тел. (044) 568-35-16
факс (044) 568-35-16
моб. (067) 998-25-37

США начнет продавать сланцевый газ Японии

Зонна теорія твердих тіл. Класифікація речовин по електричним властивостям

  1. Діелектрики в електричному полі
  2. Поляризація діелектрика і відносна діелектрична проникність
  3. Основні види поляризації діелектриків
  4. Діелектрична проникність газоподібних, рідких і твердих діелектриків

Всі речовини в залежності від їх електричних властивостей поділяються на діелектрики , Провідники або напівпровідники. Різниця між ними найбільш наочно можна показати за допомогою енергетичних діаграм зонної теорії твердих тіл.

Спектральний аналіз окремих атомів показує, що для атома кожного речовини характерні цілком певні спектральні лінії Це говорить про наявність певних енергетичних станів (рівнів) для різних атомів.

Частина цих рівнів заповнена електронами в нормальному, не збудженому стані атома. На інших рівнях електрони можуть перебувати тільки після того, як атом піддається зовнішньому енергетичному впливу і стає збудженою. Прагнучи знову повернутися до стійкого стану, атом випромінює надлишок енергії і електрони повертаються на свої колишні рівні, при яких енергія атома мінімальна. Сказане ілюструється енергетичної діаграмою атома, показаної на рис.1.2.

Рис.1.2 Схема розташування енергетичних рівнів відокремленого атома (зліва) і твердого кристалічного тіла - діелектрика (праворуч).

Коли з окремих атомів утворюються молекули, а з молекул утворюється речовина, всі наявні у даного типу атома електронні рівні (як заповнені електронами, так і незаповнені) дещо зміщуються внаслідок дії сусідніх атомів один на одного. Таким чином, з окремих енергетичних рівнів відокремлених атомів в твердому тілі утворюються цілі шпальти - зони енергетичних рівнів (рис.1.2). Нормальні енергетичні рівні 1 утворюють заповнену електронами зону 2. Рівні порушеної стану атома 3 утворюють вільну зону 4. Між заповненою зоною і вільною зоною розташовується заборонена зона 5.

На рис.1.3 показані енергетичні діаграми діелектрика (а), напівпровідника (б) і провідника (в). Позначення ті ж, що і на рис.1.2.

Діелектриками є такі матеріали, у яких заборонена зона (а отже і необхідна для її подолання енергія) настільки велика, що в звичайних умовах електрони не можуть переходити у вільну зону і електронної електропровідності не спостерігається. Таким чином, діелектрики не проводять електричний струм, вони є ізоляторами. Однак такими властивостями діелектрик має до певної межі. При впливі дуже високих температур або сильних електричних полів пов'язані електрони можуть переходити у вільну зону. В цьому випадку діелектрик втрачає свої ізоляційні властивості, він перестає бути ізолятором і стає провідником.

Рис.1.3. Енергетичні діаграми твердих тіл: діелектрика (а) \, напівпровідника (б) і провідника (в) з точки зору зонної теорії твердого тіла.



Напівпровідники мають більш вузьку заборонену зону, яка може бути подолана за рахунок невеликих зовнішніх енергетичних впливів, наприклад температури, світла або інших джерел енергії. Якщо підведена ззовні енергія буде достатня для перекидання електронів через заборонену зону, то, ставши вільним, електрони можуть переміщатися і під дією електричного поля, створювати електронну електропровідність напівпровідника. При низьких температурах напівпровідники мають мало вільних електронів, вони погано проводять електричний струм і практично є ізоляторами. З підвищенням температури число носіїв заряду зростає і опір напівпровідників сильно зменшується.

Провідниками є матеріали, у яких заповнена електронами зона впритул прилягає до зони вільних енергетичних рівнів або навіть перекривається нею. Внаслідок цього електрони в металі можуть переходити з заповненою зони у вільну зону навіть при слабких напряженностях електричного поля .

Діелектрики в електричному полі

Основний процес, який виникає в діелектрику при впливі на нього електричного поля це поляризація діелектрика. Що ж являє собою поляризація?

поляризація - це обмежене зміщення зв'язаних зарядів або орієнтація дипольних молекул діелектрика при впливі на нього електричного поля. Якщо процес поляризації відбувається без втрат енергії, то його характеризують значенням відносної діелектричної проникності поляризація   - це обмежене зміщення зв'язаних зарядів або орієнтація дипольних молекул діелектрика при впливі на нього електричного поля . Якщо ж поляризація супроводжується розсіюванням енергії, що викликає нагрівання діелектрика, то її додатково характеризують і так званим кутом діелектричних втрат .



Поляризація діелектрика і відносна діелектрична проникність

Уявімо собі конденсатор , Утворений двома обкладинками, між якими знаходиться вакуум (рис.2.1, а). Якщо до такого конденсатору підвести постійна напруга U, то постійний струм через конденсатор не піде, тому що між його обкладинками знаходиться діелектрик - вакуум. На обкладинках конденсатора утворюються заряди протилежних знаків + Q0 і -Q0. Величина цих зарядів пов'язана з ємністю конденсатора співвідношенням:

, ,

де де   - ємність конденсатора, коли між його пластинами знаходиться вакуум;   - електрична постійна;  S - площа пластин конденсатора;  в квадратних метрах, d - відстань між обкладками конденсатора в метрах - ємність конденсатора, коли між його пластинами знаходиться вакуум; - електрична постійна; S - площа пластин конденсатора; в квадратних метрах, d - відстань між обкладками конденсатора в метрах.

Між обкладками конденсатора буде діяти електричне поле. Лінії напруженості електричного поля Між обкладками конденсатора буде діяти електричне поле починатимуться на позитивних зарядах і закінчуватися на негативних. Величина напруженості буде дорівнює: .

Заряд на обкладинках конденсатора можна виразити через напруженість електричного поля наступним чином: Заряд на обкладинках конденсатора можна виразити через напруженість електричного поля наступним чином: .

Поверхнева щільність зарядів буде дорівнює: Поверхнева щільність зарядів буде дорівнює: .

Мал. 2.1 Електричне поле в конденсаторі без діелектрика (а) і з діелектриком (б).

Якщо тепер між обкладинками конденсатора помістити діелектрик (рис.2.1, б), то наявні в діелектрику пов'язані заряди зміщуються в напрямку діючих на них сил електричного поля. При знятті електричного поля заряди повернуться до свого попереднього стану. відстань Якщо тепер між обкладинками конденсатора помістити діелектрик (рис між обкладинками конденсатора і діелектриком будемо вважати мізерно малим. Що представляють собою пов'язані заряди в діелектрику, ми розглянемо докладніше трохи нижче. Зараз же проаналізуємо тільки вплив цих зарядів на заряди, що знаходяться на обкладинках конденсатора.

Пов'язані заряди діелектрика зміщуються таким чином, що на поверхні, зверненої до позитивного електрода утворюється негативний заряд, а на поверхні, зверненої до негативного електроду - позитивний заряд. Оскільки заряди пов'язані, то розійтися, тобто покинути діелектрик і перейти на електроди вони не можуть. Наявність зв'язаних зарядів на поверхнях діелектрика Пов'язані заряди діелектрика зміщуються таким чином, що на поверхні, зверненої до позитивного електрода утворюється негативний заряд, а на поверхні, зверненої до негативного електроду - позитивний заряд призводить до того, що на обкладинках конденсатора з'являється додатковий заряд , Рівний заряду на поверхні діелектрика. Таким чином, сумарний заряд на обкладинках конденсатора дорівнюватиме: .

ставлення зарядів ставлення зарядів   є однією з важливих електричних характеристик діелектрика і називається відносної діелектричної проникністю є однією з важливих електричних характеристик діелектрика і називається відносної діелектричної проникністю . Величина відносної діелектричної проникності не залежить від вибору системи одиниць. Отже,

(2-1) . (2-1)

З виразу (2-1) випливає, що відносна діелектрична проникність будь-якої речовини більше одиниці і дорівнює одиниці тільки в разі вакууму. Відзначимо, що іноді слово «відносна» в назві З виразу (2-1) випливає, що відносна діелектрична проникність будь-якої речовини більше одиниці і дорівнює одиниці тільки в разі вакууму опускають і називають її просто діелектричної проникністю

Збільшення заряду на обкладинках конденсатора пов'язано зі збільшенням електричної ємності конденсатора. Можна записати, що Збільшення заряду на обкладинках конденсатора пов'язано зі збільшенням електричної ємності конденсатора , де - ємність конденсатора з діелектриком. Отже, можна записати:

(2-2) . (2-2)

Таким чином, відносна діелектрична проникність є ставлення ємності конденсатора з даним діелектриком до ємності конденсатора тих же розмірів, якби між обкладинками знаходився вакуум. Ємність конденсатора з діелектриком можна висловити:

. .

У табл. 2.1 наведені значення У табл для деяких ізоляційних матеріалів.

Таблиця 2.1.

значення значення   для деяких ізоляційних матеріалів для деяких ізоляційних матеріалів

матеріал матеріал

гази 1,0005

Гетінакс 6-4

Фторопласт 1,9-2,1

лакоткани 3-4

поліетилен 2,3-2,4

полістирол 2,4-2,6

електрокартон 1,4-2,5

Масло трансформаторне 2,1-2,4

оргскло 4

полівінілхлорид 3-5

Вода дистильована 40

Титанат кальцію 150

Титанат барію 2000

Титанат барію з добавками 9000

Основні види поляризації діелектриків

Залежно від будови діелектрика розрізняють два основних види поляризації. До першого виду належить поляризація, що здійснюється практично миттєво, цілком пружно, без розсіювання енергії, тобто без виділення тепла. Другий вид поляризації відбувається уповільнено і супроводжується розсіюванням енергії в діелектрику, тобто його нагріванням. Такий вид поляризації називають релаксационной поляризацією. Розглянемо докладніше ці два види поляризації.

До першого виду поляризації відносяться електронна та іонна поляризації.

Рис.2.2. Електронна поляризація діелектрика. Положення орбіт електронів при відсутності електричного поля (а) і при наявності електричного поля.

Рис.2.3. Схема заміщення діелектрика без втрат (а) і з втратами (б).

Електронна поляризація є пружне зміщення і деформацію електронних оболонок атомів і іонів (рис.2.2). Час встановлення електронної поляризації мізерно мало і складає близько 10-15 с. Зсув і деформація електронних орбіт атомів або іонів не залежить від температури, але сама величина Електронна поляризація є пружне зміщення і деформацію електронних оболонок атомів і іонів (рис при електронній поляризації дещо зменшується при підвищенні температури в зв'язку з тепловим розширенням діелектрика і зменшенням часток в одиниці об'єму, т. е. зменшенням щільності речовини. Електронна поляризація спостерігається у всіх видів діелектриків і не пов'язана з втратою енергії.

Іонна поляризація характерна для твердих тіл з іонним будовою і обумовлена зміщенням пружно пов'язаних іонів. З підвищенням температури вона дещо посилюється в результаті ослаблення пружних сил, що діють між іонами через збільшення відстані між ними при тепловому розширенні. Час встановлення іонної поляризації більше, ніж електронної, але воно також дуже мало і має порядок 10-13 с. Відносна діелектрична проникність при електронної та іонної поляризації не залежить від частоти, оскільки час встановлення її, як зазначалося вище, дуже мало.

Діелектрик, що володіє електронною або іонною поляризацією, може бути представлений ідеальним конденсатором без втрат. В такому конденсаторі струм випереджає напругу на 90 градусів (рис.2.3, а).

Рис.2.4. Розташування диполів в неполяризованому (а) і поляризованому (б) діелектрику

Дипольно-релаксаційна поляризація або більш коротко дипольная поляризація відрізняється від електронної та іонної тим, що вона пов'язана з втратами енергії при поляризації, тобто з нагріванням діелектрика. Цей вид поляризації спостерігається в полярних речовинах. В таких речовинах молекули або радикали. є диполями навіть при відсутності електричного поля. Вони знаходяться в хаотичному тепловому русі і результуючий електричний момент всіх цих диполів дорівнює нулю (рис.2.4, а). Під дією сил електричного поля диполі повертаються, орієнтуючись вздовж ліній електричного поля (рис.2.4, б).

Дипольна поляризація можлива, якщо молекулярні сили не заважають ДІПОЛ орієнтуватися уздовж поля. Зі збільшенням температури молекулярні сили послаблюються, в'язкість речовини знижується, що підсилює дипольні поляризацію. При подальшому збільшенні температури зростає енергія теплового руху молекул, що зменшує ориентирующее вплив поля. У зв'язку з цим відносна діелектрична проникність при дипольної поляризації зі збільшенням температури спочатку зростає, а потім починає падати (рис.2.5, а). Діелектрична проникність полярних речовин тим більше, чим більше електричний момент диполів і число молекул в одиниці об'єму.

Діелектрична проникність полярних речовин тим більше, чим більше електричний момент диполів і число молекул в одиниці об'єму

Рис.2.5. Залежність відносної діелектричної проникності від температури (а) і частоти (б) для полярної рідини - совола.

Поворот диполів в напрямку поля у в'язкому середовищі вимагає подолання деякого опору. Тому дипольная поляризація пов'язана з втратами енергії. Ця енергія витрачається на подолання сил внутрішнього тертя. У вузьких рідинах опір поворотам молекул настільки велике, що при підвищених частотах прикладеного до діелектрика напруги диполі не встигають орієнтуватися в напрямку поля і дипольная поляризація може повністю виключатися. (Рис.2.5, б). Прикладом речовини з дипольно-релаксаційної поляризацією є целюлоза. У схемі заміщення діелектрик з дипольної поляризацією може бути представлений у вигляді послідовно або паралельно включених ідеального конденсатора і активного опору (рис.2.3, б).

У такій схемі струм випереджає напругу на кут У такій схемі струм випереджає напругу на кут   менший 90 градусів менший 90 градусів. Кут, що доповнює кут до 90 градусів позначається і називається кутом діелектричних втрат. У техніці прийнято використовувати не сам кут , А безрозмірну відносну велічіну- тангенс цього кута (Тангенс дельта).

Крім розглянутих вище основних видів поляризації спостерігаються такі види поляризації, пов'язані з втратою електричної енергії.

Іонно-релаксаційна поляризація спостерігається в деяких іонних кристалічних неорганічних речовинах з нещільної упаковкою іонів.

Електронно-релаксаційна поляризація виникає за рахунок порушення тепловою енергією надлишкових електронів.

Міграційна поляризація спостерігається в технічних діелектриках неоднорідну структуру, шари якої мають різну провідність.

Мимовільна або спонтанна поляризація спостерігається у сегнетоелектриків. У речовинах з мимовільної поляризацією є окремі області (домени), що володіють електричним моментом ще в відсутності зовнішнього поля. Однак орієнтація електричних моментів в різних доменах різна і результуючий момент дорівнює нулю. Накладення зовнішнього поля сприяє переважної орієнтації електричних моментів окремих доменів в напрямку поля, що дає ефект дуже сильною поляризації. При деякому значенні напруженості зовнішнього поля настає насичення і подальше збільшення поля вже не викликає зростання відносної діелектричної проникності.

Рис.2.6. Еквівалентна схема технічного діелектрика.

Технічні діелектрики мають, як правило, не одним, а одночасно декількома видами поляризації. Отже, ємність конденсатора з діелектриком обумовлюється сумою різних механізмів поляризації. На рис. 2.6 показана схема заміщення технічного діелектрика, що володіє різними механізмами поляризації в електричному полі. Схема складається з паралельно включених ємнісних і активно-ємнісних ланцюжків.

ємність ємність   відповідає власної ємності електродів, якщо між ними немає діелектрика, тобто  ємності електродів в вакуумі відповідає власної ємності електродів, якщо між ними немає діелектрика, тобто ємності електродів в вакуумі. ємності і відповідають електронної та іонної поляризаціям. ємність і опір відповідають дипольно-релаксаційної поляризації. ємність і опір відповідають іонно-релаксаційної поляризації, а і - електронно-релаксаційної поляризації.

ємність ємність   і опір   відповідають міграційної поляризації, а   і   - спонтанної поляризації і опір відповідають міграційної поляризації, а і - спонтанної поляризації. Всі ємності еквівалентної схеми на рис. зашунтовані опором , Що представляє собою опір ізоляції наскрізного струму витоку через діелектрик. Як правило, струм витоку в діелектриках дуже малий і опір ізоляції складає десятки і сотні МОм.

Діелектрична проникність газоподібних, рідких і твердих діелектриків

Газоподібні речовини характеризуються дуже малою щільністю внаслідок великих відстаней між молекулами. Тому поляризація всіх газів незначна, і відносна діелектрична проникність їх близька до одиниці. Поляризація газу може бути чисто електронної або ж дипольної, якщо молекули газу полярні. Але навіть і для полярних газів основне значення має електронна поляризація. Відносна діелектрична проникність газів тим вище, чим більше радіус молекули.

Залежність діелектричної проникності від температури і тиску визначається зміною числа молекул в одиниці об'єму газу. Це число пропорційно тиску і обернено пропорційно абсолютній температурі. При підвищенні вологості повітря при нормальних температурі і тиску відносна діелектрична проникність незначно збільшується. При підвищеній температурі це збільшення стає більш помітним. Температурна залежність відносної діелектричної проникності зазвичай характеризується виразом:

. .

Формула дає можливість обчислити відносне зміна діелектричної проникності при підвищенні температури на один градус. Ця величина носить назву температурного коефіцієнта діелектричної проникності. Температурний коефіцієнт діелектричної проникності має одиницю вимірювання Формула дає можливість обчислити відносне зміна діелектричної проникності при підвищенні температури на один градус . Оскільки температура найчастіше розраховується за градусами Кельвіна, то розмірність записують як . величину полярного газу можна знайти за виразом:

. .

Наприклад, для повітря при Наприклад, для повітря при   = 200 С: = 200 С:

. .

Рідкі діелектрікі могут буті побудовані з неполярних або полярних молекул. Значення відносної діелектричної проникності неполярних рідин невелика і зазвичай не перевищує значення 2,5. Наприклад, для трансформаторного масла Рідкі діелектрікі могут буті побудовані з неполярних або полярних молекул = 2,1-2,4. Залежність відносної діелектричної проникності від температури для неполярной рідини пов'язана зі зменшенням числа молекул в одиниці об'єму. Від частоти прикладеної напруги для неполярной рідини не залежить

значення значення   для полярних рідин лежить в межах від 3,5 до 5 для полярних рідин лежить в межах від 3,5 до 5. Наприклад, совол має значення = 5. Температурна залежність для совола показана на рис. 2.5, а, з якого видно, що для полярних рідин ця залежність має більш складний характер, ніж для неполярних. Сильно полярні рідини характеризуються дуже високим значенням відносної діелектричної проникності. Наприклад, дистильована вода має = 40. Однак практичного застосування в якості діелектрика вода не знаходить внаслідок її великої провідності. При переході води з рідкого стану в тверде відносна діелектрична проникність зменшується від значення 40 до значення 2,45.

Значний вплив на Значний вплив на   дипольної рідини має частота (рис дипольної рідини має частота (рис. 2.5, б). Поки частота мала і диполі встигають слідувати за полем, близька до значення, виміряного при постійній напрузі. Коли ж частота стає настільки великою, що диполі вже не встигають слідувати за зміною поля, діелектрична проникність зменшується, прагнучи до значення, обумовленого електронної поляризацією, т. Е. До значення, близького до одиниці.

Рис.2.7. Залежність діелектричної проникності від температури для неполярного діелектрика - парафіну.

У твердих тілах в залежності від структури діелектрика можливі всі види поляризації. тому У твердих тілах в залежності від структури діелектрика можливі всі види поляризації твердих тіл може приймати самі різні чисельні значення. Для твердих неполярних діелектриків характерні ті ж залежності, що і для неполярних рідин і газів. На рис. 2.7 показана температурна залежність для парафіну. При переході парафіну з твердого стан в рідке (температура плавлення становить 540 С) відбувається різке зменшення внаслідок сильного зниження щільності речовини.

Тверді діелектрики, що представляють собою іонні кристали з нещільної упаковкою частинок, в яких спостерігається крім електронної та іонної також і іонно-релаксаційна поляризація, характеризуються в більшості випадків великим позитивним температурним коефіцієнтом діелектричної проникності. Прикладом може служити електротехнічний фарфор, Тверді діелектрики, що представляють собою іонні кристали з нещільної упаковкою частинок, в яких спостерігається крім електронної та іонної також і іонно-релаксаційна поляризація, характеризуються в більшості випадків великим позитивним температурним коефіцієнтом діелектричної проникності якого в залежності від температури приведена на рис. 2.8.

Рис.2.8. Температурна залежність діелектричної проникності електротехнічного фарфору.

Полярні органічні діелектрики характеризуються дипольної поляризацією. До таких діелектриків відносяться целюлоза і продукти її переробки. Діелектрична проникність зазначених матеріалів у великій мірі залежить від частоти прикладеної напруги, підкоряючись тим же закономірностям, які спостерігаються для полярних рідин.

Чи не нашли, что Шукало? Скорістайтеся Поиск:

Що ж являє собою поляризація?
Чи не нашли, что Шукало?