Mavzu: Dielektriklar I. Kirish II. Asosiy qism: Dielektriklarning asosiy mexanik tavsiflari

4. Dielektriklarning qutblanishi va o'tkazuvchanligi
Ko'pgina dielektriklarning qutblanishining mohiyati tashqi elektr ta'sirida bog'langan elektr zaryadlarining (atomlarda, molekulalarda, kristall panjaralarda bog'langan zaryadlar) harakati tufayli dielektrik hajmida elektr (dipol) momentining paydo bo'lishidir.
Ushbu qutblanish mexanizmini atomning qutblanishi misolida tushuntirib beramiz. Tashqi elektr maydonini qo'llashdan oldin atomdagi musbat va manfiy zaryadlar shunday taqsimlanadiki, tashqi tomondan atom o'zini elektr neytral sifatida namoyon qiladi. Musbat va manfiy zaryadlarning tortishish markazlari bir xil.
Tashqi elektr maydoni ta'sirida zaryadlarni taqsimlashda simmetriya buziladi va induksiyalangan elektr momenti paydo bo'ladi. Musbat zaryadlarning og'irlik markazi tashqi maydon yo'nalishiga, manfiy zaryadlarning og'irlik markazi esa qarama-qarshi tomonga siljiydi. Ushbu qutblanish mexanizmi elektron polarizatsiya deb ataladi. Salbiy zaryadlarning og'irlik markazining siljishi tashqi maydonning intensivligiga proportsionaldir.
Keling, bu mexanizm bir davr mobaynida elektr polarizatsiya oqimining vaqtga bog'liqligida qanday namoyon bo'lishini ko'rib chiqaylik (4.1-rasm). Davrning birinchi choragida tashqi maydonning kuchi doimiy ravishda oshib boradi va t = T / 4 vaqtida maksimal darajaga etadi. Maydonni qo'llashdan so'ng darhol manfiy zaryadlarning og'irlik markazi og'adi va dielektrik orqali nisbatan katta oqim o'tadi. Maydon kuchining yanada oshishi bilan og'irlik markazining siljishi ortib bormoqda, lekin tobora sekinroq, chunki maydon tobora kattaroq elastik kuchlarni engib o'tishi kerak. Shuning uchun oqim asta-sekin kamayadi. t = T / 4 da oqim nolga teng bo'ladi va elektronlarning tashqi maydon kuchining yo'nalishiga qarshi siljishi tugaydi. Shu paytdan boshlab elektronlarning yo'nalishi o'zgaradi, chunki bog'lanishning elastik kuchlari ularni dastlabki holatiga qaytarishga intiladi. Shuning uchun, tashqi maydon kuchi pasayganda, oqim teskari yo'nalishda oqadi va asta-sekin ortadi. t = T / 2 da zaryadlarning og'irlik markazlari boshlang'ich holatda. Ikkinchi yarim siklda zaryadlarning birinchi yarim sikldagi siljish yo'nalishiga teskari yo'nalishda siljishi farqi bilan jarayon takrorlanadi. Bu jarayon vaqti-vaqti bilan takrorlanadi.
4.1-rasm - Elektron polarizatsiya bilan dielektrikning polarizatsiyasining elektr tokining vaqtini o'zgartirish
Atomlardagi zaryadlar tashqi maydonga javob bera oladigan vaqt juda qisqa va 10-15 s tartibiga ega, ya'ni reaktsiya deyarli bir zumda bo'ladi, shuning uchun oqim vektori kuchlanish vektoridan 90 ga oldinda. °.
Polarizatsiyaning boshqa turlari uchun bu vaqt uzoqroq, chunki qutblanish mexanizmi boshqacha. Ko'pincha biz muhitning qarshiligiga javob beradigan og'irroq zarrachalarning siljishi haqida gapiramiz. Bunday hollarda oqim vektorining kuchlanish vektoriga nisbatan avanslari 90 ° dan kam bo'ladi.
Har xil turdagi qutblanishning jismoniy mexanizmi qanday bo'lishidan qat'i nazar, tashqi qutblanish har doim bir xil tarzda namoyon bo'ladi, ya'ni dielektrikda elektr zaryadlarining taqsimlanishi simmetriyasining buzilishi sifatida. Muvozanat holatidan tashqi maydon tomonidan siqib chiqarilgan qarama-qarshi belgilarning zaryadlari elektr dipollarini hosil qiladi, ularning maydoni ularning paydo bo'lish sababiga ta'sir qiladi va tashqi elektr maydonining bir qismini qoplashga qodir. Dipollar maydoni elektrodlardagi zaryadlarning bir qismini bog'laydi. Umumiy holda, elektr qutblanish turli xil qutblanish mexanizmlari bilan bog'liq va mikroskopik darajada sodir bo'ladigan hodisalar majmuasidir.
Polarizatsiyaning asosiy mexanizmini dielektrikdagi zarrachalarning elastik siljishi deb hisoblash mumkin. Ushbu turdagi polarizatsiya elastik deb ataladi. Atomlardagi elektronlarning elastik siljishi bilan elastik elektron polarizatsiyasi haqida gapiriladi. Ion kristallarining kristall panjarasida qarama-qarshi zaryadlangan ionlarning o'zaro elastik siljishi bilan elastik ion polarizatsiyasi haqida gapiriladi. Doimiy dipol momentga ega bo'lgan molekulada qarama-qarshi zaryadlangan zarrachalarning elastik siljishida elastik dipol polarizatsiyasi haqida gap boradi. Bunday qutblanish mexanizmlarining umumiy xususiyati shundaki, qutblanish juda tez va yo'qotishsizdir.
Induktsiyalangan elektr moment elastik kuchlar bilan bog'lanmagan bo'sh bog'langan zarrachalarning (elektronlar yoki ionlar) siljishi yoki doimiy dipollarning tashqi maydon yo'nalishi bo'yicha yo'naltirilishi natijasida yuzaga kelishi mumkin. Bu zarrachalarning tashqi maydondagi o'zgarishlarga javobi elastik tipdagi qutblanishdagidek tez emas. Tashqi maydon yo'qolgandan so'ng, zarralar bir zumda emas, balki ma'lum vaqtdan keyin va elastik bog'lanish kuchlari ta'sirida emas, balki xaotik issiqlik harakati natijasida dastlabki holatiga qaytadi. Bunday qutblanish mexanizmlari gevşeme mexanizmlari deb ataladi va ular elektr energiyasini yo'qotish bilan birga bo'lishi va issiqlik harakatining intensivligiga, ya'ni haroratga kuchli bog'liqligi bilan tavsiflanadi.
Polarizatsiyaning ushbu asosiy mexanizmlariga, ba'zi bir maxsus holatlarda, qutblanishning maxsus turlari qo'shiladi - migratsiya va spontan.
Migratsiya polarizatsiyasi elektrodlarda neytrallash mumkin bo'lmagan erkin zaryadlarning siljishi tufayli induksiyalangan dipol momentining paydo bo'lishidan iborat.
Bunday zaryadlar tashqi maydon ta'sirida boshqa tabiatdagi to'siqlarni to'sishda to'planadi va fazoviy zaryadlarni hosil qiladi, ularning maydoni tashqi tomondan o'ziga xos turdagi qutblanish sifatida namoyon bo'ladi. Bu bir hil bo'lmagan dielektriklar uchun xosdir.
O'z-o'zidan qutblanish o'z-o'zidan (o'z-o'zidan) hosil bo'lgan elektr momentlarini tashqi elektr maydoni yo'nalishi bo'yicha yo'naltirishdan iborat. Bu ferroelektriklar uchun odatiy holdir. Polarizatsiyaning ikkala maxsus turi ham chiziqli emas.
Tor va keng ma'noda polarizatsiyaning gevşeme xarakteri haqida gapirish mumkin.
Tor ma'noda relaksatsiya polarizatsiyasi shunday qutblanish deb qaraladi, bunda tashqi doimiy maydon qo'llanilgandan yoki olib tashlanganidan keyin qutblanishning vaqtga bog'liqligi eksponensial xarakterga ega bo'ladi. Maydon qo'llanilgandan so'ng, vaqt o'tishi bilan polarizatsiya kuchayadi. Tashqi maydon chiqarilgandan so'ng, gevşeme polarizatsiyasi kamayadi.
Gevşeme polarizatsiya jarayonining muhim parametri hisoblanadi
vaqt doimiy T. Bu elektr maydoni olib tashlanganidan keyin gevşeme polarizatsiyasi 1 / e ga, ya'ni boshlang'ich darajadan taxminan 37% gacha kamayadigan vaqtga teng. Bunday dielektriklar, agar ularning zarralari doimiy dipol momentga ega bo'lmasa va tashqi elektr maydon ta'sirida faqat induksiyalangan dipol momentlari paydo bo'lishi mumkin bo'lsa, qutbsiz deb hisoblanadi. Moddiy molekulaning qutbli yoki qutbsiz bo'lishida hal qiluvchi rol kimyoviy bog'lanishlarning tabiatiga va dipollarning yo'nalishiga tegishli. Agar bu bog'lar dipol momentsiz, ya'ni sof kovalent bo'lsa yoki bu bog'lar bir-birini bekor qiladigan tarzda yo'naltirilgan dipol momentlari bo'lgan o'tish tipidagi bo'lsa; material molekulalaridagi musbat va manfiy zaryadlarning tortishish markazlari mos tushadi va material qutbsizdir.
Polar bo'lmagan elektr izolyatsiyalash materiallariga polietilen, politetrafloroetilen, polistirol, kerosin va boshqalar kiradi.Neft (mineral) moyi zaif qutblidir.
Bunday materiallar qutbli hisoblanadi, ularning molekulalari tashqi elektr maydoni ta'sirisiz ham elektr momentiga ega (ichki yoki doimiy, dipol moment). Bu molekulalar bo'lib, ularda alohida atomlar o'zaro kompensatsiyalanmagan bog'lanish dipol momentlari bilan qutbli aloqalar bilan bog'langan.
Polar materiallarga tsellyuloza, polivinilxlorid, xlorli bifenillar va boshqalar kiradi.
Dielektrikning qutblanishi dielektrik hajmining birligiga induksiyalangan dipol momentiga teng, ya’ni u hajm birligiga to‘g‘ri keladigan elementar dipol momentlarining yig‘indisidir.Dielektrikning qutblanish qobiliyatini uchta kattalik bilan tavsiflash mumkin – qutblanish qobiliyati, dielektrik sezuvchanlik va nisbiy o'tkazuvchanlik. Muhandislikda nisbiy o'tkazuvchanlik ko'pincha qo'llaniladi.
Polarizatsiya dielektrikning qutblanishi bilan bog'liq
P = NaE (4.1)
bu erda P - qutblanish; N - induktsiyalangan dipollarning konsentratsiyasi;- qutblanish qobiliyati; E - doimiy elektr maydonining kuchi.
Polarizatsiya dielektrikning zaryadlangan moddiy zarrachalarining fazoviy holatining o'zgarishiga kamayadi va dielektrik induksiyalangan elektr momentini oladi va unda elektr zaryadi hosil bo'ladi. Agar biz U kuchlanish qo'llaniladigan elektrodlar bilan izolyatsiyaning ba'zi bir qismini ko'rib chiqsak, bu Q qismning zaryadi [14] ifoda bilan aniqlanadi.
=CU (4.2)
Izolyatsiyaning bir xil qismida elektr maydonining energiyasi
=1/2CU. (4.3)
Formulalarda (4.2) va (4.3) C qiymati izolyatsiyaning ma'lum bir qismining sig'imidir. Agar bu formulalarda kuchlanish U voltda, zaryad Q kulonda va energiya A joulda berilgan bo'lsa, u holda C ham amaliy tizim birliklarida - faradlarda (F) ifodalanishi kerak.
Bir nechta kondansatkichlar parallel ravishda ulanganda, CO ning umumiy (ekvivalent) sig'imi alohida kondansatkichlarning sig'imlari yig'indisiga teng bo'ladi.
Agar kondansatkichlar bir-biriga ketma-ket ulangan bo'lsa, unda hosil bo'lgan sig'im arifmetik ravishda sig'imlarga emas, balki alohida kondansatkichlarning sig'imlarining o'zaro nisbatlariga qo'shiladi.
Izolyatsiyaning sig'imi materialga (dielektrik) ham, izolyatsiyaning geometrik o'lchamlari va konfiguratsiyasiga ham bog'liq.
Berilgan dielektrikning elektr sig'im hosil qilish qobiliyati uning dielektrik o'tkazuvchanligi deb ataladi (boshqa nomlar: dielektrik o'tkazuvchanlik, dielektrik koeffitsient nostandart) va e bilan belgilanadi. Bo'sh qiymat e birlik sifatida qabul qilinadi.