1.1. Поляризация диэлектриков
При описании электрических явлений обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами, к которым подводится электрическое напряжение, т. е. некоторый участок изоляции. Таким участком может быть электрический конденсатор, изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т. п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его электрических параметров.
В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные - в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные - в обратном направлении.
В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp.
Образование индуцированного электрического момента р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Качественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:
.
(1.1)
Поляризованность - векторная величина: ее направление совпадает с направлением электрического момента - от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в [Кл× м], а объем -в [м3], то единицей модуля поляризованности будет [Кл/м2].
Существует несколько видов поляризации: электронная, ионная, дипольная и миграционная.
1.1.1. Электронная поляризация.
Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации.
Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля - порядка 10-14 - 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических.
При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки l, но и возрастает заряд ядра q.
Ионная поляризация - смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. При этом центры положительных и отрицательных зарядов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние x в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях, вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент рu = qx.
Ионная поляризация устанавливается также за малое время (хотя и большее, чем электронная) - 10-13 - 10-14 с.
Ионная поляризуемость больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т. е. являются многовалентными.
Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Сущность этого метода поляризации заключается в повороте в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент.
Диэлектрики можно подразделить на полярные (содержащие постоянные диполи, способные к переориентации) и неполярные (не содержащие ориентирующихся диполей).
В молекулах любого вещества содержатся положительные и отрицательные электрические заряды. Алгебраическая сумма всех зарядов равна нулю, когда вещество не наэлектризовано, т. е. электрически нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в молекуле у каждоговещества различно. Если заменить все положительные заряды молекулы одним суммарным, считая его расположенным в центре тяжести отдельных положительных зарядов, и такое же суммирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные точечные заряды могут либо не совпадать в пространстве друг с другом, либо совпадать.
В первом случае молекула даже в отсутствие внешнего электрического поля будет представлять собой электрический диполь с отличным от нуля постоянным электрическим моментом рП = ql, где q — суммарный положительный (отрицательный) заряд молекулы; l — расстояние между суммарными зарядами, т. е. плечо диполя. В большинстве случаев постоянный электрический момент молекул полярных веществ рП = 10-30 - 10-29 [Кл× м].
Электрический момент молекулы - величина векторная, направленная от отрицательного заряда -q к положительному заряду +q. У неполярных веществ l = 0 и потому рП = 0.
Независимо от электрических свойств о полярности вещества можно судить по строению его молекул. Молекулы имеющие симметричное строение и центр симметрии, неполярны, так как центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы и l = 0 и рП = 0. Несимметричные молекулы полярны.
Более строго дипольную поляризацию можно объяснить как внесение внешним электрическим полем некоторой упорядоченности в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения. Следовательно, дипольная поляризация по своей природе связана с тепловым движением молекул, и на нее оказывает существенное влияние температура.
Дипольная поляризация в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и аморфных вязких веществах.
Процесс установления дипольной поляризации после включения диэлектрика под напряжение требует относительно большого времени. Поляризованность РД дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:
(1.2)
Постоянную времени этого процесса t называют временем релаксации дипольной поляризации. Если период приложенного переменного напряжения меньше t , то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем. Так как τ обычно имеет порядок 10-6 - 10-10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах не ниже 106 - 1010 Гц.
При понижении температуры t сильно возрастает.
1.1.4. Миграционная поляризация.
Миграционная поляризация наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела.
Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленные - секунды, минуты, часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.
1.2. Электропроводность диэлектриков.
Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала r , тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.
Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции - объемный сквозной ток IV - очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности - поверхностный сквозной ток IS. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным:
.
(1.3)
Следовательно проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = IV / U и поверхностной G = IS / U:
.
(1.4)
Величины обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции - объемным RV и поверхностным RS. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений:
.
(1.5)
Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики RS вводят понятие удельного поверхностного сопротивления r S.
Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения Iсм, плотность которого Jсм = ¶ D / ¶ t. Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник — образец, которое обычно мало. Однако ток продолжает изменяться и после этогочасто в течение минут и даже часов. Медленно меняющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика, называют током абсорбции Iабс.
Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей заряда встречает на своем пути дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все дефекты заполнятся носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток Iскв, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов:
(1.6)
Ток
абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах
диэлектрика - дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие
появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике
становится неоднородным.