Диэлектрик представляет собой специальное вещество, основное свойство которого — плохая проводимость электрического тока. Данная характеристика материала напрямую связана с его способностью к поляризации в рамках внешнего электрического поля. Особенности данного процесса были подробно изучены Майклом Фарадеем. Английский физик проводил большое количество экспериментов с воздухом, стеклом и различными смолами. В данной статье подробно рассмотрим основные электрические диэлектриков свойства.
Поляризация диэлектриков
Поляризация диэлектриков – физическое явление, фундаментальной основой которого является ограниченное передвижение связанных зарядов. Речь идет о перемещении частиц в рамках диэлектрика. Также это касается систематического поворота диполей электрического типа. Эмпирическим путем было установлено, что катализатором смещения электрических зарядов является электрическое поле. Данный процесс получил название в виде поляризации.
На сегодняшний день изучено большое количество видов поляризации. Если речь идет о поляризуемости диэлектрика, то она включает электронную, ионную и ориентационную варианты. Проводники и диэлектрики до сих пор являются частым предметом исследования в научной среде.
Механизм поляризации диэлектрика неполярного типа заключается в постепенной деформации электронной оболочки атома. В результате этого наблюдается смещение электронов против поляризующего поля. Данный процесс приводит к совпадению центров между «+» и «-» зарядами. Поле в диэлектрике довольно изменчиво.
Ученые сходятся во мнении, что основная причина возникновения поляризации кроется с несимметричной генерацией волн непосредственно в области возмущения. Также это касается анизотропности среды при распространении волн. Менее всего распространен вариант преломления, отражения нескольких сред между собой.
Интересно! Как заменить проводку в квартире правильно и безопасно?
Диэлектрики в переменном поле
В процессе ряда научных исследований было установлено, что смещение зарядов происходит постепенно. Именно по этой причине поляризация не может быстро следовать за изменениями электрического поля в течение определенного периода времени. Без сомнения, в состав переменного поля входит большое количество структур, которые постоянно меняются. Данная закономерность получила название гармоничной. Плоский диэлектрик встречается реже.
Анализ данного явления более нагляден по формуле:
E=E0sinωtE=E0sin
ωω представляет собой частоту переменного поля, а E0Е0 – текущую амплитуду напряженности поля. Следует отметить, что в таких условиях будут происходить гармонично с установленной частотой.
Эмпирическим путем было установлено, что между колебаниями уровня PP и EE существует определенная разность фаз. Она получила обозначение δδ. Также исследования были направлены на проницаемость диэлектрика. Более наглядно гармоничный закон можно представить по следующей формуле:
E=E0еiωt,E=E0еiωt
На основании вышеизложенного материала можно утверждать, что диэлектрическая проницаемость относится к категории комплексных величин. Физический процесс тесно коррелирует с частотой переменного электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле, к сожалению, не до конца изучены.
Суть процессов, связанных с диэлектриком в переменном поле, заключается в смещении положительных зарядов. В свою очередь отрицательно заряженные частицы перемещаются в противоположном направлении. Это приводит к тому, что молекулы постепенно трансформируются в электрический диполь. Как правило, его ось направлена параллельно к внешнему полю.
Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля
Поляризация диэлектриков также возможна в условиях полного отсутствия электрического поля. В таком случае фундаментальной основой физического процесса выступают другие причины. Явление в первую очередь распространяется на пироэлектрики, сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики.
Эмпирическим путем было установлено, что в пироэлектриках заряженные частицы располагаются несимметрично. Связано это с несовпадением между собой противоположных частиц. Основанием для активизации поляризации является изменение температуры. В рамках данного процесса возникает необходимость в компенсации энергии. В большинстве случаев электрические заряды просто не успевают перестроиться.
Практика показывает, что наиболее распространены сегнетоэлектрики. В рамках них спонтанная поляризация постоянно меняется. Связано это с изменениями температурного режима или электрического поля. Если речь идет о пьезоэлектриках, деформационный процесс является отправной точкой для возникновения поляризации. В свою очередь в категорию электретов входят смолы, стекла.
Пробивное напряжение диэлектрика возникает при достижении Uпр минимального значения. В таких условиях формируется проводящий канал. Специалисты отмечают, что пробивное напряжение может быть как полным/неполным, так и частичным.
Электрическая проводимость диэлектриков
Емкость диэлектрика находится на низком уровне, но всегда выше нулевого значения. В качестве основных носителей зарядов следует отнести электроны и ионы. Если речь идет об ионной проводимости, то перемещение связано как с собственными, так и примесными атомами.
Эксперты сходятся во мнении, что свободное перемещение ионов по кристаллу в первую очередь связано с наличием дефектов на их поверхности. Так, при образовании вакансии существенно возрастает вероятность занятия свободного места другими ионом. В основе данного процесса лежит воздействие поля. В результате наблюдается целенаправленное движение вакансий с последующим переносом зарядов через всю кристаллическую структуру.
В результате многочисленных исследований было установлено, что перемещение ионов происходит в результате перескока ионов между узлами. Для этого использовалась диэлектрик пластина. Также было установлено, что при увеличении температуры существенно возрастала ионная проводимость. Не менее значимым фактором физического процесса являлась поверхностная проводимость.
Интересно! Как определить прямую и обратную полярность при сварке?
Пробой диэлектриков
Диэлектрическая проницаемость диэлектрика представляет собой физическую величину, при помощи которой можно объективно характеризовать способность материала к поляризации электрическим полем. Расчеты данного показателя осуществляются строго по установленной форме.
Эмпирическим путем было установлено, что плотность электрического тока прямо пропорционально зависит от его степени напряженности. В соответствии с законом Ома была утверждена следующая формула:
j=σEj=σE
где σσ – электрич. проводимость Д (в т.ч. 2 два диэлектрика).
Практика показывает, что в сильный полях нарастание тока происходит намного быстрее. Вероятность образования критического пробоя существенно возрастает на фоне достижения EпрEпр критических значений. В таких условиях направление тока осуществляется строго по узкому каналу. В науке данное явление получило название шнурование тока. Следует отметить, что jj может иметь высокое значение, которое станет основной причиной разрушения Д.
Если речь идет о состоянии канала, то по нему могут протекать различные химические реакции. В качестве наглядного примера можно привести поэтапное осаждение углерода в ионных кристаллах. Также это касается металлизации канала.
Нелинейные свойства диэлектриков
Если речь идет о линейной зависимости по формуле P=ε0ϰEP=ε0ϰE, то она актуальна только для полей типа EE. Для данной модели характерен низкий уровень внутрикристаллических полей. Так, в отношении EкрEкр характерна величина в размере 108 В/см. Данная закономерность была выявлена в результате проведения многочисленных испытаний. В рамках данного процесса в обязательном порядке фиксировался заряд в диэлектрике.
Отдельного внимания заслуживает модель Eпр≪EкрEпр≪Eкр. В рамках нее довольно проблематично выявить закономерность нелинейного типа. Речь идет непосредственно о постоянном электрическом поле (РЕ). Практика показывает, что увеличение амплитуды ВЧ-полей существенно возрастает на фоне проявления нелинейных свойств. Повышение электрической прочности также происходит в рамках высоких частот электрического поля. Например, диэлектрик в конденсаторе.
Формирование электрического поля также возможно в луче лазера. Уровень его напряженности, как правило, составляет 8 В/см. В рамках такой модели нелинейные свойства становятся существенными. Таким образом, создаются благоприятные условия непосредственно для преобразования частоты света. Также это касается и его фокусировки. Более подробно данный вопросы был изучен в рамках нелинейной оптики (в т.ч. диэлектрики примеры).
Применение диэлектриков
В большинстве случаев диэлектрики используются в качестве надежного изоляционного материала для электрического поля. Пробой диэлектрика происходит довольно редко. Как правило, это возникает в результате нарушения его целостности из-за ряда механических повреждений. Если возникает необходимость в преобразовании механических сигналов, используются пьезоэлектрики. С их помощью можно контролировать порядок перемещения деформаций и различного рода звуковых колебаний. Более подробно особенности данного процесса рассмотрены в рамках пьезоэлектрических преобразователей.
Отдельного внимания заслуживают пироэлектрики. В большинстве случаев речь идет о тепловых детекторах и ИК-излучении. Не менее распространены сегнетоэлектрики, которые чаще всего используются в качестве конденсаторного материала. Функциональные элементы ценятся из-за высокого уровня диэлектрической проницаемости. Структурные компоненты часто используются в разнообразных устройствах. Диэлектрики часто выполняют задачи в разрезе оптического материала. В зависимости от физического состояния, различают жидкие диэлектрики и твердые диэлектрики.
