Термины
По проводимости электрического тока вещества подразделяют на группы:
- диэлектрики;
- полупроводники;
- проводники.
Отлично проводят ток металлы — величина их удельной электропроводимости достигает 106-108 (Ом · м)-1.
А диэлектрические материалы не способны проводить электрический ток, поэтому они применяются в качестве изоляторов. Они не имеют свободных носителей зарядов, отличаются дипольным строением молекул.
Полупроводниками же являются твердые материалы, имеющие промежуточные значения проводимости.
Классификация
Все диэлектрические материалы подразделяют на полярные и неполярные виды. У полярных изоляторов центры положительных и отрицательных зарядов смещены от центра. Молекулы таких веществ по своим электрическим параметрам аналогичны жесткому диполю, имеющему свой дипольный момент. В качестве полярных диэлектриков можно привести воду, аммиак, хлороводород.
Неполярные диэлектрики отличаются совпадением центров положительных и отрицательных зарядов. Они сходны по электрическим характеристикам упругому диполю. Примерами таких изоляторов являются водород, кислород, тетрахлорметан.
Электропроводность
Электропроводность диэлектриков объясняется присутствием в их молекулах незначительного числа свободных электронов. При смещении зарядов внутри вещества за некоторый промежуток времени, наблюдается постепенное установление равновесного положения, что и является причиной появления тока. Электропроводность диэлектриков существует в момент выключения и включения напряжения. Технические образцы изоляторов имеют максимальное количество свободных зарядов, поэтому в них появляются незначительные сквозные токи.
Электропроводность диэлектриков в случае постоянного значения напряжения вычисляется по сквозному току. Данный процесс предполагает выделение и нейтрализацию на электродах имеющихся зарядов. В случае переменного напряжения на величину активной проводимости влияет не только сквозной ток, но и активные компоненты поляризационных токов.
Электрические свойства диэлектриков зависят от плотности тока, сопротивления материала.
Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля
В ряде твёрдых Д. (пироэлектриках, сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, электретах) поляризация может существовать и без электрич. поля, т. е. может быть вызвана др. причинами. Так, в пироэлектриках заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. Д. спонтанно поляризован. Однако поляризация в пироэлектриках проявляется только при изменении темп-ры, когда компенсирующие поляризацию электрич. заряды не успевают перестроиться. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, спонтанная поляризация которых может существенно изменяться под влиянием внешних воздействий (темп-ры, электрич. поля). В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформации кристалла, что связано с особенностями их кристаллич. структуры. Поляризация в отсутствии поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами.
Твердые диэлектрики
Электропроводность твердых диэлектриков подразделяют на объемную и поверхностную. Для проведения сравнения этих параметров у различных материалов применяют значения объемного удельного и поверхностного удельного сопротивления.
Полная проводимость суммируется из двух этих величин, ее величина зависит от влажности среды и температуры окружающего воздуха. В случае продолжительной работы под напряжением, наблюдается уменьшение сквозного тока, проходящего через жидкие и твердые изоляторы.
А в случае увеличения тока через некоторый промежуток времени, можно вести речь о том, что внутри вещества будут протекать необратимые процессы, ведущие к разрушению (пробой диэлектрика).
Электрическая проводимость диэлектриков
мала, но всегда отлична от нуля. Подвижными носителями заряда в Д. могут быть электроны и ионы. В обычных условиях электронная проводимость Д. мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость может быть обусловлена перемещением как собственных ионов, так и примесных. Возможность перемещения ионов по кристаллу связана с наличием дефектов в кристаллах. Если, напр., в кристалле есть вакансия, то под действием поля соседний ион может занять её, во вновь образовавшуюся вакансию может перейти следующий ион и т. д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов происходит и в результате их перескоков по междоузлиям. С ростом темп-ры ионная проводимость возрастает. Заметный вклад в электрич. проводимость Д. может вносить поверхностная проводимость (см. Поверхностные явления).
Особенности газообразного состояния
Газообразные диэлектрики имеют незначительную электропроводность в том случае, если напряженность поля принимает минимальные значения. Возникновение тока в газообразных веществах возможно только в тех случаях, когда в них присутствуют свободные электроны либо заряженные ионы.
Газообразные диэлектрики являются качественными изоляторами, поэтому используются в современной электронике в больших объемах. Ионизация в таких веществах обуславливается внешними факторами.
Из-за соударений ионов газа, а также при термическом воздействии, ультрафиолетовом или рентгеновском действии, наблюдается и процесс образования нейтральных молекул (рекомбинация). Благодаря этому процессу ограничивается увеличение количества ионов в газе, устанавливается определенная концентрация заряженных частиц через короткий временной промежуток после воздействия внешнего источника ионизации.
В процессе возрастания напряжения, прикладываемого к газу, увеличивается движение ионов к электродам. Они не успевают рекомбинироваться, поэтому осуществляется их разряжение на электродах. При последующем повышении напряжения ток не возрастает, его именуют током насыщения.
Рассматривая неполярные диэлектрики, отметим, что воздух является совершенным изолятором.
Нелинейные свойства диэлектриков
Линейная зависимость $\boldsymbol P=ε_0ϰ\boldsymbol E$ справедлива только для полей $E$, значительно меньших внутрикристаллических полей $E_{кр}$ ($E_{кр}$ порядка 108 В/см). Т. к. $E_{пр}≪E_{кр}$, то в большинстве Д. не удаётся наблюдать нелинейную зависимость $P(E)$ в постоянном электрич. поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, в которых в сегнетоэлектрич. области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость $P(E)$. При высоких частотах электрич. прочность Д. повышается, поэтому нелинейные свойства любых Д. проявляются в ВЧ-полях больших амплитуд. В частности, в луче лазера могут быть созданы электрич. поля напряжённостью порядка 10 8 В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства Д., что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и др. нелинейные эффекты (см. Нелинейная оптика).
Жидкие диэлектрики
Электропроводность жидких диэлектриков объясняется особенностями строения молекул жидкости. В неполярных растворителях существуют диссоциированные примеси, включая и влагу. В полярных молекулах проводимость электрического тока объясняется также процессом распада на ионы самой жидкости.
В этом агрегатном состоянии ток также вызывается движением коллоидных частиц. Из-за нереальности полного выведения из такого диэлектрика примесей, возникают проблемы получения жидкостей с незначительной проводимостью тока.
Все виды изоляции предполагают поиск вариантов снижения удельной проводимости диэлектриков. Например, удаляют примеси, корректируют температурный показатель. Повышение температуры вызывает снижение вязкости, возрастание подвижности ионов, рост степени тепловой диссоциации. Данные факторы воздействуют на величину удельной проводимости диэлектрических материалов.
Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников
Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:
Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.
И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.
В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона — это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.
В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” — запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) — то это диэлектрик, в обратном случае дЭ
В данной статье речь далее пойдет только о диэлектриках. И раз уж мы чуть углубились в науку, то поговорим далее о свойствах и величинах, которые характеризуют эти электротехнические материалы в общем.
Электропроводность твердых тел
Она объясняется перемещением не только ионов самого изолятора, но и заряженных частиц примесей, содержащихся внутри твердого материала. По мере прохождения через твердый изолятор происходит частичное удаление примесей, что постепенно сказывается на проводимости тока. Учитывая особенности строения кристаллической решетки, перемещение заряженных частиц обусловлено флуктуацией теплового движения.
При невысоких температурах происходит движение положительных и отрицательных ионов примесей. Такие виды изоляции характерны для веществ с молекулярной и атомной кристаллической структурой.
Для анизотропных кристаллов величина удельной проводимости меняется в зависимости от его осей. К примеру, в кварце в направлении, расположенном параллельно основной оси, она превышает в 1000 раз перпендикулярное положение.
В твердых пористых диэлектриках, где практически нет влаги, незначительное повышение электрического сопротивления приводит к повышению их электрического сопротивления. У веществ, которые содержат примеси, растворимые в воде, наблюдается существенное уменьшение объемного сопротивления из-за изменения влажности.
Электронная библиотека
Общетехнические дисциплины / Материаловедение (электроматериаловедение) / 4.1.1. Электропроводность диэлектриков
Общие понятия
По сравнению с электропроводностью проводников (см. разд. 2) и полупроводников (см. разд. 3) электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.
Все диэлектрики под воздействием не изменяющегося во времени напряжения пропускают некоторый, хотя и весьма незначительный ток, называемый током утечки
(I), который складывается из двух составляющих: объемного тока () и поверхностного тока () (рис. 4.1).
(4.1)
Следовательно, общая проводимость диэлектрика () складывается из объемной () и поверхностной () проводимостей:
(4.2)
Величины, обратные указанным проводимостям, соответственно называют объемным () и поверхностным () сопротивлениями.
Следующей характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем (рис. 4.2). При подключении диэлектрика к не изменяющемуся во времени напряжению в начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения (Iсм) плотность которого равна:
.
Этот ток спадает за время 1013…1015 с порядка постоянной времени () схемы «источник-образец». То есть в первом приближении можно сказать, что этот ток обусловливается зарядкой геометрической емкости. Однако общий ток продолжает изменяться и после этого. Это спадание может продолжаться в течение нескольких минут и даже часов и обусловлено перераспределением объемных зарядов
, а также установлением медленных (в основном) и быстрых видов поляризации. Эту спадающую часть тока называют
током абсорбции
().
Со временем, когда произойдет зарядка геометрической емкости, т.е. установятся все виды поляризации, произойдет перераспределение объемных зарядов, и в диэлектрике останется не изменяющийся во времени электрический ток – сквозной ток (), который обусловлен поверхностной и объемной электропроводимостями:
. (4.3)
При изменении удельного сопротивления диэлектриков ток абсорбции необходимо исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некоторого времени.
Для сравнительной оценки различных диэлектриков в отношении их объемной и поверхностной электропроводности пользуются значениями удельного объемного сопротивления
(), и
удельного поверхностного сопротивления
(). По удельному, объемному сопротивлению может быть определена
удельная объемная проводимость
:
,
а по удельному поверхностному сопротивлению – удельная поверхностная проводимость
:
.
Объемное удельное сопротивление образца диэлектрика произвольной формы может быть найдено из выражения:
(4.4)
где – объемное сопротивление образца произвольной формы, Ом; – геометрический параметр, м.
Так, для плоского образца, у которого (см. разд. 1), удельное сопротивление равно:
, (4.5)
где – площадь поперечного сечения образца (площадь измерительного электрода), м2; – толщина образца, м.
Объемная удельная проводимость () измеряется в сименсах на метр ().
Удельное поверхностное сопротивление (в омах) может быть найдено из выражения:
, ………………..(4.6)
где – поверхностное сопротивление образца, Ом; – длина электродов, м; – расстояние между электродами, м.
Удельная поверхностная проводимость измеряется в сименсах.
Электропроводность газов
Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц (ионов газа или твердых и жидких примесей, находящихся во взвешенном состоянии) в 1 м3 атмосферного воздуха не превышает нескольких десятков миллионов.
Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами:
· радиоактивным излучением Земли;
· радиацией, проникающей из космического пространства;
· излучением Солнца;
· иногда тепловым движением молекул и т.п.
При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.
В ряде случаев концентрация свободных носителей заряда может достигать очень больших значений. Это обычно связано с фотоионизацией молекул газа. Такая ионизация может происходить, например, при воздействии ионизирующих излучений: рентгеновских и гамма-лучей, потоков нейтронов и т.п. Заряженные ионы так же, как и окружающие их не имеющие электрического заряда молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концен
трации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация. В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации заряженных частиц устанавливается динамическое равновесие.
Вычислим удельную проводимость газа. При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами со скоростями соответственно:
;
,
где и – подвижности положительного и отрицательного ионов.
Зависимость между числом имеющихся в 1 м3 газа положительных () и отрицательных () ионов и числом ионов, рекомбинирующих в 1 м3 газа за время 1 с (), можно представить так:
, (4.7)
где – коэффициент рекомбинации ионов газа, м3/с. Для воздуха, например, м3/с.
В стационарном случае
,
так что .
Если напряженность поля (Е) очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрацию ионов в газе, плотность тока может быть определена из выражения:
. (4.8)
Принимая во внимание, что , получим выражение для удельной проводимости газа:
. (4.9)
Удельная проводимость воздуха в слабых полях составляет около 10-15 См/м.
Из формулы (4.8) видно, что при малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда , , и можно считать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т.е. в этих условиях соблюдается закон Ома (рис. 4.3, участок 0А). Однако при дальнейшем возрастании напряженности приложенного поля из-за возрастания скорости дрейфа ионов вероятность их рекомбинации уменьшается, и в основном все ионы устремятся к электродам. Это ток насыщения (участок АВ).
Для воздуха при расстоянии между электродами 0,01 м насыщение достигается при напряженности поля 0,5 В/м. Плотность тока насыщения в воздухе (при обычных условиях) весьма мала и достигает 10-14 А/м2.
Участок 0АВ называют областью несамостоятельной электропроводности, так как электропроводность (концентрация свободных носителей зарядов) определяется мощностью внешних ионизаторов.
Значение удельного сопротивления воздуха () составляет порядка 1018 Ом∙м. При дальнейшем повышении напряженности поля В/м (рис. 4.3, участок ВС) происходит значительное повышение плотности тока вследствие процессов ударной ионизации
молекул электронами в сильном электрическом поле вплоть до пробоя газового промежутка. Участок ВС – называют
областью самостоятельной электропроводности
.
Электропроводность жидкостей
Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрации ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону:
, (4.10)
где W – энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость равна:
, (4.11)
где n – заряд иона; и – подвижности положительных и отрицательных ионов соответственно; А – константа.
Логарифм проводимости жидкости линейно уменьшается с увеличением обратной абсолютной температуры 1/Т (рис.
4.4), как и в собственных полупроводниках. Однако в отличие от полупроводников, для которых , ( – ширина запрещенной зоны), показатель экспоненты в жидкостях определяется энергией их диссоциации:
.
Удельное сопротивление жидкостей равно:
, (4.12)
где В – константа.
По аналогичному закону изменяется вязкость жидкостей (). Зависимость жидкостей объясняется как изменением , так и изменением температурной диссоциации молекул .
Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. Ввиду того что энергия диссоциации полярных жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная проводимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей (дистиллированной воды, этилового спирта, ацетона) , для слабо полярных (совола, касторового масла) , для неполярных (бензола, трансформаторного масла) Ом∙м. В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена примесями особенно полярных веществ.
В жидкостях (и газах) с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность
, характерная для
коллоидных систем
, которые представляют собой тесную смесь двух фаз веществ; причем одна фаза в виде мелких частиц (капель, зерен, пылинок и т.п.) равномерно взвешена в другой. Из коллоидных систем наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике
эмульсии
(обе фазы – жидкости) и
суспензии
(дисперсная фаза – твердое вещество, дисперсионная среда – жидкость). Ста
бильность эмульсий и суспензий, т.е. способность их длительно сохраняться без оседания дисперсной фазы на дно сосуда (или всплывания ее на поверхность) вследствие различия плотностей обеих фаз, объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов (при одноименном заряде частицы взаимно отталкиваются). Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами
. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде
электрофореза
.
Примеры практического использования электрофореза – покрытие металлических предметов каучуком и смолами из их суспензий, обезвоживание различных материалов в электрическом поле и др. В отличие от электролиза при электрофорезе не наблюдается образования новых веществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных частях объема вещества. Молионная электропроводность присуща жидким лакам и компаундам, увлажненным маслам и т.п. Ее вклад в проводимость, как и вклад ионной электропроводности, зависит от вязкости жидкости.
Электропроводность твердых диэлектриков
Электропроводность диэлектриков в отличие от электропроводности полупроводников чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках , лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kT, Например, в кристалле NaCl эВ, а энергия отрыва иона натрия эВ. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов () по сравнению с подвижностью электронов (), ионная проводимость оказывается больше электронной за счет значительно большей концентрации свободных ионов:
. (4.13)
Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше:
· протоны в водородсодержащих соединениях (в полимерах, кристаллах типа KH2PO4 и других с водородными связями);
· ионы натрия (в NaCl и в содержащем натрий стекле) и т.д.
При этом следует отметить, что число диссоциированных (сорванных) ионов () с изменением температуры изменяется по экспоненциальному закону:
, (4.14)
где – общее число ионов i-го типа; – энергия диссоциации иона i-го типа; кТ – тепловая энергия.
Удельная электрическая проводимость твердыхдиэлектриков, как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному закону:
. (4.15)
Однако зависимость часто обусловлена не только экспоненциальным ростом концентрации носителей (рис. 4.5, б)
n~exp(-Wg/kT),
но и ростом подвижности:
µ~exp(-Wn/kT),
где Wn – энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного равновесного состояния в другое). Это связано с тем, что дрейфовая подвижность ионов мала и осуществляется путем их перескока с ловушки на ловушку, разделенных потенциальным барьером Wn (так называемая «прыжковая» электропроводность). Вероятность таких тепловых перескоков прямо пропорциональна exp(-Wn/kT) (рис. 4.5, а).
Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут быть слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной проводимости с энергией активации (W) и примесной проводимости с энергией активации (Wnp):
; (4.16)
,
где — коэффициент, объединяющий постоянные ( – заряд i-го носителя; – концентрацию i-го носителя; – подвижность i-го носителя); Wi — энергия активации.
В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости (γ) от обратной величины абсолютной температуры (Т) должна состоять из двух прямолинейных участков с различными значениями угла наклона к оси абсцисс (рис. 4.6). При температуре выше точки излома А электропроводность определяется в основном собственными дефектами – это область высокотемпературной
, или
собственной электропроводности
. Ниже излома, в области
низкотемпературной
, или
примеснойэлектропроводности
, зависимость более пологая.
В отличие от трудно воспроизводимой низкотемпературной области электропроводности, определяемой в основном природой и концентрацией примесей, значение собственной удельной проводимости не зависит от удельной проводимости и не зависит от примесей, хорошо воспроизводимо и является физическим параметром данного соединения.
Температура, при которой наблюдается излом зависимости , сильно зависит от степени чистоты и совершенства материала. При увеличении содержания примесей и дефектов примесная удельная проводимость растет и оказывается существенной при более высоких температурах (рис. 4.6). По наклонам участков прямых зависимости можно определить энергию активации носителей заряда и их природу.
Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда ρ мало, и при приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея – закон пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ.
Некоторые диэлектрики (например, и другие титансодержащие керамические материалы) обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов. В титансодержащей керамике при высокотемпературном синтезе появляются в значительном количестве кислородные вакансии, отдающие слабо связанные электроны или дырки. От них и зависит наблюдаемая электропроводность.
Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивают свою электропроводность (рис 4.7). На участке кривой АВ значение сопротивления снижается в результате изменения степени диссоциации молекул воды и молекул диэлектрика в водном растворе на ионы. Участок ВС обусловлен процессами сушки, а на участке СД происходит диссоциация молекул диэлектрика на ионы.
Мы рассматривали электропроводимость твердых диэлектриков при относительно невысоких значениях напряженности электрического поля. При достаточно больших напряженностях электрического поля в диэлектриках появляется электронная составляющая электропроводности, быстро возрастающая с увеличением напряженности электрического поля, в связи с чем наблюдается нарушение закона Ома. При напряженностях электрического поля В/м, т.е. близких к пробивным напряженностям поля, зависимость электропроводности от величины напряженности поля подчиняется закону Пуля:
, (4.17)
Для ряда диэлектриков более точным оказывается закон Френкеля:
, (4.18)
где – электропроводность в слабых электрических полях; – коэффициенты нелинейности, характеризующие свойства диэлектрика; Е – напряженность электрического поля.
Поляризация диэлектриков
Данное явление связано с изменением положения частиц изолятора в пространстве, которое приводит к приобретению каждым макроскопическим объемом диэлектрика некоторого электрического (индуцированного) момента.
Существует поляризация, которая возникаем под воздействием внешнего поля. Также выделяют самопроизвольный вариант поляризации, появляющейся даже при отсутствии действия внешнего поля.
Относительная диэлектрическая проницаемость характеризуется:
- емкостью конденсатора с этим диэлектриком;
- ее величиной в вакууме.
Сопровождается этот процесс возникновением на поверхности диэлектрика связанных зарядов, которые уменьшают внутри вещества величину напряженности.
В случае полного отсутствия внешнего поля отдельный элемент объема диэлектрика не обладает электрическим моментом, поскольку сумма всех зарядов равна нулю и наблюдается совпадение отрицательных и положительных зарядов в пространстве.
Диэлектрики: определения, формулы, примеры
Диэлектриками называют вещества, не обладающие способностью проводить электрический ток.
Стоит отметить, что данное определение лишь приблизительно выражает физический смысл приведенного понятия.
Абсолютных изоляторов, то есть веществ, которые совсем не проводят ток, в природе не существует. Диэлектрики по сравнению с проводниками в 1015 − 1020 раз хуже проводят ток. Данный факт основывается на том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.
Что такое диэлектрики и их примеры
Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то, как диэлектрик, так и само поле значительно изменятся. В диэлектриках, в которых до контакта с полем не было заряда, возникают электрические заряды. Это явление объясняется процессом поляризации вещества, другими словами, в поле диэлектрик обретает электрические полюсы. Возникающие при этом заряды называются поляризационными.
Разделить такие заряды невозможно, чем они существенно отличаются от индукционных зарядов в проводниках. Данное отличие основывается на том факте, что в металлах присутствуют электроны, имеющие возможность перемещаться на относительно большие расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой, и их перемещение ограничено пределами одной молекулы, что является крайне малым расстоянием.
Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из закрепленных в положении равновесия, к примеру, в узлах кристаллической решетки заряженных ионов. Ионные кристаллические решетки могут быть разбиты на, в целом, нейтральные «элементарные ячейки».
Действие электрического поля на заряды, принадлежащие диэлектрику, провоцирует лишь легкое смещение относительно изначального положения, тогда как заряды проводников, испытывающие такое же влияние, срываются с места. В условиях отсутствующего электрического поля диэлектрик может быть условно представлен в виде совокупности молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества.
В процессе поляризации заряды каждой отдельной молекулы диэлектрика смещаются в противоположные ее стороны. Соответственно, одна часть молекулы становиться положительно заряженной, а другой — отрицательно, что, в общем, дает возможность заявить: молекула превращается в электрический диполь.
Равнодействующая электрических сил, в однородном поле оказывающих влияние на нейтральную молекулу диэлектрика, эквивалентна нулю. Этот факт основывается на том, что центр тяжести молекулы не передвигается ни в одну из сторон. Молекула просто претерпевает деформирование.
Существуют такие диэлектрики, в которых в условиях отсутствующего электрического поля молекулы имеют дипольный момент (полярные молекулы).
В случае, когда поле отсутствует, такие молекулы, принимающие непосредственное участие в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. Если же диэлектрик находится в поле, молекулы, в основном, ориентируются по его направлению. Соответственно, диэлектрик проходит процесс поляризации.
У симметричных молекул, таких как, к примеру, O 2 , N 2 , в отсутствие поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов одинаковы. По этой причине собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы). У несимметричных же молекул (возьмем в качестве примера H 2 O , C O ) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и носят название полярных.
Также существуют диэлектрические или же ионные кристаллы, которые формируются при помощи ионов с противоположным знаком. Такой кристалл состоит из пары “вдвинутых” друг в друга кристаллических решеток, одна из которых является положительной, а вторая — отрицательной. В целом кристалл условно можно принять за подобие гигантской молекулы. Процесс наложения электрического поля провоцирует сдвиг одной решеток относительно друг друга, вследствие чего и происходит поляризация ионных кристаллов. Существует также тип поляризованных без участия поля кристаллов. При дальнейшем исследовании поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным фактом является только то, что поляризация диэлектрика происходит через появление некомпенсированных макроскопических зарядов. Значения объемной плотность зарядов ( ρ ) и поверхностной плотности ( σ ) неполяризованного диэлектрика равняются нулю. После же процесса поляризации σ ≠ 0 , а в некоторых случаях и ρ ≠ 0 . Поляризация приводит к появлению в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов с одним знаком. В том случае, если ортогональная или же перпендикулярная часть напряженности поля E n → ≠ 0 на приведенном участке, то в результате влияния поля заряды с одним знаком уходят внутрь, а с другим, наоборот, выходят наружу.
Вектор поляризации диэлектрика
Поляризованность P → или, другими словами, вектор поляризованности характеризует степень поляризации диэлектрика:
где ∆ ρ представляет собой дипольный момент элемента диэлектрика.
В условиях неполярных молекул вектор поляризованности может быть определен в следующем виде:
P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N ρ 0 → ,
где сложение идет относительно всех молекул в объеме △ V . N — концентрация молекул, ρ 0 → является индуцированным дипольным моментом (Он один и тот же у всех молекул). ρ 0 → ↑ ↑ E → .
