Geum.ru

Кафедра физики и технологии электротехнических материалов и компонентов (фтэмк)

Вид материалаДокументы
Классификация диэлектриков на неполярные, полярные и с ионной структурой
Неполярные диэлектрики
Полярные диэлектрики
Ионные соединения
Электронная поляризация
Подобный материал:
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   20

Классификация диэлектриков на неполярные, полярные и с ионной структурой


Для установления механизмов поляризации диэлектриков, что важно для правильного практического использования диэлектриков, необходимо, прежде всего, уяснить взаимосвязь способности веществ к поляризации с их химической природой. В связи с этим следует упомянут имена двух ученых - П.И.Вальдена и П.Дебая, в работах которых (1910 и 1912 гг.) впервые рассматривалось влияние химической природы вещества на процесс диэлектрической поляризации.

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

p = q.l = 0




Вещество

p,.10-30Кл.м


Иодистый калий

23


Фенол

5.2


Нитробензол

5.1


Ацетон

9.7


Хлорид олова

17


Вода

6.1
Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных, являются углеводородные материалы, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. Но при замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или неуглеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. Значения дипольных моментов некоторых полярных веществ (по Б.М.Тарееву) приведены таблице.






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.

К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.



Ионные соединения


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.

Только быстрые виды поляризаций (электронная и ионная) наблюдаются в кристаллических веществах с плотной упаковкой ионов. К таким веществам относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд, двуоки титана (рутил) и др. Ко второй группе относятся кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке - неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.

Электронная поляризация


Электронная поляризация - смещение электронного облака относительно центра ядра атома или иона в результате чего возникает электрический момент, исчезающий после окончания действия электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектриках. Единственным видом поляризации она является в неполярных диэлектриках. Время протекания поляризации 10-14 - 10-15с. Так как после снятия поля деформированные электронные оболочки возвращаются прежнее положение, то энергия, затраченная на поляризацию, возвращается источнику электрической энергии, поэтому эта поляризация происходит без потерь энергии. Электронная поляризация вместе ионной составляют группу "упругих" или быстрых видов поляризаций.

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

P = . E ; (10)

Коэффициент называется электронной поляризуемостью.

Для многих диэлектриков, таких как газы, неполярные жидкости можно легко установить взаимосвязь между макроскопическим параметром диэлектрической проницаемостью и микроскопическим параметром - поляризуемостью , используя (9):

P =nE=(-1)E, откуда

=1+ n/. (11)

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 изза теплового расширения диэлектрика.



В температурной зависимости диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков резкое уменьшение с температурой наблюдается при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное состояние, как показано на рисунке.

Состояния: 1 - твердое, 2 - жидкое, 3 - газообразное

Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков близка к квадрату лучепреломления диэлектрика (следствие уравнения Максвела).



Так как время установления поляризации у таких диэлектриков очень мало по сравнению с полупериодом приложенного напряжения, их диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот, порядка 1014 - 1016 Гц. При таких частотах будет наблюдаться резонансная поляризация.



На рисунке представлена зависимость от частоты (частота в Гц) для неполярных диэлектриков.

Большие отличия от свидетельствуют о том, что кроме электронной, в веществе возникают и другие виды поляризаций.