Влияние напряженности поля на электропроводность диэлектриков

При сравнительно небольших значениях напряженности поля электропроводность диэлектриков следует закону Ома. Однако при повышении напряженности поля электропроводность перестает следовать закону Ома. При дальнейшем повышении напряженности поля возможны два случая: в первом электропроводность быстро нарастает с ростом напряженности поля (рис. 3.2. а), а во втором - вначале наступает насыщение электропроводности, и лишь затем в сильных полях наблюдается ее резкий рост (рис. 3.2 б).

Рис. 3.2. Зависимость электропроводности от напряженности поля для загрязненных диэлектриков и чистых диэлектриков с ионной связью (а) и неионных кристаллов высокой чистоты (б).

Первый случай наблюдается в загрязненных диэлектриках и чистых диэлектриках с ионной связью, в которых при увеличении напряженности поля происходит размножение заряженных частиц. Второй случай типичен для неионных диэлектриков высокой чистоты, в которых число заряженных частиц ограничено, что и вызывает насыщение электропроводности. В очень сильных полях происходит размножение ионов в результате перехода к пробою диэлектриков.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

 

Поляризацией называется такое состояние диэлектрика, когда суммарный электрический момент отличен от нуля. Появление поляризации является следствием воздействия различных факторов: электрического поля, температуры, механических напряжений и др. В большинстве диэлектриков поляризация возникает под действием электрического поля, поэтому в основном мы будем рассматривать этот случай.

По электрической структуре все диэлектрики можно разделить на полярные и неполярные. У полярных диэлектриков структурные единицы вещества имеет собственный дипольный момент. У неполярных диэлектриков в отсутствии внешнего поля дипольного момента нет. При помещении диэлектрика в электрическое поле диполи в полярных диэлектриках поворачиваются по полю. В неполярных диэлектриках внешнее электрическое поле приводит к смещению зарядов внутри электрически нейтральных молекул, что также приводит к появлению электрических диполей. Таким образом, внутри диэлектрика возникает собственное поле, направленное противоположно внешнему полю. В итоге напряженность внешнего поля в диэлектрике ослабевает в e₀eраз.

Величина дипольных моментов (m), наводимых внешним полем, пропорциональна напряженности внешнего поля:

m=aE (2)

где aкоэффициент пропорциональности, называемый поляризуемостью.

Суммарный дипольный момент в единице объема тела V является численной характеристикой поляризации (Р)

(3)

Диэлектрическую проницаемость можно определить как отношение вектора электрического смещения D к напряженности Е внешнего поля, вызвавшего это смещение:

e= (4)

Поскольку вектор электрического смещения является суперпозиций напряженности электрического смещения и поляризации:

D=E+P (5)

то диэлектрическую проницаемость можно выразить как:

e= 1+ P/E (6)

По механизму смещения заряженных частиц различают электронную, ионную и дипольную поляризацию. По характеру смещения заряженных частиц поляризация может быть упругой (безгистерезисной) и релаксационной (гистерезисной).

 

Упругая поляризация

Упругая поляризация не связана с тепловым движением молекул. К ней относятся следующие виды поляризации:

а) поляризация упругого электронного смещения;

б) поляризация ионного упругого смещения;

в) дипольно-упругая поляризация;

г) поляризация упругого ядерного смещения.

Характерным для этих видов поляризации является то, что заряженные частицы под действием поля смещаются на очень малые расстояния в пределах поля упругих сил, связывающих эти частицы с другими. В этой связи поляризацией упругого ядерного смещения в промышленных материалах можно пренебречь.

Рис. 3.3. Деформация симметричных электронных оболочек атомов и образование диполей при наличии электрического поля. а) симметричные электронные оболочки атомов при отсутствии электрического поля; б) деформированные электронные оболочки атомов при наличии внешнего поля напряженностью Е.

Поляризация упругого электронного смещения. Этот вид поляризации связан со смещением электронных оболочек атомов относительно ядер и имеет место во всех без исключения диэлектриках, за исключением абсолютного вакуума. Важно отметить, что у неполярных диэлектриков с ковалентной связью между атомами поляризация упругого электронного смещения является основным видом поляризации (полиэтилен, трансформаторное масло, парафин, водород) (рис. 3.3.).

Дипольный момент, возникающий в атомах вследствие упругого электронного смещения, увеличивается при увеличении радиусов электронных оболочек атомов и количества электронов на них.

Рис. 3.4. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков.

Поскольку общий эффект поляризации при упругой деформации электронных оболочек в электрическом поле невелик, диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков мала. Так у парафина e=1,8 - 2,2; у алмаза e=2,4; у кремния - 12,5; у германия - 16,0. Поскольку в качестве диэлектрических материалов алмаз, кремний, германий не используются, а используются различные углеводороды, то типичные значения eдля диэлектриков с неполярными молекулами составляют 1,8 – 2,6.

При возрастании температуры объем диэлектрика возрастает, и диэлектрическая проницаемость, в соответствии с выражением (3), уменьшается (рис. 3.4.). Особенно заметно уменьшение eпри плавлении и испарении диэлектриков, когда их объем существенно возрастает.

В неполярных диэлектриках диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты внешнего поля. Это связано с тем, что частота вращения электронов на орбитах велика ~1015 -1016 Гц.

 

Поляризация упругого ионного смещения. Этот вид поляризации вызван упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Он характерен для ионных кристаллов (мрамор, поваренная соль, слюда, кварц и др.). Важно отметить, что в таких материалах, наряду с поляризацией упругого ионного смещения, присутствует и поляризация упругого электронного смещения. Типичная величина диэлектрической проницаемости составляет 5-150. Так у поваренной соли (NaCl) e=6, у корунда (Al₂O₃) e=10, у рутила (TiO₂)e=110, у титаната кальция (CaTiO₃) e=150. Из приведенных данных следует, что величина поляризации возрастает с увеличением радиусов ионов и с увеличением их зарядов.

Рис. 3.4.. Смещение ионов и упругая ионная поляризация при наличии электрического поля. а) электрическое поле отсутствует, б) электрическое поле присутствует.

Повышение температуры увеличивает межатомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов возрастает (рис. 3.5.).

 

Время установления этого механизма поляризации сравнимо с периодом оптических колебаний ионов в кристаллической решетки и составляет 10^-12 - 10^-13 с. Поэтому до частот 10¹²- 10¹³ Гц диэлектрическая проницаемость веществ с ионной связью не зависит от частоты внешнего поля.

Рис. 3.5. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для ионных кристаллов.

Дипольно-упругая поляризация. Эта поляризация заключается в повороте на малый угол диполей и имеет место в полярных твердых диэлектриках, где диполи прочно связаны связями с другими молекулами. Время установления этой поляризации составляет 10^-12 – 10^-13с.

Поляризация упругого ядерного смещения. Этот вид поляризации наблюдается в газах со сложными молекулами. Время установления 10^-12 – 10^-13 с. Вклад этой поляризации в диэлектрическую проницаемость пренебрежимо мал.