|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Поляризуемость релаксационная. |
 |
Поляризация диэлектрика. Действие электрического поля на диполь. Дипольный момент. Виды поляризации. Виды релаксационной поляризации. Процесс установления релаксационной поляризации. Время релаксации.
Анимация
Описание
Вещества, которые не проводят электрического тока, называются диэлектриками. Молекулы диэлектрика электрически нейтральны и содержат равное число положительных и отрицательных зарядов. Тем не менее, молекулы обладают электрическими свойствами. В первом приближении молекулу диэлектрика можно рассматривать как диполь, имеющий дипольный электрический момент: pe=ql, где q – абсолютная величина суммарного положительного и суммарного отрицательного зарядов, l – расстояние между положительным и отрицательным зарядами.
При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем наводится поляризация - возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул, при этом элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент. 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.
Количественной мерой поляризации диэлектрика является поляризованность - отношение электрического дипольного момента малого объема dV диэлектрика к величине этого объема:
где pei – электрический дипольный момент i–й молекулы, n – общее число молекул в объеме dV.
В настоящее время принято разделение диэлектриков по механизмам поляризации молекул. Различают неполярные диэлектрики, полярные диэлектрики и диэлектрики с ионной структурой.
Неполярные диэлектрики (нейтральные) - состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно, неполярные молекулы не обладают электрическим моментом.
Полярные диэлектрики (дипольные) - состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи.
Релаксационные (замедленные) виды поляризации - проявляются в газах, жидкостях и твердых диэлектриках в том случае, если они состоят из полярных молекул, диполей или молекул, имеющих отдельные радикалы или части (сегменты), обладающие собственными электрическими моментами. Выделяют несколько разновидностей релаксационных поляризаций: дипольно - релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная.
-
Дипольную поляризацию часто называют ориентационной, так как она проявляется в появлении некоторой упорядоченности в расположении полярных молекул, совершающих хаотические "тепловые" движения под действием электрического поля. При дипольно-радикальной или дипольно-сегментальной поляризации в некоторых полярных полимерах под действием поля происходит определенное упорядочение полярных радикалов или более крупных частей макромолекул - сегментов. Релаксационная поляризованность при дипольно-релаксационной поляризации после приложения поля к диэлектрику нарастает во времени до установления значения Pо согласно выражению P(t) = Po(1-exp(-t/τ)), где P(t) - поляризованность в момент t, а после снятия внешнего поля уменьшается по закону P(t) = Poexp(-t/τ).
Величина дипольно-релаксационной поляризуемости определяется по формуле α = μ2/3kT, где μ - электрический дипольный момент, k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.
При низких температурах время релаксации дипольных молекул велико из-за высокой вязкости полярного диэлектрика и малой тепловой подвижности молекул. По Дебаю для жидкости, состоящей из сферических молекул радиуса a с вязкостью η, время релаксации определяется по формуле τ = 4πηa3/kT.
При низких температурах ориентация молекул электрическим полем затруднена, поэтому диэлектрическая проницаемость невелика. При повышении температуры время релаксации уменьшается из-за уменьшения вязкости, ориентация молекул облегчается, что приводит к увеличению интенсивности дипольно-релаксационной поляризации и резкому росту диэлектрической проницаемости, которая, после достижения максимума, уменьшается, приблизительно обратно пропорционально температуре за счет роста теплового движения молекул, препятствующего упорядочению полярных молекул (диполей).
-
Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с ионным типом химических связей, например в неорганических стеклах, имеющих неплотную упаковку ионов. Слабо связанные ионы вещества под действием приложенного электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля, и смещаются на расстояния, существенно превышающие величину смещения ионов при упругой ионной поляризации. После исчезновения внешнего поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия. При этом наблюдается необратимое рассеяние энергии в виде тепла. Поляризация этого типа наблюдается при низких частотах.
-
Электронно-релаксационная поляризация характерна для твердых диэлектриков, содержащих дефекты или примесные ионы, способные захватывать электроны. Такие захваченные на "ловушках" электроны или дырки при отсутствии электрического поля могут под действием тепловых флуктуаций переходить из одного вероятного положения в другое. При этом суммарный электрический момент единицы объема диэлектрика будет равен нулю. Во внешнем электрическом поле такие переходы будут осуществляться преимущественно в направлении поля и в объеме диэлектрика индуцируется электрический дипольный момент, т.е. будет происходить поляризация. Время релаксации данного механизма поляризации при комнатной температуре 10-2-10-7с. Наиболее вероятный механизм возникновения тепловой электроной поляризации в этих веществах связан с возникновением анионных вакансий, возникающих в процессе высокотемпературного синтеза, при котором часть ионов кислорода покидает свои места. Кислородные вакансии являются эквивалентными положительными зарядами, вблизи которых для их компенсации в соответствии с принципом электронейтральности локализуются квазисвободные электроны, которые и обусловливают тепловую электронную поляризацию. Электронно-релаксационная поляризация играет существенную роль на низких частотах в люминисцирующих широкозоных и оксидных полупроводниках.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с ионным типом химических связей, например в неорганических стеклах, имеющих неплотную упаковку ионов. Поляризация этого типа наблюдается при низких частотах.
Электронно-релаксационная поляризация характерна для твердых диэлектриков, содержащих дефекты или примесные ионы. Этот вид поляризации существенную роль играет в поликристаллической керамике типа рутила TiO2, перовскита CaTiO3, в керамических материалах, изготовленных на основе сложных оксидов титана, циркония, ниобия, тантала, свинца, церия, висмута, имеющих важное техническое значение. Наиболее вероятный механизм возникновения тепловой электроной поляризации в этих веществах связан с возникновением анионных вакансий, возникающих в процессе высокотемпературного синтеза, при котором часть ионов кислорода покидает свои места. Кислородные вакансии являются эквивалентными положительными зарядами, вблизи которых для их компенсации в соответствии с принципом электронейтральности локализуются квазисвободные электроны, которые и обусловливают тепловую электронную поляризацию. Электронно-релаксационная поляризация играет существенную роль на низких частотах в люминисцирующих широкозоных и оксидных полупроводниках.
Реализации эффекта
Электреты - это аморфные и поликристаллические диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электрического поля, вызвавшего поляризацию диэлектрика, и создающие электрическое поле в окружающем пространстве. Из этого определения следует, что электрет является заполяризованным диэлектриком, точно так же, например, как и поляризованная сегнетокерамика, то есть пьезокерамика. Последняя, однако, состоит из кристаллитов или зерен, которые заполяризованы спонтанно, самопроизвольно, в то время как электрет - это диэлектрик, заполяризованный внешним полем принудительно и сохраняющий эту поляризацию длительное время. Казалось бы, электрет можно рассматривать как электрический аналог постоянного магнита. Однако на самом деле аналогия эта неполна и формальна, что обусловлено различной природой магнетизма и электрических явлений.
Для получения электретов диэлектрик, помещенный в электрическое поле, подвергают определенному внешнему воздействию, которое способствует процессу миграции заряженных частиц (электронов и ионов). Такими воздействиями могут быть нагревание, освещение, магнитное поле, механическое напряжение, радиоактивное облучение и др. Поэтому в зависимости от способа изготовления различают термоэлектреты, фотоэлектреты, магнитоэлектреты, радиоэлектреты и др.
Наибольшее распространение получили термоэлектреты. В основе способа их получения лежит представление о том, что в нагретом до высокой температуры веществе электрическое поле легко поворачивает существующие или создает и ориентирует новые структурные электрические диполи, которые затем замораживаются в ориентированном положении при охлаждении вещества в электрическом поле.
Длительное время термоэлектреты изготавливали только из таких органических веществ, как смолы, пчелиный воск, канифоль. В 1953 году были получены первые электреты из полимеров: полиметилметакрилата (плексигласа), нейлона и др. Несколько позднее появились электреты из серы, нафталина, эбонита, и только в 1956 году А.Н. Губкин и Г.И. Сканави получили первые электреты из неорганических несегнетоэлектрических керамических материалов (CaTiO3 , MgTiO3 и др.).
Литература
1. Ахадов Я.Ю., "Диэлектрические параметры чистых жидкостей. Справочник.", М: Изд-во МАИ. 1999.
2. Тамм И.Е., "Основы теории электричества", М.: Наука. 1976.
Физико-химические явления
Атомная физика, излучение и поглощение энергии атомами и молекулами
Волновые свойства частиц
Магнитная поляризация вещества
Магнитное поле
Электрическое поле
Квантовая механика