Nashidvery.ru

Наши Двери
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Токи в диэлектриках

Токи в диэлектриках

Электропроводность диэлектриков – это состояние вещества, имеющего в наличие заряженные частицы, находящиеся в электрическом поле. Существует три основных вида электропроводности.

Электронная или металлическая электропроводность. Характерна для металлов и большинства твёрдых диэлектриков, носители зарядов – электроны.

Ионная или электролитическая электропроводность. Носители зарядов – ионы, характерный процесс – электролиз, в результате которого получаются новые вещества.

Молионная или электрофоретическая электропроводность. Носители зарядов группы молекул – молионы. Характерна для коллоидных растворов и суспензий. Результатом характерного процесса является изменение концентраций относительных слоёв жидкости.

В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения Iсм за время около 10 — 15 с. В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — Iскв. В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции — Iабс, причиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, Iскв устанавливается за время меньшее 1 мин. В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов.

Сквозной токIскв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в таблице свободных носителей заряда различной природы.

В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока Iабс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток Iскв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости Iскв, исключая токи абсорбции.

Основными характеристиками электроизоляционных материалов являются удельная объёмная проводимость gv и удельная поверхностная проводимость gs. Для их сравнительной оценки пользуются значениями удельного объемного сопротивления rv и удельного поверхностного сопротивления rs.

Удельное объемное сопротивления rv равно объемному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной (рис.1.13).

Удельное поверхностное сопротивление rs равно сопротивлению прямоугольника, мысленно выделенного из поверхности материала, если ток проходит через него от одной его стороны к противоположной.

где b – расстояние между электродами, a – ширина электродов.

Rs – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной a, отстоящих друг от друга на расстояние b.

Полное сопротивление диэлектрика составит .

Удельная объёмная проводимость .

Удельная поверхностная проводимость .

Электропроводность зависит от состояния вещества (твёрдое, жидкое, газообразное), а также от влажности и температуры окружающей среды, наличия ионизирующего излучения.

Поверхностный ток – ток, обтекающий поверхность образца is. Он зависит от чистоты поверхности диэлектрика – загрязнения, влажности, коррозии.

Объемный ток – ток, протекающий внутри диэлектрика по всему объёму iv. Он зависит от свойств самого диэлектрика.

Токи в диэлектрике

Полный ток J, протекающий через конденсатор, между обкладками которого находится диэлектрик, определяется как:

J =Jc+ Jабс+ Jск, (1.9)

где Jc емкостной ток, обусловлен смещением сильно связанных зарядов в процессе электронной и ионной поляризаций;

Jабс ток абсорбции, обусловлен смещением слабо связанных зарядов в процессах релаксационных видов поляризации;

Jск – ток сквозной проводимости, обусловлен движением свободных зарядов в диэлектрике под действием электрического поля.

Диэлектрические потери

Диэлектрические потери – часть энергии приложенного электрического поля, которая поглощается в диэлектрике. Эта энергия превращается в тепло и нагревает диэлектрик.

Релаксационные виды поляризации сопровождаются нагревом диэлектрика, то есть сопровождаются потерями энергии электрического поля. Упругие виды поляризации не вызывают потерь энергии электрического поля в диэлектрике.

В диэлектриках возникают следующие виды диэлектрических потерь.

Потери на электропроводность – обусловлены током сквозной проводимости, имеют место во всех реальных диэлектриках, в постоянном и переменном электрических полях.

Релаксационные потери – обусловлены релаксационными видами поляризации. Возникают в полярных диэлектриках молекулярного строения, в полярных и неполярных полимерах, в аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой ионов ионных диэлектриках. Имеют место в переменных электрических полях.

Ионизационные потери – обусловлены потерями энергии электрического поля на ионизацию газообразных диэлектриков и газовых включений в жидких и твердых диэлектриках.

Потери на неоднородность структуры – обусловлены миграционной поляризацией.

Резонансные потери — обусловлены резонансной поляризацией.

Тангенс угла диэлектрических потерь

Диэлектрические потери анализируют с помощью эквивалентных схем диэлектрика и векторных диаграмм. Эквивалентаях схема диэлектрика представляет собой последовательно или параллельно соединенные активное сопротивление R и реактивное сопротивление Xс в виде электрической емкости,

На рис.1.1а представлена векторная диаграмма токов в диэлектрике для параллельной эквивалентной схемы замещения (рис.1.1б).

Угол диэлектрических потерь δ – угол, дополняющий до 90 ° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи:

Уровень диэлектрических потерь в диэлектрике оценивают с помощью тангенса угла диэлектрических потерь tg δ. Чем меньше tg δ тем меньше диэлектрические потери и выше качество диэлектрика.

Читайте так же:
Какой провод для заземления розетки нужен

Из векторной диаграммы (рис. 1а) следует:

, (1.11)

где , Jа – активный ток, Jр – реактивный ток, Jаа – активный ток абсорбции, Jар – реактивный ток абсорбции, Jс – емкостной ток, Jск – ток сквозной проводимости.

Зависимости e и tgδ от температуры и природы диэлектрика

Твердые диэлектрики молекулярного строения неполярные

Эти диэлектрики (парафин и др.) обладают только электронной поляризацией e невелика (e = 2,0 ÷ 2,5).

При повышении температуры относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков уменьшается (рис. 1.2а), причем, при температурах плавления Тпл и кипения Ткип – скачкообразно. Уменьшение e при увеличении температуры объясняется изменением числа поляризуемых молекул (n) в единице объема вещества вследствие его температурного расширения.

Рис. 1.1. Векторная диаграмма токов (а) и параллельная эквивалентная схема замещения (б) диэлектрика:

J – полный ток, Jа – активный ток, Jр – реактивный ток, Jабс – ток абсорбции, Jаа – активный ток абсорбции, Jар– реактивный ток абсорбции, Jс– емкостной ток, Jск – ток сквозной проводимости, R — активое сопротивление, Xс— реактивное сопротивление, U – напряжение, φ – угол сдвига фаз, δ – угол диэлектрических потерь

Диэлектрические потери небольшие (tgδ ≈ 10 -4 ) и обусловлены только током сквозной проводимости. При нагревании tgδ незначительно нелинейно увеличивается в связи с увеличением концентрации свободных зарядов (рис. 1.2б).

Твердые диэлектрики молекулярного строения полярные

Диэлектрики этой группы (канифоль и др.) наряду с электронной поляризацией обладают и дипольно-релаксационной. Поэтому диэлектрическая проницаемость у этих диэлектриков имеет более высокие значения, чем у неполярных диэлектриков (e = 3 ÷ 20 и более).

Рис. 1.2. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость (а) и tgδ (б) неполярных диэлектриков молекулярного строения: 1 – потери на электропроводность

Зависимость e(Т) для этой группы диэлектриков приведена на рис.3а. С повышением температуры в результате ослабления межмолекулярных связей увеличивается ориентация диполей в направлении электрического поля, поэтому ε возрастает (рис. 1.3а, участок ab). Однако с повышением температуры возрастает и энергия теплового хаотического движения диполей и выше температуры Тm дезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при Т > Тm) ε уменьшается (участок bc).

Диэлектрические потери обусловлены током сквозной проводимости и дипольно-релаксационной поляризацией.

Зависимость изменения tgd от температуры приведена на рис. 1.3б. При увеличении температуры до Т΄m дипольно-релаксационные потери возрастают в результате ослабления межмолекулярных связей и увеличения ориентация диполей в направлении электрического поля. При этом увеличивается энергия электрического поля, потребляемая на ориентацию диполей, которая расходуется на трение и переходит в тепло (рис. 1.3б, кривая аb). При дальнейшем нагревании в результате роста энергии теплового хаотического движения полярных молекул дипольно-релаксационная поляризация уменьшается; уменьшаются и релаксационные потери (рис. 1.3б, кривая bс).

Дальнейшее увеличение tgd при повышении температуры (рис. 1.3б, участок cd) происходит за счет роста электропроводности диэлектрика.

Рис.1.3. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость и tgδ полярных диэлектриков молекулярного строения: 1 – электронная поляризация, 2 – n(T), 3 – дипольно-релаксационная поляризация, 4 – потери на электропроводность, 5 – дипольно-релаксационные потери

Твердые диэлектрики ионного строения с плотной упаковкой решетки ионами

Для таких диэлектриков (корундовая керамика Al2О3, слюда, кварц SiО2 и др.) характерны электронная и ионная поляризации. Значение ε изменяется в пределах 3 ÷ 10. При нагревании ε возрастает линейно (ТК ε > 0) (рис. 1.4а). Это связано с ослаблением межионных сил и увеличением смещения ионов относительно друг друга под действием электрического поля.

Диэлектрические потери обусловлены только током сквозной проводимости и имеют небольшие значения (tgδ ≈ 10 -4 ). При повышении температуры потери незначительно возрастают, так как возрастает ток сквозной проводимости ввиду увеличения степени диссоциации примесей и ионизации материала диэлектрика (рис. 1.5, кривая II).

Рис.1.4. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость диэлектриков c плотной (а) и с неплотной (б) упаковкой решетки ионами; составляющие поляризации: 1 – электронная,

2 – ионная, 3 –n(T),4 – ионно-релаксационная поляризация

Твердые диэлектрики ионного строения аморфные и с неплотной упаковкой решетки ионами

Диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков (неорганические стекла, электротехнический фарфор, асбест и др.) увеличивается нелинейно при увеличении температуры за счет увеличения интенсивности ионной и, главным образом, ионно-релаксационной поляризаций (рис. 1.4б). Значение ε изменяется в пределах 4 ÷ 20. По сравнению с диэлектриками с плотной упаковкой решетки ТК ε для этих диэлектриков имеет более высокие значения.

Диэлектрические потери в этом случае обусловлены током сквозной проводимости и ионно-релаксационной поляризацией (см. рис. 1.5, кривая I). Потери в этих диэлектриках выше, чем в диэлектриках кристаллических с плотной упаковкой решетки ионами (tgδ ≈ 10 -2 ) и сильно зависят от температуры: при нагревании tgδ существенно возрастает.

Рис. 1.5. Зависимости tgδ от температуры диэлектриков ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной (I) и с плотной (II) упаковкой решетки: 1 – потери, обусловленные током проводимости; 2 — потери, обусловленные ионно-релаксационной поляризацией

Читайте так же:
Как подключить механизм розетки

Неполярные полимеры

Для полимерных неполярных диэлектриков (полиэтилен, полистирол, полипропилен и др.) при Т < Тс характерна только электронная поляризация (здесь ε = 2÷2,5). С увеличением температуры при Т < Тс ε слегка уменьшается, так как уменьшается n (рис. 1.6а).

Рис.1.6. Зависимость диэлектрической проницаемости ε неполярного (а)

и полярного (б) полимера от температуры; составляющие поляризации: 1 – электронная, 2 –n(T), 3 – дипольно-сегментальная поляризация,

4 – дипольно-групповая поляризация

При Т > Тс имеет место дипольно-сегментальная и электронная поляризации. Здесь при нагревании полимера до Tm ε возрастает в результате ослабления межмолекулярных связей и увеличения степени ориентация сегментов макромолекул в направлении электрического поля. Однако с повышением температуры возрастает и энергия теплового хаотического движения сегментов и выше температуры tm дезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при T > Tm) ε уменьшается.

Диэлектрические потери при Т < Тс имеют небольшую величину (tgδ = 10 -4 ÷ 10 -3 ) и очень слабо зависят от температуры (рис. 1.7а). При нагревании (при Т < Тс) tgδ незначительно возрастает, так как слегка возрастает ток сквозной проводимости (см. рис. 7а, кривая 1). Кривая зависимости tgδ(Т) при Т > Тс возрастает и проходит через максимум, обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией. С дальнейшим увеличением температуры tgδ растет вследствие увеличения тока сквозной проводимости.

Рис. 1.7. Зависимость tgd неполярного (а) и полярного полимеров от температуры: 1 – потери, обусловленные током проводимости, 2 — дипольно-сегментальной поляризацией, 3 — дипольно-групповой поляризацией

Полярные полимеры

Для полимерных полярных диэлектриков (полиэтилентерефталат, поливинилхлорид, фторопласт – 3, полиимиды и др.) при Т < Тс характерны электронная и дипольно-групповая поляризации, а при Т > Тс — электронная и дипольно-сегментальная (рис. 1.6б). Поэтому ε полярных полимеров больше (ε = 3 ÷ 6 и более), чем у неполярных. При нагревании ε походит через два максимума, один — при Т < Тс , обусловленный дипольно-групповой поляризацией, и другой — при Т > Тс , обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией.

Полярные полимеры имеют большие значения tgδ, чем неполярные (tgδ = 10 -3 ÷ 10 -2 и выше). С увеличением температуры tgδ проходит два максимума, обусловленные соответственно дипольно-групповой (при Т < Тс) и дипольно-сегментальной (при Т > Тс) поляризациями и далее возрастает вследствие увеличения тока сквозной проводимости (рис. 1.7б).

Электрическое поле и электрический ток

Взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле.

Электрическое поле

Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Если к электроскопу, не касаясь его оси, поднести на некотором расстоянии заряженную палочку, то стрелка все равно будет откланяться. Это и есть действие электрического поля.

Напряженность электрического поля

Заряды, находясь на некотором расстоянии один от другого, взаимодействуют. Это взаимодействие осуществляется посредством электрического поля. Наличие электрического поля можно обнаружить, помещая в различные точки пространства электрические заряды. Если на заряд в данной точке действует электрическая сила, то это означает, что в данной точке пространства существует электрическое поле. Графически силовые поля изображают силовыми линиями.

Силовая линия – это линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором напряженности электрического поля в этой точке.

Напряженность электрического поля – это физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный заряд, помещенный в данную точку поля. За направление вектора напряженности принимают направление силы, действующей на точечный положительный заряд.

Однородное электрическое поле – это такое поле, во всех точках которого напряженность имеет одно и то же абсолютное значение и направление. Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Силовые линии такого поля являются прямыми одинаковой густоты.

Потенциал. Разность потенциалов. Кроме напряженности, важной характеристикой электрического поля является потенциал j. Потенциал j – это энергетическая характеристика электрического поля, тогда как напряженность E – это его силовая характеристика, потому что потенциал равен потенциальной энергии, которой обладает единичный заряд в данной точке поля, а напряженность равна силе, с которой поле действует на этот единичный заряд.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками или изоляторами называются тела, которые не могут проводить через себя электрические заряды. Это объясняется отсутствием в них свободных зарядов.

Если одни конец диэлектрика внести в электрическое поле, то перераспределения зарядов не произойдет, т. к. в диэлектрике нет свободных носителей заряда. Оба конца диэлектрика будут нейтральны. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т. е. смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества.

Читайте так же:
Как подсоединить провода сетевой розетке

Полярные и неполярные диэлектрики

Виды диэлектриков

К неполярным относятся диэлектрики, в атомах или молекулах которых центр отрицательно заряженного электронного облака совпадает с центром положительного атомного ядра. Например, инертные газы, кислород, водород, бензол.

Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Например, спирты, вода. Их молекулы можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такую в целом нейтральную систему называют электрическим диполем.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды. Это свойство проводников объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут быть металлы и растворы электролитов.

Если взять металлический проводник и один его конец поместить в электрическое поле, то на данном конце появится электрический заряд. Согласно закону сохранения электрического заряда, на другом конце проводника появится равный ему по модулю и противоположный по знаку заряд. Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией.

При внесении в электрическое поле проводника свободные заряды в нем приходят в движение. Перераспределение зарядов вызывает изменение электрического поля. Движение зарядов прекращается только тогда, когда напряженность электрического поля внутри проводника становится равной нулю. Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела. Электростатическое поле внутри проводника равно нулю, весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности.

Электроемкость и конденсатор

Электроемкость – количественная мера способности проводника удерживать заряд.

Простейшие способы разделение разноименных электрических зарядов – электризация и электростатическая индукция – позволяют получить на поверхности тел не большое количество свободных электрических зарядов. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.

Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор.

Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, т. к. равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению.

Электрический ток

Это направленное движение заряженных частиц. В металлах носителями тока являются свободные электроны, в электролитах – отрицательные и положительные ионы, в полупроводниках – электроны и дырки, в газах – ионы и электроны. Количественной характеристикой тока является сила тока.

Источниками могут служить – гальванический элемент(происходят хим. реакции и внутренняя энергия, превращается в электрическую) и аккумулятор(для зарядки через него пропускают постоянный ток, в результате химической реакции один электрод становиться положительно заряженным, другой – отрицательно.

Действия электрического тока: тепловое, химическое, магнитное.

Направление электрического тока: от + к –

Направленное движение заряженных частиц

Направленное движение заряженных частиц

Поэтому достаточным условием для существования тока является наличие электрического поля и свободных носителей заряда. О наличии тока можно судить по явлениям, которые его сопровождают: Проводник, по которому течет ток, нагревается. Электрический ток может изменять химический состав проводника.

Силовое воздействие на соседние точки и намагниченные тела.

При существовании электрического поля внутри проводника, на концах его существует разность потенциалов. Если она не меняется, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

Сила тока

Сила тока – отношение заряда, пронесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени.

Сила тока, как и заряд, величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. За положительное направление силы тока принято движение положительных зарядов. Если с течением времени сила тока не меняется, то ток называется постоянным .

Электродвижущая сила

Для того, чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными условия, при которых возникает электрический ток.

Во внешней цепи электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Но, чтобы поддерживать разность потенциалов на концах внешней цепи, необходимо перемещать электрические заряды внутри источника тока против сил электрического поля. Такое перемещение может осуществляться только под действием сил неэлектростатической природы.

Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе раздела электрод – электролит. В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.

Читайте так же:
Адаптер переходник для розетки фаркопа

Последовательное и параллельное соединение проводников

Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений, все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Сила тока во всех проводниках одинакова, так как в проводниках электрический заряд не накапливается и через поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд.

При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.

При параллельном соединении электрическая цепь имеет разветвления (точку разветвления называют узлом). Начала и концы проводников имеют общие точки подключения к источнику тока.

При этом напряжение на всех проводниках одинаково. Сила тока равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках, так как в узле электрический заряд не накапливается, поступающий за единицу времени в узел заряд равен заряду, уходящему из узла за то же время.

Соединение источников тока

Соединение источников тока

Соединение источников тока

Химические источники э. д. с. (аккумуляторы, элементы) включаются между собой последовательно, параллельно и смешанно.

Последовательное соединение источников э. д. с. На рисунке представлены три соединенных между собой аккумулятора. Такое соединение аккумуляторов, когда минус каждого предыдущего источника соединен с плюсом последующего источника, называется последовательным соединением. Группа соединенных между собой аккумуляторов или элементов называется батареей.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрики в электрическом полеВсе известные человечеству вещества способны проводить электрический ток в различной степени: какие-то лучше проводят ток, какие-то — хуже, другие — почти не проводят. В соответствии с этой способностью, вещества делятся на три основных класса:

Идеальный диэлектрик не содержит в себе зарядов, способных к перемещению на значительные расстояния, то есть свободных зарядов в идеальном диэлектрике нет. Однако, помещенный во внешнее электростатическое поле, диэлектрик реагирует на него. Происходит поляризация диэлектрика, то есть под действием электрического поля, заряды в диэлектрике смещаются. Это свойство, способность диэлектрика к поляризации, является главным свойством диэлектриков.

Так, поляризуемость диэлектриков включает три составляющие поляризуемости:

поляризуемость диэлектриков

При поляризации происходит смещение зарядов под действием электростатического поля. В итоге, каждый атом или каждая молекула создает электрический момент P.

смещение зарядов

Заряды диполей внутри диэлектрика взаимно компенсируют друг друга, однако на наружных поверхностях, которые прилегают к электродам, служащим источником электрического поля, появляются поверхностно связанные заряды, имеющие противоположный заряду соответствующего электрода знак.

Заряды диполей внутри диэлектрика взаимно компенсируют друг друга

Электростатическое поле связанных зарядов E’ всегда направлено противоположно внешнему электростатическому полю E0. Получается, что внутри диэлектрика есть электрическое поле, равное E = E0 – E’.

Диэлектрики в электрическом поле

Если тело из диэлектрика в форме параллелепипеда помещено в электростатическое поле напряженностью E0, то его электрический момент может быть вычислен по формуле: P = qL = σ’SL = σ’SlCosφ, где σ’ – поверхностная плотность связанных зарядов, а φ — угол между поверхностью грани площадью S и нормалью к ней.

Далее, зная n — концентрацию молекул в единице объема диэлектрика и P1 — электрический момент одной молекулы, можно вычислить значение вектора поляризации, то есть электрический момент единицы объема диэлектрика.

Подставив теперь объем параллелепипеда V = SlCos φ, легко вывести, что поверхностная плотность поляризационных зарядов численно равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности. Логическим следствием будет то, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E’ влияет лишь на нормальную составляющую напряженности приложенного внешнего электростатического поля E.

Расписав электрический момент одной молекулы через напряженность, поляризуемость и диэлектрическую проницаемость вакуума, вектор поляризации можно записать как:

Где α — поляризуемость одной молекулы данного вещества, а χ = nα — диэлектрическая восприимчивость — макроскопическая величина, характеризующая поляризацию единичного объема. Диэлектрическая восприимчивость — величина безразмерная.

Таким образом, у результирующего электростатического поля E изменяется, в сравнении с E0, лишь нормальная компонента. Тангенциальная же компонента поля (направленная по касательной к поверхности) не изменяется. В результате, в векторной форме значение напряженности результирующего поля можно записать:

Значение напряженности результирующего электростатического поля в диэлектрике равно напряженности внешнего электростатического поля, деленной на диэлектрическую проницаемость среды ε:

Диэлектрическая проницаемость среды ε = 1 + χ является главной характеристикой диэлектрика, и свидетельствует о его электрических свойствах. Физический смысл данной характеристики заключается в том, что он показывает, во сколько раз напряженность E поля внутри данной диэлектрической среды меньше, чем напряженность E0 в вакууме:

При переходе из одной среды в другую, напряженность электростатического поля меняется скачком, и график зависимости напряженности поля от радиуса диэлектрического шара, находящегося в среде с диэлектрической проницаемостью ε2, отличной от диэлектрической проницаемости шара ε1, отражает это:

напряженность электростатического поля меняется скачком

1920 год явился годом открытия явления спонтанной поляризации. Группу веществ, подверженной этому явлению, назвали сегнетоэлектриками или ферроэлектриками. Явление проявляется благодаря тому, что для сегнетоэлектриков характерна анизотропия свойств, при которой сегнетоэлектрические проявления можно наблюдать лишь вдоль одной из осей кристалла. У изотропных же диэлектриков все молекулы поляризуются одинаково. У анизотропных — в разных направлениях векторы поляризации направлением отличаются.

Читайте так же:
Как зачистить провод для розеток

Сегнетоэлектрики отличаются высокими значениями диэлектрической проницаемости ε в определенном интервале температур:

При этом значение ε зависит как от приложенного к образцу внешнего электростатического поля E, так и от предыстории образца. Диэлектрическая проницаемость и электрический момент здесь нелинейно зависят от напряженности E, поэтому сегнетоэлектрики относятся к нелинейным диэлектрикам.

Сегнетоэлектрикам свойственна точка Кюри, то есть начиная от определенной температуры и выше, сегнетоэлектрический эффект пропадает. При этом происходит фазовый переход второго рода, например для титаната бария температурой точки Кюри является +133°C, для сегнетовой соли от -18°C до +24°C, для ниобата лития +1210°C .

Сегнетоэлектрики и обычные диэлектрики

Поскольку диэлектрики поляризуются нелинейно, здесь имеет место диэлектрический гистерезис. В точке «а» на графике происходит насыщение. Ec – коэрцитивная сила, Pc – остаточная поляризация. Кривая поляризации называется петлей гистерезиса.

сегнетоэлектрики разбиты внутри на домены

Из-за стремления к минимуму потенциальной энергии, а также из-за дефектов, свойственных их структуре, сегнетоэлектрики разбиты внутри на домены. Домены имеют различное направление поляризации, и в отсутствие внешнего поля их суммарный дипольный момент почти равен нулю.

Под действием же внешнего поля E, границы доменов смещаются, и часть доменов, поляризованных против поля помогает поляризации доменов по направлению поля E.

Ярким примером такой структуры является тетрагональная модификация BaTiO3.

В достаточно сильном поле E кристалл становится однодоменным, а после выключения внешнего поля, поляризация остается (это и есть остаточная поляризация Pc).

Для уравнивания объемов доменов противоположного знака, необходимо приложить к образцу внешнее электростатическое поле Eс, коэрцитивное поле, в противоположном направлении.

Встречаются среди диэлектриков и электрические аналоги постоянных магнитов — электреты. Это такие особые диэлектрики, которые способны сохранять поляризацию продолжительно даже после отключения внешнего электрического поля.

Есть в природе диэлектрики, поляризуемые при механическом воздействии на них. От механической деформации кристалл поляризуется. Это явление известно как пьезоэлектрический эффект. Он был открыт в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри.

Пьезоэлектрики

Суть в следующем. На наложенных на грани кристалла пьезоэлектрика металлических электродах, возникнет разность потенциалов в момент осуществления деформации кристалла. Если электроды будут замкнуты проводником, то в цепи возникнет электрический ток.

поляризация кристалла приводит к его деформации

Обратный пьезоэлектрический эффект также возможен — поляризация кристалла приводит к его деформации. При подаче напряжения на электроды, приложенные к пьезокристаллу, возникнет механическая деформация кристалла, она будет пропорциональна напряженности приложенного поля E0. На данный момент науке известно более 1800 видов пьезоэлектриков. Все сегнетоэлектрики в полярной фазе проявляют пьезоэлектрические свойства.

Некоторые диэлектрические кристаллы поляризуются при нагревании или при охлаждении, это явление известно как пироэлектричество. Например, один конец пироэлектрического образца при нагревании заряжается отрицательно, а другой — положительно. А при охлаждении, тот конец, который стал отрицательно заряженным при нагревании, станет положительно заряженным при охлаждении. Очевидно, это явление связано с изменением исходной поляризации вещества с изменением его температуры.

Классификация твердых диэлектриков

Каждый пироэлектрик обладает пьезоэлектрическими свойствами, но далеко не каждый пьезоэлектрик является пироэлектриком. Некоторые из пироэлектриков обладают сегнетоэлектрическими свойствами, то есть способны к спонтанной поляризации.

На границе двух сред с различными значениями диэлектрической проницаемости, напряженность электростатического поля E изменяется скачком в месте резкого изменения ε.

Электрическое смещение

Для упрощения расчетов в электростатике, был введен вектор электрического смещения или электрическая индукции D.

Поскольку E1ε1 = E2ε2, то и E1ε1ε0 = E2ε2ε0, значит:

То есть, при переходе из одной среды в другую остается неизменным вектор электрического смещения, то есть электрическая индукция. Это наглядно иллюстрирует рисунок:

электрическая индукция

Для точечного заряда в вакууме вектор электрического смещения равен:

Подобно магнитному потоку для магнитных полей, в электростатике используется поток вектора электрического смещения.

поток вектора электрического смещения

Так, для однородного электростатического поля, при пересечении линиями вектора электрического смещения D площадки площадью S под углом α к нормали, можно записать:

Теорема Остроградского—Гаусса для вектора E позволяет получить соответствующую теорему для вектора D.

Итак, теорема Остроградского-Гаусса для вектора электрического смещения D звучит так:

Поток вектора D через любую замкнутую поверхность определяется только свободными зарядами, а не всеми зарядами внутри объема, ограниченного данной поверхностью.

Для примера можно рассмотреть задачу с двумя бесконечно протяженными диэлектриками с различными ε, и имеющими границу раздела двух сред, пронизываемыми внешним полем E.

задача с двумя бесконечно протяженными диэлектриками с различными 949;

Если ε2 > ε1, то с учетом того, что E1n/E2n = ε2/ε1, и E1т = E2т, поскольку изменяется только нормальная составляющая вектора E, меняется лишь направление вектора E.

Мы получили закон преломления напряженности вектора E.

Закон преломления для вектора D аналогичен, поскольку D = εε0E, и это иллюстрирует рисунок:

Закон преломления для вектора D

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector