходящее в пробой диэлектрика.
   • Дипольная (Ориентационная) поляризация при обычно несколько более низких значениях напряженности внешнего поля — порядка kT/p (где p — дипольный момент молекулы, T — температура, k — константа Больцмана) — то есть когда энергия взаимодействия диполя (молекулы) с полем становится сравнимой со средней энергией теплового движения (вращения) диполя — наоборот начинает достигать насыщения (при дальнейшем росте напряженности поля должен рано или поздно включиться сценарий электронной или ионной поляризации, описанный выше, и кончающийся пробоем).

   В зависящем от времени поле

   Зависимость вектора поляризации от быстро меняющегося во времени внешнего поля достаточно сложна.

   Она зависит от конкретного вида изменения внешнего поля со временем, быстроты этого изменения (или, скажем, частоты колебаний) внешнего поля, превалирующего механизма поляризации в данном веществе или среде (который тоже оказывается разным для разных зависимостей внешнего поля от времени, частот и т. д.).

   1. При достаточно медленном изменении внешнего поля поляризация в целом происходит как в постоянном поле или очень близко к этому (впрочем то, насколько медленным должно быть для этого изменение поля, зависит, и зачастую крайне сильно, от превалирующего типа поляризации и других условий, например температуры).
   2. Одним из наиболее распространенных подходов к изучению зависимости поляризации от характера меняющегося во времени поля является исследование (теоретическое и экспериментальное) случая синусоидальной зависимости от времени внешнего поля и зависимости вектора поляризации (также меняющегося в этом случае по синусоидальному закону с той же частотой), его амплитуды и сдвига фазы от частоты.
   3. Каждому механизму поляризации в целом соответствует тот или иной диапазон частот и общий характер зависимости от частоты.
   4. Диапазон частот, в котором имеет смысл говорить о поляризации диэлектриков как таковой, простирается от нуля где-то до ультрафиолетовой области, в которой становится интенсивной ионизация под действием поля.

   См. также

   Примечания

   1. ↑ Обычно жидкости можно считать изотропными, однако это может оказаться верно не для всех классов жидкостей и может быть нарушено различными возмущениями (иногда — очень сильно, например, для растворов полимеров итп), поэтому лучше уточнить это явно.
   2. ↑ В этом параграфе подразумевается, что поле постоянно или медленно меняется во времени — то есть затронуты только вопросы, связанные с большой величиной напряженности поля; усложнения, связанные с достаточно быстрым изменением поля со временем, описаны далее в отдельном параграфе.

   Источник: https://biograf.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1583971/biograf.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/113033