Диэлектрики полярные, неполярные и с ионной структурой

В настоящее время принято разделение линейных диэлектриков по механизмам поляризации молекул. Эта классификация исключительно важна при изучении как электрических, так и общих физико-химических свойств диэлектриков.

Неполярные диэлектрики (нейтральные) - состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент р=0.

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. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. Но при замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или не углеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. Примеры молекул неполярных и полярных веществ показаны на рис. 3.1.3.

 

 

Метан СН₄

 

рис. 3.1.3

К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпок-сидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.

Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны, кроме электронной, ионная и электронно- релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций - электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризацию. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд, двуокись титана (рутил) и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке имеют также и ионно-релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.

 

Электронная поляризация

Электронная поляризация возникает в результате смещения электронных облаков относительно центра ядер атомов или ионов под действием электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектриках, а в неполярных материалах является единственным видом поляризации. Происходит электронная поляризация практически мгновенно—за время 10^-14-10^-16 с. После выключения электрического поля энергия, затраченная на поляризацию, возвращается источнику электрической энергии, так как деформированные оболочки атомов и ионов возвращаются в прежнее положение. Таким образом, эта поляризация происходит без потерь энергии. Вместе с ионной поляризацией она составляет группу “упругих” или быстрых видов поляризаций.

Электрический момент, приходящийся на одну частицу (атом, ион) для не слишком больших полей, пропорционален напряженности поля

Р=Аэ·Е (3.1.7)

Коэффициент Аэ называется электронной поляризуемостью. Для многих диэлектриков, таких как газы, неполярные жидкости можно легко установить взаимосвязь между макроскопическим параметром диэлектрической проницаемостью - ε и микроскопическим параметром - поляризуемостью Аэ, используя, приведенные в разделе “Поляризация” формулы р=n·Аэ·Е= εо(ε-1)·Е, откуда

ε=1+n·Аэ/εо, (3.1.8)

Аэ частиц от температуры не зависит, но диэлектрическая проницаемость, как видно из последней формулы, зависит от числа частиц в единице объема n, которое уменьшается с повышением температуры из-за теплового расширения диэлектрика.

В температурной зависимости ε неполярных диэлектриков резкое уменьшение ε с температурой наблюдается при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое-из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное. Диэлектрическая проницаемость ε неполярных диэлектриков близка к квадрату коэффициента лучепреломления диэлектрика (следствие уравнения Максвелла) ε=n². Так как время установления поляризации у таких диэлектриков очень мало, их ε не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот, порядка 10¹⁴-10¹⁶ Гц. При таких частотах будет наблюдаться резонансная поляризация.  

 

 

Ионная поляризация

Ионная поляризация наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время установления ионной поляризации весьма мало, всего на 2-3 порядка больше электронной поляризации. Соотношение ε=n² для веществ с ионной поляризацией не соблюдается.

Зависимость ε от температуры у твердых ионных линейных диэлектриков с ростом температуры может быть различной. У большинства ионных диэлектриков с ростом температуры ε увеличивается, так как при этом уменьшается коэффициент упругой связи между ионами и расстояние между ними увеличивается при тепловом расширении материала. Если обозначим через Купр. — коэффициент упругой связи, а через х смещение ионов, то в состоянии равновесия qЕ=Купр·dх, а элементарный электрический момент пары, состоящей из двух разноименно заряженных ионов Ри=q·dх=q²·Е/Купр и

Аи=q²/Купр. (3.1.9)

Тогда поляризованность единицы объема Ри будет равна сумме всех элементарных моментов, ε увеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы. Но у некоторых веществ и ε с большим внутренним полем электронная поляризация преобладает над ионной, как например у рутила TiО₃ и перовскита СаТiO₃, с ростом температуры уменьшается.

Если диэлектрик характеризуется не только электронной, но и ионной поляризацией, то общая поляризуемость (деформационная) будет равна сумме электронной и ионной поляризуемости А=Аэ+Аи. Наличие второго слагаемого приводит к тому, что А ионных диэлектриков больше, чем у неполярных веществ. Более высокие значения ε наблюдается у ионных диэлектриков, содержащих многовалентные ионы. В таких веществах ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, что обусловливает большую ионную поляризуемость.