Диэлектриктердің поляризациясы

ДИЭЛЕКТРИКТЕР. ДИЭЛЕКТРИКТЕРДІҢ ҚАСИЕТТЕРІ

Диэлектриктер – электрөткізгіштігі аз заттар, себебі олардың еркін зарядталған бөлшектері – электрондар және иондар аз. Бұл бөлшектер диэлектриктерде тек жоғары температураларда ғана пайда болады. Диэлектриктер газтәріздес (газдар, ауа), сұйық (майлар, сұйық органикалық заттар) және қатты (парафин, полиэтилен, тасқабат, керамика және т.б.) болып келеді.

Диэлектрикте күрделі электр жүйесін тудыратын электр кернеуінің қабаттасуы кезінде поляризациясы және электр өткізгіштігімен байланысты түрлі электрлік үрдістер өтеді. Үлкен кернеу кезінде диэлектриктердің пробой деп аталатын бұзылуы болуы мүмкін. Бұл үрдістер диэлектриктердің қасиеттерін анықтайды, яғни, олардың радиоқұрылғылардағы жұмыстарының сенімділігін анықтайды, сондықтан осы үрдістерді қарастырайық.

Диэлектриктердің поляризациясы

Диэлектриктердің атомдарында, молекулаларында, иондарында тосқауыл кернеудің әсерінен электр зарядтарының жылжуы нәтижесінде болады. Диэлектриктің поляризациясымен маңызды сипаттамаларының бірі - заттың диэлектрлік өтімділігі ε.

Диэлектрлік өтімділік диэлектриктегі электр өрісінің вакуумдағы электр өрісінен қанша есе кіші екенін көрсетеді және поляризация үрдісінің интенсивтілігі мен диэлектриктің сапасын көруге мүмкіндік береді. Диэлектрик поляризациясы поляризацияның түрлі механизмдерінің қосындыларының әрекетін анықтайды. Диэлектрик өтімділігінің температуралық және жиіліктік тәуелділігі поляризация механизмдері және олардың диэлектрик поляризациясына салыстырмалы үлесі туралы ақпаратты қамтиды. Поляризация құбылыстарын қарастыра отырып, келесі екі топты атай кету керек:

1. Серпімді поляризациясы, іс жүзінде электр өрісінің әсерінен лезде ағатын, диэлектрикте (жылу бөлу) энергияның шашырау (жоғалу) заңдылығымен сәйкес келмейтін;

2. релаксациялық поляризация, кейбір уақыт аралығында өсіп, кемитін және диэлектрикте энергияның шашырау заңдылығымен сәйкес келетін, яғни оның қыздырылуымен.

Поляризацияның мынадай түрлері бар:

1) Электрондық поляризация

Кернеу берген кезде диэлектрикте электр өрісі пайда болады, және атомдарда электрондар өзекке қатысты оң электродқа қарай жылжиды.

Орын ауыстырған атомдар өзектерінің оң зарядталған электрондары серпімді диполь деп аталатын бір-бірімен сабақтас байланысқан электр зарядтарын құрайды. Олардың құрылуы лезде болады (10^-15 с). Егер диэлектриктен кернеу алынса олар жоғалып кетеди. Серпімді дипольдардың бұл құрылу процесі электродық поляризация деп аталады.

ε шамасы α_э атомының поляризациясын анықтайтын диэлектриктегі атомдардың (молекулалардың) шоғырлануына және олардың құрылымына тәуелді, және мына теңдеумен сипатталады:

ε = 1 + n α_э,

мұндағы ε – диэлектрлік өтімділік; n – диэлектриктегі бөлшектердің шоғырлануы (атомдардың, молекулалардың); α_э – молекула немесе атомның құрылымымен анықталатын электрондық поляризация.

Егер диэлектрик кристалл болса, онда ε аморфты диэлектрикке қарағанда көбірек, себебі атомдар мен молекулалардың ораушы тығыздығы кристалдық күйде көбірек болады.

Таза электрондық поляризацияланған заттың диэлектрлік өтімділігі жарықтың сыну көрсеткішінің n квадратына тең.

ε = n ².

Электрондық орбиталардың деформациясы температураға тәуелді емес, электрондық поляризация, демек, диэлектрлік өтімділік ε диэлектриктің температурасы ұлғайған сайын азаяды, себебі оның көлемі ұлғаяды және бірлік көлемдегі бөлшектер саны азаяды.

2) Иондық поляризация (немесе иондық поляризацияның жылжуы).

Поляризация серпімді байланысқан иондардың жылжуымен шартталған. Иондық құрылымы бар қатты денелер үшін тән, яғни кристалдық диэлектриктер үшін. Кристалдық тордың түйіндерінде орналасқан әрбір иондық кристалл оң және теріс иондардан тұрады. Кернеу берген кезде электрлік күштер әсер ете бастайды, және иондар жылжиды: оң иондар – бір бағытта, теріс иондар – қарама қарсы бағытта. Иондардың әрбір жұбы серпімді диполь құрайды. Иондық поляризацияның айқындау уақыты 10^-13 с. Поляризациондық жылжу процесімен қатар электрондық поляризация ағады. Бұл процестердің кристалдық диэлектриктегі интенсивтілігі үлкен, сондықтан ε = 7 ÷ 12 үлкен және жоғары.

Электрондық және иондық поляризациялар серпімді поляризацияға жатады. Бұдан ары қарастырылатын қалғандары релаксациялық поляризацияның түрлі әсерлері болып табылады.

3) Дипольдік релаксациялық поляризация (бағытталған).

Поляризация өріс бағытындағы дипольдардың бұрылысы және бағытымен анықталады және бөлшектердің жылулық қозғалысымен байланысты.

Диэлектрик полярлық молекулалардан тұруы мүмкін. Бұндай молекула оң және теріс иондардан және оның дипольдік электрлік моментінен тұрады.

μ = q·l,

q – бір ионның заряды; l – иондар ортасы арасындағы арақашықтық. Зарядтардың бұндай жүйесі қатты диполь деп аталады, ал полярлық молекулалардан тұратын диэлектрик – полярлық деп аталады.

Хаостық жылулық қозғалыста болатын дипольдық молекулалар поляризацияның себебі болатын ішінара өрістің қозғалысымен бағытталады. Өріс бағытындағы дипольдар бұрылысы тұтқыр ортада ағады және ортаның тұтқыр кедергісінің күшін жеңу жұмыстарымен байланысты, сондықтан дипольдік поляризация энергияның жоғалуымен байланысты.

Өрістің әсерімен радикалдарда бағытталады (атомдар тобы) – бұл дипольдік – радикалды поляризация.

Температураның ұлғаюымен ортаның тұтқырлығы азаяды, және тұтқырлық үлкен болганда дипольдік поляризация өседі. Бірақ жылулық қозғалыс жөнсіздігі біртіндеп өсе келе дипольдар бағыттарына ие болады, яғни температура ұлғайған сайын дипольдік бағыт тқмендей бастайды.

Бұл поляризация газ және сұйықтықтарға тән, сонымен қатар құрамында радикалдары бар қатты полярлық органикалық заттарға тән. 10^-2 с уақыт аралығында болады. Өрісті алғаннан кейін бағыт әлсірейді (релаксация болады).

4) Электрондық – релаксацилық поляризация.

Поляризация жылулық энергиямен қоздырылған мол «ақау» электрондар мен кемтіктердің әсерінен пайда болады. Жоғары сыну көрсеткіші және электрондық жылуөткізгіштігі бар диэлектриктер үшін, сонымен қатар жартылайөткізгіштерге тән.

5) Серпімді – дипольдік поляризация

Поляризация бекітілген және тек аз ғана бұрышқа шектеліп бұрылатын кейбір кристалдардың дипольдік молекулаларында байқалады.

6) Жікаралық поляризация

Поляризация өткізетін және жартылайөткізетін қосындылармен және әр түрлі өткізгіштігі бар жіктермен сипатталады. Поляризация төменгі жиіліктерде құрылымы біртекті емес қатты денелерде байқалады (қабықшалы пластиктер), және электр энергиясының түбегейлі жоғалуымен байланысты.

7) Өздік (жоспарсыз) поляризация

Поляризация сыртқы өріс жоқ кезде жоспарсыз дипольдік моментке ие, аумақтарға бөлетін (домендер) сегнетоэлектриктер мен заттарға тән. Өріс жоқ кездегі домендердің дипольдік моментінің өзара бағыттары мынадай, заттың дипольдік моментінің жиынтығы нолге тең. Өрістердің қабаттасуы өте қатты поляризацияны тудыратын домендардың дипольдік моментерін бағыттайды. Поляризация электр өрісінің кернеуіне сызықты емес тәуелді және электр өрісі кернеулігінің кейбір мәндерінде қанығуға жетеді. Сондықтан сегнетоэлектриктің диэлектрлік өтімділігі оның нақты бір мәнінде максимумға жететін электр өрісінің кернеулігінен сызықты емес тәуелді болады. Сонымен қатар, диэлектрлік өтімділіктің температуралық тәуелділігі белгілі бір температураларда бір немесе бірнеше максимумдарға ие болады (стронций және барий титанаттары). Сегнетоэлектриктердегі жоспарсыз поляризация Кюри температурасы деп аталатын температурадан жоғары жоғалатын температураның белгілі бір аумағында айқындалады. Бұл температура кезінде сегнетоэлектрикте екінші ретті фазалық ауысу байқалады, яғни кристалдық құрылымның түрі өзгереді.

8) Қалдық поляризация

Поляризация диэлектрикте кернеуді алғаннан кейін ұзақ уақыт бойы болады. Поляризацияның бұл түрі электреттерде байқалады. Электр өрісінің кернеулігіне және температураға күшті тәуелді болып келеді.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: