Вся РоссияКомпании
здесь будут опции для поиска

Поляризация диэлектриков


В изоляционных материалах в отличие от металлов и электролитов ничтожно мало зарядов, могущих перемещаться на значительные расстояния и создавать ток. Изоляционные материалы построены либо из нейтральных молекул, либо из заряженных ионов, закрепленных в определенных положениях равновесия. Под воздействием внешнего электрического поля заряды, входящие в состав изоляционных материалов, не срываются полем со своих мест (в период до электрического пробоя), а лишь несколько смещаются из первоначального положения равновесия в некоторые новые равновесные положения.

В электростатическом поле при наличии в нем диэлектрика различают два рода электрических зарядов: свободные и связанные. К свободным зарядам относят все электрические заряды, которые под влиянием электрического поля могут перемещаться на макроскопические расстояния. К связанным зарядам относят заряды, входящие в состав нейтральных диэлектриков, а также ионы, закрепленные в твердых диэлектриках вблизи определенных положений равновесия.

По строению молекул, определяющему многие из электроизоляционных свойств, изоляционные материалы разделяют на дипольные (полярные), молекулы которых всегда имеют некоторый отличный от нуля дипольный момент, и нейтральные, молекулы которых приобретают индуцированный дипольный момент только при наложении внешнего электрического поля. Дипольный момент μ молекулы равен произведению суммы всех входящих в состав молекулы положительных и отрицательных зарядов на расстояние между центрами тяжести всех положительных и отрицательных зарядов в молекуле. Если молекулы обладают постоянными дипольными моментами или если при большой поляризуемости молекул в них возникают индуцированные диполи, то появляется дополнительное дипольное взаимодействие. Энергия этого взаимодействия является электростатической и убывает обратно пропорционально шестой степени расстояния. Если молекулы обладают постоянным дипольным моментом μ то под действием электрических сил они стремятся ориентироваться одна относительно другой так, чтобы энергия взаимодействия диполей уменьшалась. Эту ориентацию нарушает хаотическое тепловое движение. Энергия электростатического взаимодействия в сильной степени зависит от температуры. При достаточно высоких температурах, когда энергия взаимодействия двух диполей U дип <<κT, энергия ориентационного взаимодействия

В молекулах, обладающих заметной поляризуемостью α, возникают индуцированные дипольные моменты ρ = αE, где Е - напряженность электрического поля. Энергия взаимодействия индуцированных диполей не зависит от температуры (формула Дебая):

При помещении изоляционных материалов в электрическое поле в их атомно-электронной структуре и электрическом состоянии происходит ряд существенных изменений, называемых электрической поляризацией. Диэлектрические свойства характеризуются диэлектрической проницаемостью ε, связанной с индукцией D, напряженностью Е и поляризацией Р соотношением

откуда

Для однородной изоляции поляризация

где п 0 - число молекул в единице объема; при E а = 0

откуда зависимость между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью молекул изоляции будет иметь вид:

Умножив обе части (1-48) на молекулярный объем V = μ/γ (где μ - масса грамм-моля; γ - плотность диэлектрика; Vn o = N - число Авагадро, равное 6,06-10 23 ; Р м = 4πNα/3 - молекулярная поляризация, равная 2,54-10 24 α), Получим формулу Клаузиуса-Мосотти:

Для полярных жидкостей и растворов по Дебаю ориентационная поляризуемость представляет собой комплексную величину:

где τ - время релаксации, пропорциональное вязкости среды η o .

При электронной поляризации происходит смещение орбит электронов относительно атомного ядра. Этот вид поляризации протекает очень короткое время (порядка 10- 15 сек) при наложении внешнего электрического поля. При ионной поляризации происходит взаимное смещение ионов, составляющих молекулу. Эта поляризация протекает также за короткое время (порядка 10- 13 сек).

Поляризуемость в общем случае можно представить в виде суммы трех членов:

Ориентационная поляризуемость α op = P o 2 /3kT. Поляризация вещества, связанная с ориентацией молекул, в отличие от электронной поляризации сильно зависит от температуры.


к содержанию