В слоистых материалах на границе раздела слоев и в приэлектродных слоях может происходить накопление зарядов медленно движущихся ионов.
Все это усиливает поляризацию, но и создает дополнительные потери.
Спонтанная поляризация (самопроизвольная)
Спонтанная поляризация существует у сегнетоэлектриков, которые обладают следующей особенностью. При отсутствии внешнего поля в них имеются области (микрообъемы), называемые доменами, обладающие собственным элементарным электрическим моментом. До наложения внешнего электрического поля ориентация этих моментов хаотичная, поэтому результирующий электрический момент равен нулю.
При наложении электрического поля ситуация существенно изменяется. В этом случае начинается преимущественная ориентация элементарных электрических моментов в каждом из доменов по направлению действующего поля, электрическая индукция и увеличивается. Однако, при некотором значении напряженности электрического поля может произойти насыщение, т.е. элементарные электрические моменты в каждом из доменов принимают направление действующего электрического поля, дальнейший рост электрической индукции прекращается и она достигает , а диэлектрическая проницаемость с этого момента начинает уменьшаться (см. рис. 1.8) .
Рисунок 1.8 – Зависимость и от напряженности электрического поля для сегнетоэлектриков
Зависимость для сегнетоэлектриков используется в создании варикондов, т.е. специальных конденсаторов, величина электрической емкости которых зависит от величины приложенного напряжения.
В температурной зависимости может наблюдается один или несколько максимумов. Для них характерно наличие точки Кюри (см. рис. 1.9).
Рисунок 1.9 – Температурная зависимость для сегнетоэлектриков
При подходе к температуре, соответствующей точки Кюри, по мере нагрева материала в нем происходит перестроение кристаллической структуры и это усиливает поляризацию. Однако постепенно усиливается тепловое хаотическое движение. При достижении температуры, соответствующей точки Кюри, преобладающим фактором является тепловое хаотическое движение. Оно разрушает поляризацию и диэлектрическая проницаемость резко уменьшается.
Это явление используется в создании специальных терморезисторов с положительным температурным коэффициентом сопротивления, которые называются позисторами. Температурная зависимость электрического сопротивления позисторов приближается к релейной, т.е. при достижении температуры срабатывания их величина электрического сопротивления увеличивается на несколько порядков, что может быть использовано для самоограничения тока в электрической цепи (см. рис. 1.10).
Рисунок 1.10 – Температурная зависимость электрического сопротивления терморезисторов-позисторов на базе сегнетоэлектриков
Эти позисторы могут быть использованы в качестве датчиков температуры для защиты электрических машин, аппаратов и др. от чрезмерного перегрева, а также могут быть использованы в качестве специальных нагревательных элементов с эффектом самоограничения тока при достижении температуры срабатывания.
Для сегнетоэлектриков характерно явление гистерезиса, учитывая нелинейную зависимость D(E). Петля гистерезиса и характерные точки на ней показаны на рис. 1.11.
Рисунок 1.11 – Петля гистерезиса и характерные точки на ней, полученная при воздействии на сегнетоэлектрик переменного электрического поля
– максимальное значение электрической индукции (условно со знаком "+") и соответствующее ей максимальное значение напряженности электрического поля ;
– остаточная электрическая индукция при напряженности электрического поля ;
– коэрцитивная сила или значение напряженности электрического поля противоположного направления, необходимого для уменьшения остаточной электрической индукции до нуля.
В виду наличия гистерезиса для сегнетоэлектриков характерны большие потери при работе их в переменных полях. Диэлектрические потери, с учетом масштабных коэффициентов, пропорциональны площади петли гистерезиса.
Сегнетоэлектрики относятся к активным диэлектрикам, состоянием которых можно управлять электрическим полем.
Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков
Как известно жидкие диэлектрики жидкие диэлектрики могут состоять из нейтральных молекул, т.е. неполярных молекул, или из дипольных (полярных) молекул. В соответствии с этим они по-разному будут реагировать на наложение электрического поля.
К нейтральным жидкостям относятся все нефтяные масла: трансформаторное масло, кабельное масло, конденсаторное масло, а также бензол, толуол и др.
Величина для нейтральных жидкостей определяется наличием только электронной поляризации, а значит и не превышает значения 2,5. Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, т.к. с повышением температуры происходит тепловое расширение, и число частиц в единице объема уменьшается. Наиболее резкое изменение происходит на границе фазового перехода вещества из жидкого в газообразное состояние.
Диэлектрическая проницаемость неполярных жидких диэлектриков практически не зависит от частоты изменения электрического поля, т.к. время установления электронной поляризации очень мало (см. рис. 1.12).
Рисунок 1.12 – Зависимость для нейтральных жидких диэлектриков от частоты изменения электрического поля
К полярным жидкостям относятся хлорированные дифенилы, савол, этиловый спирт и др. Они обладают электронной и дипольно-релаксационной поляризациями.
Диэлектрическая проницаемость тем больше, чем больше степень полярности молекул, которая оценивается величиной дипольного момента.
Диэлектрическая проницаемость зависит от количества вещества в единице объема, т.е. существенно зависит от температуры (см. рис. 1.6).
В температурной зависимости наблюдается максимум при определенной температуре. Условие максимума диэлектрической проницаемости следующее: время релаксации должно быть равно времени полупериода действующего электрического поля: .
Время релаксации – внутренний параметр данного диэлектрика и зависит от вязкости среды. С повышением температуры вязкость среды уменьшается и время релаксации также уменьшается.
Частотная зависимость имеет такой же вид, как и для дипольно-релаксационной поляризации (см. рис. 1.7). С увеличением частоты в начале диполи успевают следовать за изменением поля, а при достижении граничной частоты, диполи уже не успевают за изменением поля. При этом величина диэлектрической проницаемости уменьшается до значения, обусловленного чисто электронной поляризацией.
С повышением температуры исходная величина диэлектрической проницаемости уменьшается, т.к. плотность среды становится меньше и раздвигается частотный диапазон, т.е. граничная частота становится больше.
Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков
Твердых диэлектриков очень много, они разнообразны по составу и свойствам, и в связи с этим поляризацию рассматривают для характерных групп диэлектриков.
1) Твердые неполярные диэлектрики
Для данной категории диэлектриков характерны те же закономерности электронной поляризации, что и для неполярных жидких диэлектриков и газов. Для нейтральных твердых диэлектриков будет характерен отрицательный , при достижении температуры плавления будет наблюдаться резкий спад диэлектрической проницаемости (см. рис. 7.23).
Рисунок 1.13 – Температурная зависимость для нейтральных твердых диэлектриков
Диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты изменения поля, т.к. время установления электронной поляризации очень мало (см. рис. 1.14).
Рисунок 1.14 – Частотная зависимость для нейтральных твердых диэлектриков
2) Ионные кристаллические диэлектрики с плотной упаковкой частиц
Диэлектрическая проницаемость этих веществ находится в широких пределах ( например: ).
Температурный коэффициент положителен, поскольку повышение температуры не только уменьшает плотность вещества, но и увеличивает полярность ионов, вследствие ослабления внутренних связей. Основные закономерности изменения от температуры и частоты приведены в ионной поляризации. Исключение составляют кристаллы, содержащие ионы титана, этих кристаллов отрицателен и это объясняется преобладанием электронной поляризации.
3) Ионные кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц
Ионные кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц обладают электронной, ионной, а также ионно-релаксационной поляризациями. Они характеризуются в большинстве случаев невысоким исходным значением и большим положительным коэффициентом . Примером является электротехнический фарфор (см. рис. 1.15).
Рисунок 1.15 – Температурная зависимость для электротехнического фарфора
4) Неорганические стекла (квазиаморфные диэлектрики)
Диэлектрическая проницаемость находится в сравнительно узких пределах от 4 до 20, – положителен. Но можно при необходимости получить материал и с отрицательным , если в состав стекла ввести в виде механических примесей кристаллы с отрицательным (рутил, ).
5) Полярные органические диэлектрики
В твердом состоянии проявляют дипольно-релаксационную поляризацию. Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков зависит от температуры и частоты изменения электрического поля. В температурной зависимости наблюдается максимум, в частотной зависимости при достижении граничной частоты наблюдается спад до уровня электронной поляризации.
Диэлектрическая проницаемость сложных по составу диэлектриков
В сложных по составу диэлектриках, представляющих собой механические смеси химически невзаимодействующих компонентов с различной диэлектрической проницаемостью, результирующую диэлектрическую проницаемость можно определить на основании уравнения Лихтенеккера или логарифмического закона смещения:
,
где – диэлектрические проницаемости смеси и входящих компонентов;
– объемная концентрация компонентов в относительных единицах, удовлетворяющая условию ;
– величина, характеризующая распределение компонентов в данном диэлектрике и принимающая значение от +1 до -1.
Если два компонента распределены хаотически ( например, в керамике), то уравнение Лихтенеккера после преобразования и подстановки х=0 имеет вид:
.
Результирующая меньше максимальной диэлектрической проницаемости () из входящих в смесь компонентов. Температурный коэффициент смеси определяется по формуле:
Или
,
где – табличные значения температурных коэффициентов входящих компонентов.
Все диэлектрики по виду подразделяются на несколько групп. К первой группе можно отнести диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией, например неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол), а так же неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и т.д.)
