Лекция № 11. Свойства диэлектриков.

Вопросы:

1) Поляризация диэлектриков. Основные характеристики.

2) Связь между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью.

3) Частотная зависимость диэлектрической проницаемости.

4) Диэлектрические потери.

5) Сегнетоэлектрики.

Поляризация диэлектриков. Основные характеристики.

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.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля.

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 решетки 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) — возникает в отсутствие внешнего электрического поля. Наблюдается в материалах, состоящих из отдельных доменов (областей). В каждом из доменов имеет своё, отличное от других доменов, направление, в результате чего суммарный дипольный момент материала равен нулю. При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются вдоль поля. Возникающая при этом 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).
• Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты колебания которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
• Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объёмных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения; имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Связь между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью.

Поляризация реальных диэлектриков имеет обычно сложный характер. Она является совокупностью отдельных простейших видов поляризации.

Макроскопический параметр диэлектрика – его диэлектрическая проницаемость e. Она связана с дипольным моментом P и напряженностью поля E соотношением

- уравнение Клаузиуса-Мосотти. Величину называют удельной поляризацией диэлектрика. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. При увеличении частоты электрического поля время действия поля на диполи за половину периода уменьшается, а следовательно, уменьшается величина поляризации и снижается величина диэлектрической проницаемости. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь в полярных и не полярных диэлектриков. При нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем развиваются два процесса: электропроводность и поляризация. Оба процесса сопровождаются потерями энергии электрического поля. Потери на электропроводность при росте частоты снижаются. Диэлектрические потери. Диэлектрические потери — часть энергии электрического поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в диэлектрике, т. е. диэлектрические потери — это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Виды диэлектрических потерь 1) Потери на электропроводность. Обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. 2) Релаксационные потери. Обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно больших частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля. 3) Ионизационные потери. Свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. 4) Резонансные потери. Наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля.

Сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур.

Сегнетоэлектрики находят применение: для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; для изготовления материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств; в вычислительной технике — для ячеек памяти; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- и пироэлектрических преобразователях.