Ионные диэлектрики: диэлектрики

Содержание

диэлектрики



диэлектрики

8)
Диэлектрик (изолятор) — материал, плохо проводящий или совсем не проводящий электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стекло, различные смолы, пластмассы непременно сухие. Химически чистая вода также является диэлектриком.

ТИПЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ. ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Диэлектрики – вещества, которые при обычных условиях не проводят электрический ток, в диэлектриках нет свободных электрических зарядов. Молекулы диэлектриков электрически нейтральны. Диэлектрики делятся на 3 типа: неполярные, полярные, ионные. У неполярных диэлектриков дипольные моменты молекул в отсутствии внешнего электрического поля равны нулю – h3, N2, C6H6. У поляризованных диэлектриков молекулы обладают постоянным дипольным моментом и без внешнего электрического поля – h30. Ионные диэлектрики – это вещества, молекулы которых имеют ионное строение. В кристаллах этих веществ нельзя выделить отдельные молекулы, их можно рассматривать как систему 2х вставленных друг в друга ионных решеток – одна заряжена положительно, другая отрицательно – NaCl, KCl. При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле, он поляризуется. На поверхности диэлектрика появляются связанные заряды. В соответствии с 3мя типами диэлектриков различают поляризацию неполяризованных, полярных и ионных диэлектриков.

В результате действия кулоновских сил электронная оболочка молекул деформируется и появляется наведенных дипольный момент.

В полярном диэлектрике поляризация обусловлена в основном ориентацией молекулярных диполей по полю. Видно, что и в этом случае на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды.

Ионная поляризация: Во внешнем электрическом поле под действием кулоновских сил происходит смещение подрешеток относительно друг друга и появляется наведенный дипольный момент, что также приволит к появлению связанных зарядов на поверхности диэлектрика. Независимо от того, какой тип диэлектрика во внешнем электрическом поле, происходит его поляризация. Из приведенных рисунков видно, что поле связанных зарядов противоположно внешнему электрическому полю, вследствии этого внешнее электрическое поле диэлектриком всегда ослабляется.


Ионные диэлектрики — Энциклопедия по машиностроению XXL


Величина поляризуемости с повышением температуры возрастает в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, обусловленного увеличением расстояния между ионами при тепловом расширении. Суммарный эффект ионной поляризации при увеличении температуры возрастает, и в большинстве случаев температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.  [c.26]

При наложении поля, ионы диэлектрика получают добавочную скорость в направлении поля, т. е. приобретают добавочную энергию за счет поля ионы, движущиеся в обратном направлении, теряют часть энергии. Потенциальный барьер, таким образом, для одних ионов уменьшается, для других увеличивается. Избыточное число движущихся в направлении поля ионов, преодолевших потенциальный барьер, будет равно  

[c.49]

Ионная поляризация (Си Qк на схеме рис. 1-2) характерна для твердых тел с ионным строением и обусловливается смещением упруго связанных ионов. С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении, и в большинстве случаев температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.  [c.22]

Обязательным условием для электрохимического старения керамики является участие в электропроводности хотя бы одного вида ионов диэлектрика. Если электропроводность чисто электронная, электрохимическое старение невозможно.  

[c.53]

Гетерополярные (ионные) диэлектрики 10  [c.566]

Величина поляризуемости иона при ионном смещении примерно того же порядка, как и электронная поляризуемость атома или иона. Естественно, что при одном и том же порядке плотности вещества у ионных диэлектриков диэлектрическая проницаемость е, вообще говоря, больше, чем у неполярных, так как в ионных диэлектриках, помимо механизма электронной поляризации, дополнительно действует и механизм ионного смещения, усиливающий общую поляризацию. Это легко видеть из сопоставления данных табл. 2-3 (для твердых веществ) и табл. 2-4.  [c.108]

Адиабатическая теория взаимодействия электронов с оптическими фононами. Используя вариационный принцип, Пекар [123] развил более строгую теорию сильного взаимодействия электронов с изотропным ионным диэлектриком. Кристалл рассматривался как непрерывная среда, описываемая вектором поляризации Р г). Кинетическая энергия движения ионов не учитывалась (адиабатическое приближение).  

[c.249]


В обычных условиях газ между электродами является диэлектриком и не проводит электрический ток. Если быстрая заряженная частица проходит между электродами Л и /С, то газ в сосуде ионизируется, т. е. в нем создаются свободные электроны и положительные ионы. Под действием наложенного электрического поля свободные электроны и ионы придут в движение между электродами и в цепи возникнет ионизационный ток. Ток измеряется чувствительным гальванометром Г.  [c.38]

К ионным кристаллам относятся большинство диэлектриков с высокими значениями удельного электрического сопротивления. Электропроводность ионных кристаллов при комнатной температуре более чем на двадцать порядков меньше электропроводности металлов. Электропроводность в ионных кристаллах осуществляется, в основном, ионами.  [c.71]

В некоторых диэлектриках доминирующей является ионная проводимость, при которой ток переносится положительными (катионы) или отрицательными (анионы) ионами. При этом в постоянном электрическом поле осуществляется не только перенос заряда, но и перенос вещества. Анионы движутся к аноду, катионы — к катоду. Поскольку концентрация носителей заряда в объеме диэлектрика в этом случае постепенно уменьшается, значение ионного тока зависит от времени.  

[c.274]

Если к диэлектрику приложить электрическое поле, то появится некоторое количество ионов, преодолевающих барьеры преиму-щественно в направлении поля. Они и обусловливают ионную проводимость. Расчеты показывают, что в этом случае  [c.274]

Часто при низких температурах ионная проводимость диэлектрика обусловлена примесями, а при высоких связана с перемещением основных ионов вещества. Зависимость а Т) в этом случае описывается выражением вида  [c.275]

Под действием электрического поля частицы, составляющие диэлектрик (атомы, ионы, молекулы), превращаются в диполи. Это связано со смещением в направлении  

[c.276]

Для многих диэлектриков (ионные кристаллы, аморфные вещества) важно знать электронную поляризуемость ионов. Поляри-  [c.279]

В диэлектриках с ионным типом химической связи под действием электрического поля происходит смещение положительных ионов относительно отрицательных. Возникающая таким образом  [c.280]

В отличие от упругой тепловая поляризация устанавливается достаточно медленно. Приложение внешнего злектрического поля к диэлектрику, находящемуся в состоянии термодинамического равновесия, приводит к определенной перестройке системы (диэлектрика). В результате этого через некоторое время, называемое временем релаксации, устанавливается новое поляризованное равновесное состояние. Если электрическое поле выключить, то за счет тепловых колебаний и перемещений частиц восстанавливается хаотическая ориентация диполей или хаотическое распределение электронов и ионов в ловушках . Поляризованное состояние че-  

[c.283]

Наиболее простым видом поляризации, зависящей от теплового движения частиц, является поляризация, обусловленная движением отдельных ионов внутри диэлектрика. В связи с этим рассмотрим сначала основные закономерности ионной тепловой поляризации.  [c.284]

Наложение внешнего однородного поля вдоль оси л изменяет зависимость U(x). Потенциальная энергия иона в этом поле должна изменяться с расстоянием линейно. Таким образом, кривая V (х) представляет собой результат наложения зависимости, изображенной на рис. 8.5, и наклонной прямой (рис. 8.6). Из рис. 8.6 следует, что вероятность перескока иона из положения / в положение 2 увеличивается, а вероятность обратных перескоков уменьшается. Это происходит потому, что за счет наложения поля потенциальный барьер в первом случае уменьшается на AL/, а во-втором — увеличивается на AU. Если заряд иона равен е, то AU= =еЕд/2. Естественно, что число перескоков в единичное время в направлении J- 2 теперь больше, чем в обратном направлении. В результате этого в диэлектрике устанавливается асимметричное распределение зарядов, т. е. создается некоторый дипольный момент.  

[c.285]

Общий вид зависимости e(v) показан на рис. 8.10. В области низких частот вклад в гнч вносят все виды поляризации, однако при V (10 -f-I05) Гц начинают выключаться различные виды объем-но-зарядной поляризации, связанной с движением и накоплением на границах раздела неоднородного диэлектрика заряженных частиц (электронов, ионов). В диапазоне радиочастот Ю —10 Гц  [c.294]


Ионная поляризация — электрическая поляризация, обусловленная упругим смещением разноименно заряженных ионов относительно положения равновесия в диэлектрике.  [c.104]

Электронная поляризация— упругое смещение электронных орбит относительно ядер в атомах, молекулах и ионах под действием внешнего электрического поля. Таким образом, электронная поляризация происходит во всех диэлектриках независимо от существования в них других видов поляризации. Это быстрая поляризация, совершающаяся за время порядка 10 —10- с, сравнимое с периодом световых колебаний. В неполярных диэлектриках существует только электронная поляризация и поэтому а = аэ (электронная поляризуемость). Неполярные молекулы имеют симметричное строение и поэтому центры тяжести эквивалентных положительного и отрицательного зарядов у них совпадают, так что в отсутствие внешнего поля неполярные молекулы не имеют собственного электрического момента (ц = 0).  

[c.544]

Ионная поляризация — упругое смещение противоположно заряженных ионов в узлах кристаллической решетки ионных кристаллов под действием внешнего поля. Это тоже быстрый вид поляризации, устанавливающийся за время порядка 10 —10 с. Поскольку в ионных кристаллах существует еще и электронная поляризация, а = аэ + ак (а — ионная поляризуемость) и такие диэлектрики отличаются большим значением е,, чем неполярные.  

[c.544]

Нелинейным диэлектрикам — сегнетоэлектрикам наряду с электронной и ионной свойственна спонтанная (самопроизвольная) поляризация, относящаяся к числу релаксационных видов. Спонтанная поляризация возникает в определенном температурном интервале, ограниченном сегнетоэлектрическими точками Кюри, под влиянием внутренних процессов самопроизвольно. При этом структура элементарной ячейки кристалла становится несимметричной, приобретая электрический момент. В пределах  [c.544]

Газы в обычных условиях характеризуются высоким удельным сопротивлением и очень малыми диэлектрическими потерями. К достоинствам газов относятся также восстановление электроизоляционных свойств после пробоя и отсутствие старения (ухудшение свойств со временем). Недостатком их является невысокая (по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками) электрическая прочность при нормальном давлении. Для увеличения электрической прочности используют как повышение давления газов, так и глубокое их разрежение. Повысить электрическую прочность газовой изоляции можно также, применяя электроотрицательные газы. Молекулы этих газов, содержащие обычно атомы фтора, хлора и других галогенов, способны захватывать свободные электроны и становиться малоподвижными отрицательными ионами. Удаление подвижных электронов затрудняет развитие электрического разряда, вследствие чего электрическая прочность газа возрастает.  [c.545]

Обязательным условием электрохимического старения керамики является участие в электропроводности ионов диэлектрика (с малым радиусом). Если электропроводность чисто электронная, электрохимическое старение невозможно. Старение керамики с электронной и ионной электронроводностью зависит также и от материала электродов (рис. 2-8). Серебро мигрирует в керамику и увеличивает ее проводимость.  [c.41]

НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ (носители тока) — подвижные частицы или квааичастицы, участвующие в процессах электропроводности. Перенос заряда в твёрдых телах может осуществляться движением электронов и дырок из частично заполненных зон (см. Зонная теория), ионов (диэлектрики), а также заряженных дефектов кристаллич. решётки — вакансий, межузельных атомов или примесей. Знак основных Н. з. в т. т. можно определить, напр., по знаку постоянной Холла (см. Холла эффект). Тип основных Н. э. в т. г. может меняться в зависимости от внеш. условий (напр., темп-ры) и предыстории образца (напр., облучения). В случае сильного электрон-фононного взаимодействия в электропроводность могут вносить вклад полярон .  [c.363]

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества зависит от внешних факторов, таких, как частота приложенного электрического поля, температура, давление. Диэлектрическая проницаемость электронных и ионных диэлектриков обычно не зависит или слабо зависит от частоты приложенного поля. Это связано с тем, что характерные времена поляризации составляют 10- —Ю — с и при частотах, применяемых в современной электротехнике, за время иолупериода успевает установиться равновесие. У полярных диэлектриков, время ориентации молекул которых в электрическом поле больше на несколько порядков, чем время поляризации у неполярных диэлектриков, диэлектрическая проницаемость сначала не изменяется с увеличением частоты, а затем уменьшается. Диэлектрическая проницаемость электронных диэлектриков слабо уменьшается с повышением температуры, а ионных диэлектриков сложным образом зависит от температуры, наиболее часто слабо возрастая с увеличением температуры. У полярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость проходит обычно через максимум диэлектрическая иро-ницаемость сначала увеличивается вследствие уменьшения вязкости ДИ»  [c.586]

Гензель и Мартин [950] с помощью формулы Максвелл-Гарнетта, записанной в ином виде, получили выражения для диэлектрической проницаемости = i + взвеси частиц ионных диэлектриков, гомополярных полупроводников, металлов и ионных полупроводников в среде с диэлектрической постоянной е . При зтом диэлектрическая проницаемость вещества частиц описывалась формулой (405) для ионных диэлектриков, моделью свободных электронов для металлов и гомополярных полупроводников, а также комбинацией этих двух приближений для ионных полупроводников.  [c.301]


У большинства твердых ионных диэлектриков (кристаллы, стекла, керамические материалы, ситаллы и др.) е при росте температуры увеличивается (рис. 15.6, г), что связано с ростом ионной поляризуемости. Исключением являются вещества с высокой г — рутил Т10.2, перовскит СаТ10з и др., у которых ТКе [c.118]

Обязательным условием для электрохимического старения керамики является участие в электропроводности хотя бы одного сорта ионов диэлектрика. Если электропроводность чисто электронная, электрохимическое старение невозможно. В некоторых видах керамики, например рутиловой, перовскитовой и др., ионная электропроводность в сравнении с электронной ничтожно мала и тем не менее она достаточна, чтобы, спустя некоторое время, при повышенной температуре и серебряных электродах происходило старение материала.  [c.66]

Таким образом, каждая пара ионов образует упругий диполь. Наряду с процессом поляризации ионного смещения в ионных кристаллах протекает электронная поляризация. Общая интенсивность процессов поляризации у ионных кристаллических диэлектриков (радиокерамические материалы, слюда) довольно большая, поэтому значения диэлектрической проницаемости у них относительно большие (е = 7 Ч- 12 и выше). Оба процесса поляризации мгновенные, поэтому диэлектрическая проницаемость ионных кристаллических диэлектриков не зависит от частоты приложенного напряжения. Ионные диэлектрики широко применяют в радиотехнике.  [c.25]

Кения атомов. Ввиду экспоненциальной зависимости частоты пере-бросоз от глубины потенциальной ямы вероятность перебросов влево и вправо резко изменится. Атом, находящийся в более мелкой потенциальной яме /, будет иметь большую вероятность переброса (в направлении поля или в обратном направлении, в зависимости от знака носителя заряда), чем атом, находящийся в более глубокой яме 2. В результате этого будет наблюдаться дрейф (направленный -перенос) атомов (ионов) и через вещество будет протекать ток. Концентрация дефектов по Френкелю и по Шоттки зависит от температуры экспоненциально. Поэтому можно было бы ожидать, что в области низких температур проводимость ионных диэлектриков, таких как галогениды серебра или щелочно-галогенидные и щелочноземельно-галогенидные кристаллы, должна быть очень незначительной. Поскольку в этих кристаллах вплоть до очень высоких температур проводимость обусловлена в основном одним видом носителей (катионами), естественно ожидать, что для них должно выполняться соотношение вида  [c.45]

С молекулярной точки зрения, II. д. заключается в смещении упруго связанных зарядов, образующих молекулу, атом или ион диэлектрика, в элоктрич. поле (упругая П. д.) и и появлении упорядоченности в хаотическом тепловом движении слабо связанных днпольных молекул и ионов под действием элект])нч. поля [релаксационная (тен.повая) П. д.] нослодияя возникает за счет зарядов, имеющих иеск. положений равновесия, каждое из к-рых они могут занимать с нок-рой вполне определетгой вероятностью [31.  [c.142]

Следовательно, измерения диэлектрической постоянной в ква-зистационарном и оптическом диапазонах позволяют определить относительную интенсивность ионной и электронной поляризации. Так как обе поляризации Р,- и Ре определяются только структурой атома и числовой плотностью частиц (на которые температура обычно не влияет), то ионные диэлектрики  [c.29]

При начальной концентрации ионов riei = 10 м и температуре 3000° К в присутствии частиц диэлектрика, заряженных первоначально, как в примере на стр. 449, 2000 дырок каждая, Пд, согласно уравнению (10.92), уменьшается до м . Если частицы первоначально нейтральны, то вследствие термоэлектронной эмиссии концентрация свободных электронов стремится увеличиться. Частицы, первоначально имеющие отрицательный заряд, способствуют повышению концентрации свободных электронов (фиг. 10.10). Время достижения нового уровня концентрации в этом примере зависит от распределения твердых частиц. Для электростатической дисперсии на длине от 1 ai до 1 л требуется 10 сек [728].  [c.463]

В твердых диэлектриках ионный ток переносится слабосвязанными ионами. Предположим, что концентрация таких ионов равна Ло- Перемещение иона из одного положения равновесия в другое может произойти только тогда, когда будут преодолены силы, связывающие его с соседними частицами. Другими словами, ион должен преодолеть энергетический барьер Ео. В(фоятность такого перехода при тепловом хаотическом движении пропорциональна фактору Больцмана ехр [—Ео/ к-в,Т).  [c.274]

Во многих диэлектоиках имеются слабосвязанные ионы. Это могут быть ионы, находящиеся в междоузлиях, или ионы, локализованные вблизи структурных дефектов. За счет тепловых флуктуаций ионы могут переходить из одних положений равновесия в другие, преодолевая потенциальные барьеры. При отсутствии внешнего электрического поля такие перемещения являются случайными и диэлектрик остается неполяризованным. Под действием поля изменяется потенциальный рельеф и появляется некоторое преимущественное перемещение ионов в дефектных областях. Так возникает поляризация. В зависимости от особенностей структуры диэлектрика и типа дефектов время релаксации ионной тепловой поляризации при комнатной температуре колеблется от Ю до Ю- с.  [c.284]

Найти зависимость Дя(/) из (8.46) не представляет труда, если считать, что поле, действующее на каждый ион, равно среднему макроскопическому полю в диэлектрике, и, следовательно, при установлении поляризации оно не меняется. На самом деле это не так, но для упрощения будем считать, что = onst и Af/= = onst. Оправданием такого предположения может служить то, что более громоздкие расчеты приводят к тем же основным результатам.  [c.286]

Фотолюминесценция — люминесценция, возникающая при возбуждении светом видимого и ультрафиолетового диапазонов частот фотовоэбуждение). На практике фотовозбуждение используется для получения люминесценции жидких растворов, стекол, твердых диэлектриков и полупроводников. При этом роль центров люминесценции играют специально вводимые в основное вещество ионы или молекулы. Так, например, в твердые диэлектрики и стекла вводят в виде небольших примесей ионы неодима (Nd +) и других редкоземельных элементов. В жидкие растворители вводят, в частности, молекулы органических красителей.  [c.184]

Самый простой метод расчета заключается в применении лореицовской теории диэлектриков [27]. Если все диполи в веществе одинаковы и расположены параллельно, то совместно они дают составляющую ноля в месте расположения данного иона, пропорциональную намагниченности коэффициент пропорциональности зависит от кристаллической структуры 15 случае кубической решетки имеем  [c.431]

Предположение о том, что все диполи в среде равны и расположены параллельно, может быть оправдано в случае диэлектрика (поляризация атомов), однако в случае парамагнетика (ориентация ионов) оно неприменимо. Онзагер [28] показал, что среднее поле в месте расположения иона (при усреднении как по пространству, так и по времени) равно полю, вычисленному по формуле (7.12), однако оно не является полем, оказывающим на ион ориентирующее действие. Сам ион вызывает поляризацию окружающей его среды, а это приводит к появ [ению некоторотг составляющей поля в место расположения иона. Эта составляющая, названная Бёттхером [29] полем реакции , меняет свое направление вместе с диполем (если предполагать, что среда вокруг диполя является изотропной) поэтому она не приводит к ориентации иона (,х отя и приводит к появлению соответствующего члена в выражении для энергии). Задача состоит в том, чтобы вычислить поле в месте расположения одного из ионов в решетке в случае, когда сам ион отсутствует. Такое вычисление связано с большими трудностями. Онзагер для получения приближенного р( -шения заменил парамагнетик непрерывной средой, обладающей проницаемостью [1, со сферической полостью, объём которой равен объему отсутствующего иона. И этом случае из уравнений Максвелла можно получить соотношение  [c.432]


Диэлектрики, в силу того, что свободных носителей заряда в них мало, состоят по сути из связанных заряженных частиц положительно заряженных ядер и обращающихся вокруг них электронов в атомах, молекулах и ионах, а также упруго связанных разноименных ионов, )асположенных в узлах решетки ионных кристаллов. Толяризация диэлектриков — упорядоченное смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля (положительные заряды смещаются по направлению вектора напряженности поля , а отрицательные— против него). Смещение / невелико и прекращается, когда сила электрического поля, вызывающая движение зарядов относительно друг друга, уравновешивается силой взаимодействия между ними. В результате поляризации каждая молекула или иная частица диэлектрика становится электрическим диполем — системой двух связанных одинаковых по значению и противоположных по знаку зарядов q, Кл, расположенных на расстоянии I, м, друг от друга, причем q — это либо заряд иона в узле кристаллической решетки, либо эквивалентный заряд системы всех положительных или системы всех отрицательных зарядов поляризующейся частицы. Считают, что в результате процесса поляризации в частице индуцируется электрический момент p=ql, Кл-м. У линейных диэлектриков (их большинство) между индуцируемым моментом и напряженностью электрического поля , действующей на частицу, существует прямая пропорциональность р = аЕ. Коэффициент пропорциональности а, Ф-м , называют поляризуемостью данной частицы. Количественно интенсивность поляризации определяется поляризованно-стью Р диэлектрика, которая равна сумме индуцированных электрических моментов всех N поляризованных частиц, находящихся в единице объема вещества  [c.543]

К замедленным видам относится ионно-релаксацион-пая поляризация, происходящая в неорганических стеклах и кристаллах с неплотной упаковкой ионов, и миграционная, свойственная твердым диэлектрикам при наличии макроскопических неоднородностей.  [c.544]


Диэлектрики в электростатическом поле классификация диэлектриков. Полярные и неполярные молекулы


Тема 4. ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

4.1. Классификация диэлектриков. Полярные и неполярные молекулы

4.2. Поляризация диэлектриков

4.3. Вектор электрического смещения

4.4. Поток вектора электрического смещения. Теорема Остроградского-Гаусса для вектора

4.5. Изменение и на границе раздела двух диэлектриков

4.1. Классификация диэлектриков. Полярные и неполярные молекулы

Вещество независимо от его природы и агрегатного состояния (газ, жидкость, твердое тело), помещенное во внешнее электрическое или магнитное поле, претерпевает определенные изменения. Это приводит к возникновению ряда явлений, которые в свою очередь изменяют поле внутри этого вещества и за его пределами.

По отношению к действию электростатического поля все вещества можно разделить на проводники, полупроводники и диэлектрики. Характерным признаком проводников является наличие в них так называемых свободных носителей заряда, которыми являются электроны в металлах (проводники первого рода), ионы в электролитах (проводники второго рода), электроны и ионы в ионизованных газах и плазме. Под действием электростатического поля эти заряды способны перемещаться по проводникам и тем самым создавать электрический ток, т.е. поток зарядов того или иного знака.

Диэлектрики, состоящие из нейтральных атомов или молекул, практически не содержат свободных носителей заряда и потому плохо проводят электрический ток, т.е. являются в обычных условиях изоляторами. В зависимости от химического состава и строения различают полярные и неполярные диэлектрики, а также ионные кристаллические диэлектрики и сегнетоэлектрики.

Неполярные диэлектрики (к ним относятся Н2, О2, N2 и др.) — это такие диэлектрики, молекулы которых имеют симметричное строение, т.е. центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электростатического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекулы превращаются в диполь, следовательно, приобретают дипольный момент, величина которого пропорциональна напряженности поля

, (1)

где β – поляризуемость молекулы (молекула ведет себя как упругий диполь), ε0– электрическая постоянная. Так как каждая молекула превращается в диполь, ориентированный по полю, то векторная сумма всех дипольных моментов молекул диэлектрика уже не равна нулю и диэлектрик приобретает электрический дипольный момент.

Полярные диэлектрики (к ним относятся Н2О, СО, NH, HCl и т.п. ) – это такие диэлектрики, молекулы которых имеют асимметричное строение, т.е. центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля представляют собой диполь. Молекулы таких диэлектриков называют полярными. Каждая молекула имеет определенный дипольный момент . При отсутствии внешнего поля, дипольные моменты полярных молекул из-за хаотичного движения молекул ориентированы в пространстве хаотично и поэтому векторная сумма всех дипольных моментов диполей в среднем равна нулю. Следовательно, результирующий дипольный момент диэлектрика равен нулю.

Если такой диэлектрик поместить во внешнее электростатическое поле, то силы поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля. Поэтому возникает частичное упорядочение в расположении диполей (тем большее, чем сильнее внешнее поле и чем ниже температура). В этом случае векторная сумма всех дипольных моментов молекул диэлектрика уже не равна нулю и диэлектрик приобретает электрический дипольный момент. На значение электрического момента полярной молекулы внешнее поле практически не влияет (жесткий диполь).

Ионные диэлектрики (к ним относятся вещества, имеющие кристаллическую структуру, такие как NaCl, KCl, KBr,…) — это диэлектрики, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разного знака. В этих кристаллах выделить отдельные молекулы нельзя, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую, ионных подрешеток. При отсутствии поля подрешетки расположены симметрично и суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю. Если диэлектрик поместить во внешнее электростатическое поле происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток.

Соответственно трем группам диэлектриков различают три вида поляризации:


  1. электронная – поляризация неполярных молекул диэлектрика;

  2. ориентационная (дипольная) — поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации дипольных молекул по полю;

  3. ионная – поляризация ионных диэлектриков, приводящая к деформации кристаллической решетки и образованию диполей.

На рисунке схематично представлены различные виды поляризации.

Таким образом, механизм поляризации связан с конкретным строением диэлектрика. Однако для дальнейшего существенно лишь то, что в процессе поляризации происходит ориентация диполей диэлектрика под действием внешнего поля.


    1. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации. Связь вектора поляризации с напряженностью поля

В отсутствие внешнего электростатического поля дипольные моменты молекул диэлектриков или равны нулю (неполярные молекулы), или распределены хаотически по направлениям в пространстве (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю. Если диэлектрик поместить во внешнее электростатическое поле, то в нем происходят процессы, приводящие к образованию диполей, ориентированных по внешнему полю (неполярные или ионные диэлектрики), либо ориентации имеющихся в диэлектрике диполей (полярные диэлектрики). Все процессы, происходящие в различных диэлектриках, находящихся в электростатическом поле, объединяют общим термином поляризация. Диэлектрик во внешнем электростатическом поле поляризуется, т.е. приобретает результирующий электрический момент.

При изменении напряженности внешнего электростатического поля, в котором находится диэлектрик, меняется состояние диполей диэлектрика, и следовательно, меняется степень поляризации.

Степень поляризации диэлектрика характеризуется величиной, называемую вектором поляризации (или поляризованностью). Вектор поляризации определяется как суммарный дипольный момент единицы объема диэлектрика и равен (2),

где Δ^ бесконечно малый объем диэлектрика, а — сумма дипольных моментов, заключенных в этом объеме молекул. , помещенного во внешнее электростатическое поле. Пусть концентрация молекул в единице объема n. В объеме ΔV количество молекул равно nΔV. Дипольный момент каждой из молекул определяется в этом случае формулой и, таким образом, суммарный дипольный момент всех молекул равен , или вектор поляризации

, (3)

где χ=nβ – диэлектрическая восприимчивость, β – поляризуемость молекулы диэлектрика.

В случае диэлектриков, построенных из полярных молекул, ориентирующему действию внешнего поля препятствует тепловое движение молекул, стремящееся разбросать их дипольные моменты по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация дипольных моментов молекул в направлении поля. Статистический расчет показывает в согласии с опытом, что при неизменной температуре T вектор поляризации пропорционален напряженности поля, т.е. приводит к формуле (3):

,

где — диэлектрическая восприимчивость, зависящая от природы диэлектрика и температуры. имеет вид: кривая 2.

При больших полях (Е >> 0) в случае полярного диэлектрика линейная зависимость Р(Е) нарушается и выходит на насыщение . Этот факт обусловлен тем, что при определенной величине E достигается такое состояние, когда дипольные моменты всех молекул направлены по полю, то есть наступает насыщение и модуль вектора поляризации не меняется (достигает Рнас. ).

Если однородный диэлектрик находится в однородном электрическом поле, то любой элемент его объема ΔV, содержащий достаточно большое число молекул поляризуется. Благодаря повороту диполей на двух противоположных поверхностях диэлектрика создается заряд (на одной грани диэлектрика создается положительный заряд, на противоположной грани – отрицательный) (рис.). Эти заряды называются связанными, так как они принадлежат молекулам диэлектрика (или кристаллической решетке при ионной поляризации) и не могут перемещаться по диэлектрику. Эти заряды не могут быть удалены с поверхности диэлектрика. На поверхности поляризованного диэлектрика связанные заряды распределены поверхностной плотностью σ΄ . (рис. 4.1).

При возрастании напряженности поля упорядочивается ориентация молекул (ориентационная поляризация), увеличиваются дипольные моменты молекул (электронная поляризация) или увеличивается смещение подрешеток (ионная поляризация). Все это приводит к тому, что увеличивается поверхностная плотность связанных зарядов σ΄ на поверхности диэлектрика. Таким образом, σ΄ так же как и вектор поляризации, характеризует степень поляризации диэлектрика. Очевидно существует связь между σ΄ и .

Найдем связь между σ΄ и на примере поляризованного диэлектрика, изготовленного в виде параллелепипеда (рис. 4.1), ребро которого l , а сечение S. Если такой диэлектрик поляризован, то совокупность диполей диэлектрика можно рассматривать как цепочку, одна из которых показана на рисунке. Дипольные моменты диполей имеют одинаковое направление. Во внутренней части цепочки диполей суммарный заряд равен нулю. Такая цепочка диполей подобна длинному диполю, в котором расстояние между зарядами равно ребру параллелепипеда l , а заряд равен . Следовательно, если на грани параллелепипеда, площадь которой S возник связанный заряд , то суммарный дипольный момент диэлектрика равен . Объем параллелепипеда , тогда вектор поляризации диэлектрика , откуда .

Итак, поверхностная плотность связанных зарядов σ΄ равна нормальной к грани диэлектрика составляющей вектора поляризации Pn .

, (4)

где Pn– проекция вектора поляризации на нормаль к поверхности, на которой выступают заряды. Отсюда:

(5)

т.е. плотность поверхностных связанных зарядов σ΄, численно равна нормальной составляющей вектора поляризации.

Так как

, то , (6)

где Еn – нормальная составляющая напряженности поля внутри диэлектрика.
Рассматривая электростатические явления в вакууме, мы считали, что заряды на теле, обусловлены избытком или недостатком электронов в каждом элементе объема заряженного тела, содержащем достаточно большое число молекул. Такие заряды можно передать другому телу путем соприкосновения. Заряды такого рода называются свободными.

При поляризации диэлектрика появляются заряды, вызванные либо поворотом дипольных молекул, либо образованием дипольных моментов молекул, при этом каждая молекула остается нейтральной. Эти заряды называются связанными. Связанные заряды появляются только при наличии в диэлектриках электрического поля. Таким образом, первичным источником поля всегда являются свободные заряды.

Рассмотрим электрическое поле внутри плоской пластины диэлектрика.

Внесем в однородное электрическое поле, создаваемое двумя бесконечными заряженными плоскостями пластину из однородного диэлектрика. Под действием поля диэлектрик поляризуется, и на его поверхностях появятся связанные заряды плотности . Эти заряды создают внутри пластины однородное электрическое поле, напряженность которого равна . Напряженность поля, образованного заряженными пластинами . Оба поля направлены навстречу друг другу. Следовательно, внутри диэлектрика:

. (7)

Так как поле перпендикулярно к поверхности пластины, то Е=Еn, и . Тогда:

,

откуда

; (8)

и

.

Таким образом, физический смысл диэлектрической проницаемости заключается в том, что она показывает во сколько раз ослабляется поле внутри диэлектрика.

Чтобы найти , можно воспользоваться тем, что (7) и (64), откуда или

(9)

Так как, , то . Таким образом, вектор поляризации пропорционален напряженности электрического поля в диэлектрике. Величина — диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, она характеризует способность диэлектрика поляризоваться и зависит от молекулярного строения и температуры.

Найдем поток вектора поляризации и сформулируем теорему Гаусса для поля вектора .

Пусть произвольная замкнутая поверхность охватывает часть диэлектрика. Внутри диэлектрика возникает поле, напряженность которого равна ,

где — напряженность поля, созданная свободными зарядами, объемная плотность которых ;

— напряженность поля, созданного связанными зарядами, объемная плотность которых .

Найдем поток вектора напряженности из бесконечно малого объема диэлектрика, охватывающего некоторую точку диэлектрика:

(10)

По теореме Гаусса (11).

Так как , то (12). Решая совместно (10-12), получим: , так как , то . Зная, что , получим

(13)

дивергенция поля вектора равна с обратным знаком объемной плотности связанного заряда в той же точке.

Перейдя от дифференциальной записи к интегральной можно записать, (71) — поток вектора поляризации через произвольную замкнутую поверхность S равен взятому с обратным знаком связанному заряду диэлектрика в объеме, охватываемом этой поверхностью S.

Однако, в диэлектриках на первичное поле, вызванное свободными зарядами, налагается еще добавочное поле связанных зарядов. Для того, чтобы найти напряженность внутри диэлектрика, надо сложить напряженности поля свободных зарядов и связанных зарядов , т.е.,

. (14)

Поляризация диэлектрика обусловлена действием суммарного поля. Поэтому это нужно подставить в формулы: и .

На связанных зарядах начинаются, либо заканчиваются линии вектора . Поэтому теорему Гаусса нужно записывать следующим образом:

. (15)

Т.е., при вычислении потока вектора через замкнутую поверхность учитывается алгебраическая сумма не только свободных, но также и связанных зарядов, заключенных внутри поверхности. Эта формула оказывается малопригодной для нахождения вектора в диэлектрике, так как она выражает свойства неизвестной величины через связанные заряды , которые в свою очередь определяются неизвестной . Поэтому вводится вспомогательная величина, связанная простым соотношением с вектором и определяемая лишь распределением в пространстве свободных зарядов. Поток вектора через поверхность S определяется суммой связанных зарядов, т.е.

. (16)

Знак минус возникает за счет того, что поле связанных зарядов противоположно полю свободных зарядов. Тогда из (55) и (56) получим:

(17)

Выражение, стоящее в скобках под знаком интеграла, и есть та вспомогательная величина, о которой шла речь. Ее обозначают буквой D и называют электрическим смещением.

Итак, электрическим смещением называется величина, определяемая соотношением:

. (18)

С использованием этой величины формула (57) может быть записана в виде:

. (19)

Если свободные заряды распределены внутри замкнутой поверхности непрерывно с объемной плотностью ρ, формула (59) видоизменяется:

. (20)

Формулы (59), (60) выражают теорему Гаусса для вектора электрического смещения: поток вектора электрического смещения через замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных зарядов.

Так как в вакууме =0, то определяемая величина из формулы (18) , и формулы теоремы Гаусса (19), (20) для переходят в формулы теорема Гаусса для вектора .

Единицей потока вектора электрического смещения является кулон, т.е. заряд в 1 кулон создает через охватывающую его поверхность поток вектора электрического смещения в 1 кулон. Подставив в (59) формулу (49), получим:

, (21)

где – диэлектрическая проницаемость среды.

Таким образом, получаем важное соотношение между векторами и :

. (22)

Электрическое смещение внутри диэлектрика:

, (23)

так как . Таким образом, внутри пластины из диэлектрика электрическое смещение равно напряженности поля свободных зарядов, умноженной на , т.е., совпадает с электрическим смещением внешнего поля (=1). Смысл введения вектора электрического смещения состоит в том, что поток вектора через любую замкнутую поверхность определяется только свободными зарядами, а не всеми зарядами внутри объема подобно потоку вектора . Это позволяет не рассматривать связанные заряды и упрощает решение многих задач. Чтобы найти , можно воспользоваться тем, что , откуда и

(24)

Из (23) следует, что , если грани пластины диэлектрика параллельны заряженным пластинам, создающим электрическое поле напряженностью .

Если диэлектрик расположен под углом к силовым линиям внешнего поля (рис. 4.3), то вектор на границе диэлектрика изменяется. Вектора и не совпадают по направлению. На рис. 4.3 (в увеличенном масштабе) показано направление векторов , и для такого случая. Вектор совпадает по направлению с вектором , следовательно, не совпадает с , т.е. вектор преломляется на границе диэлектрика.


  1. Преломление вектора смещения на границе раздела двух сред.

Поле вектора можно изобразить с помощью линий электрического смещения (линии смещения), направление и густота которых определяются также как и для линий вектора .

Поместим в однородное поле две сложенные вместе однородные параллельные пластины из разных диэлектриков (рис. 4.4). При разных и , плотности зарядов и также будут различными.

Следовательно, на поверхности, по которой соприкасаются пластины, возникает избыточный связанный заряд . Однако, линии вектора могут начинаться и заканчиваться только на свободных зарядах. Поэтому линии смещения пройдут через поверхность раздела двух диэлектриков не прерываясь. Они лишь претерпевают на этой поверхности излом. Рассмотрим воображаемый цилиндр высоты h (рис. 4.4), основания которого S1 и S2 расположены по разным сторонам поверхности раздела. Применим к этому цилиндру теорему Гаусса. Внутри цилиндра имеются лишь связанные заряды, свободных зарядов нет. Поэтому правая часть формулы (19) =0. Потоком через боковую поверхность цилиндра можно пренебречь, так как h мало (h→0). Поток через верхнее основание равен где нормальная составляющая вектора в первом диэлектрике в непосредственной близости к поверхности раздела. Аналогично поток через нижнее основание, где нормальная составляющая вектора во втором диэлектрике также в непосредственной близости к поверхности раздела диэлектриков. Сложив эти два потока, получим полный поток, который по условию (19) должен быть равен нулю (свободный заряд внутри цилиндра равен нулю)

,

так как S1=S2=S, отсюда Знаки составляющих различны потому, что нормали n1 и n2 к основаниям цилиндра имеют противоположные направления. Если проектировать и на одну и ту же нормаль, то получится, что

=. (27)

Отсюда и

. (28)

Таким образом, при переходе электрического поля через границу раздела двух диэлектриков нормальная составляющая вектора изменяется непрерывно, а нормальная составляющая вектора при переходе через границу раздела претерпевает разрыв.

Тангенциальные составляющие вектора в обоих диэлектриках должны быть одинаковы, так как вектор в обоих диэлектриках одинаков, а векторы направлены по нормали к поверхностям раздела и поэтому оказывают влияние только на нормальные составляющие вектора , т.е.:

. (29)

или , откуда

. (30)

Таким образом, при переходе через границу раздела двух диэлектриков тангенциальная составляющая вектора изменяется непрерывно, а тангенциальная составляющая вектора терпит разрыв.

Соотношения (27–30) справедливы и для границы диэлектрика с вакуумом. В этом случае для вакуума нужно положить =1.

На рис. 4.5 показаны линии смещения для тех же пластин, что и на рис. 25 при условии, что . На границах диэлектриков линии терпят излом (преломляются), вследствие чего угол α между нормалью к поверхности раздела и линией изменяется. Из рисунка следует, что . Откуда с учетом формул (27) и (30) получается закон преломления линий электрического смещения:

(31)

При переходе в диэлектрик с меньшей угол, образуемый линиями смещения с нормалью, уменьшается, следовательно, линии смещения располагаются реже; при переходе в диэлектрик с большей линии смещения, напротив, сгущаются.

Сегнетоэлектрики


Существует группа веществ, которые обладают спонтанной (самопроизвольной) поляризацией в отсутствие внешнего электрического поля. Это явление было открыто первоначально для сегнетовой соли KNaC4H4O6·4H2O , в связи с чем все подобные вещества получили название сегнетоэлетриков. К сегнетоэлектрикам относятся, например, дигидрофосфат калия KH2PO4 молибдат гадолиния, титанат висмута, метатитанат бария BaTiO3 и другие. Первое детальное исследование электрических свойств сегнетовой соли было осуществлено советскими физиками И.В. Курчатовым1 и П.П. Кобенко2.

Сегнетоэлектрики от остальных диэлектриков отличаются рядом характерных особенностей.


  1. В то время как у обычных диэлектриков ε составляет несколько единиц, достигая в виде исключения нескольких десятков (например, для воды ε=81), диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков бывает порядка нескольких тысяч (например, для сегнетовой соли ε=10000).

  2. Зависимость D=f(E) не является линейной, следовательно, диэлектрическая проницаемость оказывается зависящей от напряженности поля.

  3. При изменении поля значения вектора поляризации (а следовательно и ) отстают от напряженности поля , в результате чего и определяются не только величиной в данный момент, но и предшествующим значениями , т.е., зависят от предыстории диэлектрика. Это явление называется гистерезисом (гр. – запаздывание).

При циклических изменениях поля зависимость P=f(E) следует изображенной (рис. 4.6) кривой, называемой петлей гистерезиса. При первоначальном включении поля поляризация растет с увеличением E в соответствии с ветвью кривой 1. Уменьшение поляризации, в связи с уменьшением Е, происходит по ветви 2. При Е=0 сегнетоэлектрик сохраняет значение поляризации Pr, называемое остаточной поляризацией. Только под действием противоположно направленного поля напряженности ЕC поляризация становится равной нулю. Это значение напряженности поля (ЕC) называется коэрцитивной силой. При дальнейшем изменении Е возникает ветвь 3 петли гистерезиса. Поведение поляризации сегнетоэлектриков аналогично поведению намагничения ферромагнетиков.

Сегнетоэлектриками могут быть только кристаллические вещества, причем такие, у которых отсутствует центр симметрии. Так, например, кристаллы сегнетовой соли принадлежат к ромбической системе. Взаимодействие частиц в кристалле сегнетоэлектрика приводит к тому, что их дипольные моменты спонтанно устанавливаются параллельно друг другу. В исключительных случаях одинаковая ориентация дипольных моментов распространяется на весь кристалл. Обычно же кристалл можно представить в виде ряда областей, в пределах каждой из которых дипольные моменты атомов параллельны друг другу, однако, направления вектора поляризации в разных областях бывают различны, так что результирующий дипольный момент всего кристалла может быть равен нулю. Области самопроизвольной поляризации называются доменами. Под действием внешнего электрического поля моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь в направлении поля.

Для каждого сегнетоэлектрика имеется температура, выше которой вещество утрачивает необычные свойства и становится нормальным диэлектриком. Эта температура называется точкой Кюри по имени французского физика Пьера Кюри(1859–1906), который занимался исследованиями диэлектрических и магнитных свойств тел в зависимости от температуры (П. Кюри один из основателей учения о радиоактивности). Сегнетова соль имеет две точки Кюри: -150С и +22,50С, т.е., в этом интервале температур она ведет себя как сегнетоэлектрик. Очень важное практическое значение имеет открытый советским физиком Б.М. Вулом и его сотрудниками сегнетоэлектрик метатитанат бария ВаTiO3 (=6000) точка Кюри которого равна 1250С. (Вул Бенцион Моисеевич (1903–1972) занимался исследованиями по физике диэлектриков и полупроводников, а также фотоэлектрических явлений, вентильным фотоэффектом, полупроводниковыми лазерами).

Некоторые кристаллы, не имеющие центра симметрии (в том числе все сегнетоэлектрики), при деформации поляризуются. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом или просто пьезоэлектрическим эффектом (Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880г. французским физиком П. Кюри). Величина поляризации пропорциональна деформации. Важнейшими пьезоэлектриками (т.е. пьезоэлектрическими кристаллами) являются кварц, сегнетова соль, метатитанат бария и сульфат лития.

Рассмотрим возникновение пьезоэлектрического эффекта на кристаллах кварца. Кристаллы кварца SiO2 существуют в различных кристаллографических модификациях. Интересующие нас кристаллы (α–кварц) принадлежат к так называемой триагональной кристаллографической системе, имеющей форму, показанную на рис. 4.7. Они напоминают шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами, и имеют ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризуются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кристалла. Ось z соединяет вершины пирамид. Три другие оси перпендикулярны к оси z и соединяют противоположные ребра шестигранной призмы. Направление, определяемое осью z пьезоэлектрически неактивно, т.е., при сжатии или растяжении по оси z никакой поляризации не происходит. При сжатии или растяжении в любом направлении перпендикулярном оси z, возникает электрическая поляризация. Ось z называется оптической осью кристалла, а оси х1, х2, х3 – электрическими или пьезоэлектрическими осями. Таким образом, если вырезать из кристалла кварца пластинку, перпендикулярную оптической оси z, и подвергнуть ее сжатию, то на гранях этой пластинки появятся связанные заряды. То же самое происходит, если пластинку подвергнуть растяжению вдоль оси х перпендикулярной оси z (рис. 4.8).

При изменении знака деформации, т.е., при растяжении в направлении перпендикулярном оси z, или сжатии на гранях пластинки появятся связанные заряды другого знака.

Качественные объяснения пьезоэлектрического эффекта на кристалле кварца представлено на рис. 30. Для практического использования пьезоэлектрического эффекта на грани пластинки накладывают металлические обкладки. Если эти обкладки включить в замкнутую цепь, то при изменениях деформации кристалла в цепи будут возникать импульсы тока. Такие процессы протекают, например, в пьезоэлектрическом микрофоне, где знакопеременная деформация пластинки под действием звуковой волны преобразуется в переменный ток той же частоты.

Наряду с прямым пьезоэффектом у пьезокристаллов наблюдается эффект3, заключающийся в том, что поляризация под действием электрического поля сопровождается механическими деформациями кристалла. Если на металлические обкладки пьезоэлектрической пластинки подать переменное электрическое напряжение, то пластинка будет попеременно растягиваться и сжиматься вдоль оси X, в ней возбудятся механические колебания. Эти колебания станут особенно интенсивными, если частота переменного тока, совпадает с собственной (резонансной) частотой пластинки. Такие настроенные в резонанс пьезоэлектрические пластинки используются для возбуждения ультразвуковых волн, для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний в радиотехнике и т.


  1. Что такое поляризованность? Что характеризует вектор поляризации?

  2. Каков физический смысл диэлектрической проницаемости вещества? Выведите связь между диэлектрической проницаемостью и и восприимчивостью вещества.

  3. В чем различие поляризации диэлектрика с полярными и неполярными молекулами?

  4. Что такое вектор электростатического смещения? Что он характеризует?

  5. Сформулируйте теорему Гаусса для электростатического поля в диэлектрике.

Как меняется поле на границе диэлектриков?

Диэлектрики: что это такое, примеры

Определение 1

Диэлектриками называют вещества, не обладающие способностью проводить электрический ток.

Стоит отметить, что данное определение лишь приблизительно выражает физический смысл приведенного понятия.

Абсолютных изоляторов, то есть веществ, которые совсем не проводят ток, в природе не существует. Диэлектрики по сравнению с проводниками в 1015−1020 раз хуже проводят ток. Данный факт основывается на том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.

Что такое диэлектрики и их примеры

Определение 2

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то, как диэлектрик, так и само поле значительно изменятся. В диэлектриках, в которых до контакта с полем не было заряда, возникают электрические заряды. Это явление объясняется процессом поляризации вещества, другими словами, в поле диэлектрик обретает электрические полюсы. Возникающие при этом заряды называются поляризационными.

Разделить такие заряды невозможно, чем они существенно отличаются от индукционных зарядов в проводниках. Данное отличие основывается на том факте, что в металлах присутствуют электроны, имеющие возможность перемещаться на относительно большие расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой, и их перемещение ограничено пределами одной молекулы, что является крайне малым расстоянием.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из закрепленных в положении равновесия, к примеру, в узлах кристаллической решетки заряженных ионов. Ионные кристаллические решетки могут быть разбиты на, в целом, нейтральные «элементарные ячейки».

Действие электрического поля на заряды, принадлежащие диэлектрику, провоцирует лишь легкое смещение относительно изначального положения, тогда как заряды проводников, испытывающие такое же влияние, срываются с места. В условиях отсутствующего электрического поля диэлектрик может быть условно представлен в виде совокупности молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества.

Определение 3

В процессе поляризации заряды каждой отдельной молекулы диэлектрика смещаются в противоположные ее стороны. Соответственно, одна часть молекулы становиться положительно заряженной, а другой — отрицательно, что, в общем, дает возможность заявить: молекула превращается в электрический диполь.

Равнодействующая электрических сил, в однородном поле оказывающих влияние на нейтральную молекулу диэлектрика, эквивалентна нулю. Этот факт основывается на том, что центр тяжести молекулы не передвигается ни в одну из сторон. Молекула просто претерпевает деформирование.

Определение 4

Существуют такие диэлектрики, в которых в условиях отсутствующего электрического поля молекулы имеют дипольный момент (полярные молекулы).

В случае, когда поле отсутствует, такие молекулы, принимающие непосредственное участие в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. Если же диэлектрик находится в поле, молекулы, в основном, ориентируются по его направлению. Соответственно, диэлектрик проходит процесс поляризации.

Определение 5

У симметричных молекул, таких как, к примеру, O2, N2, в отсутствие поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов одинаковы. По этой причине собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы). У несимметричных же молекул (возьмем в качестве примера h3O, CO) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и носят название полярных.

Также существуют диэлектрические или же ионные кристаллы, которые формируются при помощи ионов с противоположным знаком. Такой кристалл состоит из пары “вдвинутых” друг в друга кристаллических решеток, одна из которых является положительной, а вторая — отрицательной. В целом кристалл условно можно принять за подобие гигантской молекулы. Процесс наложения электрического поля провоцирует сдвиг одной решеток относительно друг друга, вследствие чего и происходит поляризация ионных кристаллов. Существует также тип поляризованных без участия поля кристаллов. При дальнейшем исследовании поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным фактом является только то, что поляризация диэлектрика происходит через появление некомпенсированных макроскопических зарядов. Значения объемной плотность зарядов (ρ) и поверхностной плотности (σ) неполяризованного диэлектрика равняются нулю. После же процесса поляризации σ≠0, а в некоторых случаях и ρ≠0. Поляризация приводит к появлению в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов с одним знаком. В том случае, если ортогональная или же перпендикулярная часть напряженности поля En→≠0 на приведенном участке, то в результате влияния поля заряды с одним знаком уходят внутрь, а с другим, наоборот, выходят наружу.

Вектор поляризации диэлектрика

Определение 6

Поляризованность P→ или, другими словами, вектор поляризованности характеризует степень поляризации диэлектрика:

P→=∆ρ→∆V,

где ∆ρ представляет собой дипольный момент элемента диэлектрика.

Определение 7

В условиях неполярных молекул вектор поляризованности может быть определен в следующем виде:

P→=1∆V∑∆Vρi→=Nρ0→,

где сложение идет относительно всех молекул в объеме △V. N — концентрация молекул,
ρ0→ является индуцированным дипольным моментом (Он один и тот же у всех молекул). ρ0→↑↑E→.

Определение 8

Формула поляризованности в условиях полярных молекул принимает вид следующего выражения:

P→=1∆V∑∆Vρi→=Np→,

в котором P→ представляет собой среднее значение дипольных моментов, которые равнозначны по модулю, но обладают разными направлениями.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

В изотропных диэлектриках средние дипольные моменты по направлению идентичны напряженности внешнего электрического поля. У диэлектриков с молекулами полярного типа, вклад в поляризованность от наведенных зарядов значительно ниже вклада от переориентации поля.

Определение 9

Ионная решеточная поляризации может быть описана следующей формулой: P→=1∆V∑∆Vρi→=Np→.

В большей части случаев подобная поляризация является анизотропной.

Пример 1

Если представить плоский конденсатор, который заполнен диэлектриком так, как это проиллюстрировано на рисунке 1, то на принадлежащей ему левой обкладке расположен положительный заряд, а на правой — отрицательный. По причине того факта, что разноименные заряды притягиваются друг к другу, у положительной обкладки на поверхности диэлектрика появится отрицательный заряд, а у правой, то есть отрицательной – положительный заряд диэлектрика. Выходит, что поле, формирующееся поляризационными зарядами, имеет противоположное направлению поля направление, которое создают обкладки, соответственно, диэлектрик ослабляет поле.

Рисунок 1

+q,−q представляют собой заряды на обкладках конденсатора.

E→ является напряженностью поля, которое формируется обкладками конденсатора.

−q′, +q′- это заряды диэлектрика.

E→’ — напряженность поля, которое создается как результат поляризации диэлектрика.

Явление влияния вещества на магнитное и электрическое поля было эмпирическим путем открыто Фарадеем. Именно этим ученым было в науку были введены такие термины, как диэлектрик и диэлектрическая постоянная.

Теорема 1

В случае если однородный изотропный диэлектрик полностью заполняет собой объем, ограниченный эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри него в ε раз меньше напряженности поля сторонних зарядов.

E→’=E→ε,

где ε определяет диэлектрическую проницаемость среды.

Напряженность поля точечного заряда, который расположен в диэлектрике с некоторой диэлектрической проницаемостью ε, может быть выражена в виде следующего выражения:

E→=14πεε0qr3r→.

Закон Кулона для зарядов, находящихся в жидком и газообразном диэлектрике принимает такой вид:

F→=14πεε0q1q2r3r→.

Пример 2

Задание: Бесконечную плоскую пластину из однородного изотропного диэлектрика разместили в однородном электростатическом поле с напряженностью E=200 Вм, направленной под прямым углом силовым линиям поля. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика равняется 2. Какова напряженность поля внутри диэлектрика?

Решение

Поле в вакууме в ε раз сильнее, чем поле в диэлектрике, по этой причине запишем, что:

E→’=E→ε.

Произведем некоторые расчеты:

E→’=2002=100 Вм.

Ответ: Напряженность поля в пластине будет 100 Вм.

Пример 3

Задание: Заряженные шарики обладают массойm1=m2=m. Они подвешены на нитях, имеющих одинаковые значения длины, в одной точке, их заряды эквивалентны q1 и q2( смотри рисунок 1). Изначально они располагаются в воздухе (диэлектрическая проницаемость ε1), после этого погружаются в жидкость ε2. Каково отношение диэлектрических проницаемостей ε2ε1, если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не претерпел изменений? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ρshρd=b.

Решение

Рисунки 2 и 3

Запишем условие равновесия шарика в симметричной системе в воздухе:

Fe1→+mg→+N1→=0.

Теперь выразим условие равновесия одного шарика в жидкости:

Fe2→+mg→+N2→+FA→=0.

Запишем проекции уравнения Fe1→+mg→+N1→=0 на оси:

Ох: Fe1-N1sina2=0,

Oy: mg-N1cosα2=0.

Проекции уравнения Fe2→+mg→+N2→+FA→=0 на оси:

Ох: Fe2-N2sinα2=0,

Oy: mg-N2cosα2-FA=0.

Берем отношение уравнения Fe1-N1sina2=0 и mg-N1cosa2=0, в качестве результата получаем:

tga2=Fe1mg.

Уравнение Fe2-N2sina2=0 на уравнение mg-N2cosa2-FA=0, получаем:

tga2=Fe2mg-FA→Fe1mg=Fe2mg-FA.

Основываясь на законе Кулона, запишем такое выражения для Fe1, Fe2:

Fe1=q1q24πε1ε0r2 и Fe2=q1q24πε2ε0r2.

Модуль силы Архимеда равняется следующему выражению:

FA=ρdVg=ρdmρshg.

Подставим в уравнение tga2=Fe2mg-FA→Fe1mg=Fe2mg-FA уравнения  Fe1=q1q24πε1ε0r2 и

Fe2=q1q24πε2ε0r2, в результате получим:

q1q24πε1ε0r2mg=q1q24πε2ε0r2mg-ρdmρshg→1ε11=1ε21-ρdρsh→ε2ε1=11-ρdρsh=11-b.

Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть ε2e1=11-b.

Экспериментальные исследования связи свойств ионных диэлектриков с их составом Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 95 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1958

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЯЗИ СВОЙСТВ ИОННЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ С ИХ СОСТАВОМ

А. А. ВОРОБЬЕВ

Общая теория свойств ионных диэлектриков, получивших большое практическое применение, отсутствует. Одной из наиболее общих характеристик вещества, связанной со всеми его свойствами, является энергия взаимодействия между частицами. Опытные данные показывают, что все остальные характеристики ионных диэлектриков определяются энергией решетки, величина которой для диэлектриков одного ряда характеризует их свойства.

Энергия решетки связана с поляризуемостью ионов и свойствами диэлектрика, определяемыми явлениями поляризации. С увеличением поляризуемости ионов, образовавших соединения металлов первой и второй групп таблицы Менделеева, уменьшается энергия кристаллической решетки (фиг. 1,2), возрастает коэффициент преломления (фиг.3,4), диэлектрический коэффициент. Граница собственного поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной части спектра при уменьшении энергии решетки смещается в область более длинных волн. В более длинноволновую часть спектра смещается также максимум Т7- полосы поглощения, когда уменьшается энергия взаимодействия между ионами.

По данным Лефельда, Б. М. Гохберга, К. А. Водопьянова, А. П. Находновой, В. И. Сарафанова и других, с увеличением энергии решетки возрастает энергия активации и уменьшается ионная электропроводность (фиг. 5, 6 ) и диэлектрические потери в ионных диэлектриках (фиг. 7, фиг. 8а и фиг. 86).

Эти закономерности наблюдались для соединений металлов первой и второй групп, взятых в виде монокристаллов и спеченных порошков.

Электрическая прочность ионных кристаллов увеличивается с возрастанием энергии решетки (фиг. 9).

По измерениям А. Ф. Калганова, энергия, затрачиваемая при пробое твердых диэлектриков, увеличивается с возрастанием энергии решетки.3) Ю-8 сек Епр не зависит от температуры и превышает значение Епр при экспозиции 10~6 сек в 3 раза. Вольтвременные характеристики указанных ионных кристаллов при положительных темпера-

отношения —

Фиг. 1. Изменение энергии кристаллической решетки щелоч-но-галоидных соединений с составом

Энергия решетки б ионоб

Фиг. 2. Изменение энергии кристаллической решетки галоидных соединений металлов второй группы табл. Менделеева в зависимости от состава

Знерщъ рвшепжи

Фиг. 3. Зависимость показателя преломления Пд (при ад — 5893 А) от энергии решетки для монокристаллов галоидных соединений металлов первой и второй группы (по измерениям Гессмана, Кана и Шокли)

-— структура решетки типа ЫаС1,

——- структура решетки типа СбС!

• Фиг.ю-6 сек.

По осциллографическим измерениям Г. А. Андреева в области высоких температур для каменной соли наблюдается экспоненциальное снижение электрической прочности. Величина тормозного сопротивления в цепи образца не влияет на электрическую прочность при высоких температурах. В области температур, где наблюдается быстрое уменьшение электрической прочности (125—175°С для наблюдается максимум тока и энергии формирования пробоя.

К. К. Сончик определил, что в однородном поле продолжительность процессов, приводящих к пробою кристалла, достигает Ю-8 сек, уменьшаясь с увеличением электрической прочности.

Е. К. Завадовская установила связь между величиной электрической прочности и многими физико-химическими свойствами диэлектриков и внешними условиями. Электрическая прочность возрастает с повышением устойчивости химического соединения (фиг. 1 .

Г

но т т яа гзо 2& ™опь

Фиг. 9. Зависимость между величиной электрической прочности ще-лочно-галоидных солей ‘ и энергией кристаллической решетки

2,8

2М 2,0 16 <я

од ом

-Г | | 1 1 ! ! ЫаГ -1 КР\

| У у

1 & \/ У

! ксе\ ¿г 1/

ф/а %г

яввг г<т

20 30 <40 $0 60 70 80 90

п тва

чг моль

Фиг. 10. Электрическая прочность и теплота образования химических соединений в газообразном состоянии (3

дости, температуры плавления (фиг. 11), увеличением энергии закрепления наиболее слабосвязанных электронов в диэлектриках, уменьшением подвижности электронов и др. Объемный заряд повышает пробивное напряжение кристаллов.

По данным Г. А. Воробьева, электрическая прочность монокристаллов щелочно-галоидных солей в однородном и неоднородном полях с увеличением времени воздействия напряжения от 10~8 сек бы-

7. Изв. ТЛИ, т. 95.

97

ро понижается (фиг. 2, [5]). При экспозиции 10″7 — 10~6 сек Епр достигает минимума. Затем, вероятно, вследствие действия объемного заряда электрическая прочность монокристаллов несколько возрастает.

Вольтвременная зависимость для органического стекла с увеличением экспозиции монотонно уменьшается и не содержит области

минимальных значении.

и £п»

Энергия решетка /л.

Фиг. 11. Зависимость твердости (Н) по Моосу. электрической прочности (Епр) и температуры плавления (Т пл °С) от энергии решетки кристаллов щ е л о ч и о — г я л ои д н ы х с о л е i i

Вольтвременная зависимость для кристаллов каменной соли содержащих центры окраски, лежит ниже, чем для неокрашенной соли. Фотопроводимость еще больше снижает вольтвременную характеристику кристаллов, чем центры окраски. Средняя скорость распространения разряда в монокристаллах составляет 106 см/сек (фиг. 12). Она возрастает с увеличением электрической прочности, перенапряжения и энергии решетки и уменьшается с толщиной образца.

При малых экспозициях в монокристаллах NaCl, KCl, KBr, KJ и органическом стекле Г. А. Воробьев наблюдал один и тот же эффект полярности: понижение Unp при положительной полярности острия. Такое же явление наблюдается при пробое воздуха. Это обстоятельство, а также пропорциональность скорости развития разряда постоянной кристаллической решетки указывают на преобладающую роль ударной ионизации в процессе пробоя твердых диэлектриков.

Электрическая прочность кристаллов в широком диапазоне экспозиций увеличивается с возрастанием энергии решетки.

А. Д. Щелоков обнаружил, что облучение дозой рентгеновских лучей вызывает увеличение проводимости каменной соли. Электропроводность облучаемого кристалла возрастает со временем и достигает некоторого установившегося значения.

Относительное возрастание электропроводности кристаллов при облучении рентгеновскими лучами с возрастанием температуры

уменьшается, исчезая совсем при 100 — 150°С. Энергия активации для добавляемой облучением проводимости имеет порядок сотых долей электроновольт, в то время как без облучения она пооядка 0,8-1 эв.посто-янной кристаллической решетки (по измерениям А. Н. Кислиной) наблюдается отрицательная неаддитивность. Оба факта находятся в качественном согласии.

А. А. Воробьев, Н. А. Приходь-ко, К. М. Кевролева и А. В. Ас-тафуров измеряли электрическую прочность при разной экспозиции для льда в толстых и тонких слоях.

Электрическая прочность льда при коротких импульсах сравнима с прочностью каменной соли. По данным А. В. Астафурова, вольт-секундные характеристики для льда при разных толщинах имеют обычный ход. С увеличением толщины электрическая прочность льда уменьшается. Эффект полярности в неравномерном поле проявляется и в больших толщинах: электрическая прочность при отрицательной полярности импульса всегда выше, чем при положительной полярности.

В сильном электрическом поле лед люминесцирует. На фиг. 13 представлена фотография куска льда, светящегося в электрическом поле (импульс 100 кв, поле — острие против плоскости, расстояние между электродами 7 см).

К. М. Кевролева показала, что электрическая прочность кристаллогидратов (гипса, медного купороса, талька и других кристаллов и прессованных порошков) зависит от числа молекул воды, входящей в кристаллическую решетку. Электрическая прочность кристаллогидратов возрастает с увеличением энергии решетки и уменьшением числа молекул воды.

По данным А. М. Трубицына и Е. К. Завадовской, А. Н. Кислиной электрическая прочность и твердость монокристаллов твердых растворов повышается с увеличением устойчивости химического соединения и уменьшением количества тепла, поглощенного при образовании твердого раствора. Измерения М. С. Иванкиной показали, что наибольшее количество тепла поглощается при образовании эквимолярного твердого раствора, который, таким образом, будет

Ю сек 1.5

1.3

1.2

f 1

1.0

и/

• J

|\ viГер

Ucp Ю см/сек

<4

1.3

1.2

11

160

170

1.0 180

140 150

Энергия кристаллической решртки в ккал/моль

Фиг. 12. Зависимость времени формирования разряда (t ¡)) и средней скорости развития разряда (Vop ) от энергии решетки кристаллов NaCl (оо), KCl (.. ), KBr ( хх) и КЛДД)

наименее прочным из всех соединений данной системы. По мере хранения раствора происходит его старение, сопровождающееся уменьшением количества тепла, поглощенного при образовании твердого раствора.

В исследованиях А. Н. Кислиной и Н. В. Бейнарович показано изменение постоянной решетки, коэффициента преломления в зависимости от состава твердого раствора и времени хранения. Если после изготовления монокристаллов твердых растворов некоторых систем величина коэффициента преломления света отличается от вычисленных по правилу аддитивности, то с течением времени хранения кристаллов она изменяется и достигает значений, получаемых по правилу смешения.

Измерения электропроводности монокристаллов твердых растворов и механических смесей для щелоч-но-галоидных соединений, произведенные Е. К. Завадовской, Бургае-вьш,’А. П. Боровиковой, измерение диэлектрических потерь, произведенное К. А. Водопьяновым, М. А. Кривовым, Г. И. Галибиной,. данные по электрической прочности, полученные Хиппелем, Хиппе-лем и Ли, А. М. Трубицыным, Л. Г. Корецким, А. Н. Кислиной и Фиг. 13. Фотография льда, находяще- другими для монокристаллов ще -гося в электрическом поле лочно-галоидных соединений, поз-

волили установить правила, по которым изменяются свойства твердых растворов и их старение в зависимости от состава.

Физические свойства твердых растворов связаны с теплотой, поглощенной при их образовании, которая изменяется в зависимости от химического состава или по кривой с минимумом, или по кривой с максимумом в области приблизительно равного состава компонент. С уменьшением тепла, поглощаемого при образовании твердого раствора, возрастает его температура плавления, электрическая прочность (фиг. 14), уменьшаются электропроводность и диэлектрические потери (фиг. 6 [6]).

Н. П. Богородицкий, А. И. Августиник, Н. С. Анцелевич,-Г. И. Сканави, В. И. Сарафанов изучали электрические свойства сплавов окислов металлов, образующих сложные многофазные системы.

Двуокись циркония образует с окисью кальция твердые растворы при температуре порядка 1700°С.

На фиг. 15 и 16 представлено, по измерениям А. И. Августиника и Н. С. Анцелевич, изменение с температурой сопротивления при постоянном напряжении и диэлектрических потерь при частоте 10е гц с составом для системы СаО — 2г02. Характер температурной зависимости свидетельствует об ионной природе рассмотренных процессов С увеличением концентрации окиси кальция в образцах возрастает их сопротивление и уменьшаются диэлектрические потери составов. Минимальное значение потерь и электропроводности соответствует

г &

ч>

•о

I >

0

I-

о?

1

I

О

12

и

1.0

О?

пр

/

/ \

> / / ✓ ч

«ч у :

О 100

25 75

50 50

75 25

*осгюл%йёсе омол%КСР

Фиг. 14. Зависимость электрической прочности и разности теплот растворения в воде механической смеси и твердого раствора (С}) от состава для монокристаллов системы КС1—ИвС1

ФР 12 11 Ю

9 *

7 б

51.30%; 4—40%;

5—50%; 6—5%

5 / ч /У 1

/ т г

А К А

/ А

А 4 У

и * Г

&

7

составу с равным содержанием компонент (кривая 5), когда образуется химическое соединение Са2г02-

На фиг. 17 представлена зависимость диэлектрических потерь при частоте 10° гц и температуре 100°С для системы ТЮ2 — ЭЮз по Н. П. Богородицкому.

В области равного содержания компонент наблюдается максимум диэлектрических потерь, связанный с образованием твердых растворов компонент в этой области и разрыхлением решетки.

1дд Ю* _д_

У /1 1 2/

Зу

/

6.

о too poo ш *с

Фиг. 16. Зависимость tg о системы СаО—Zr02 от температуры. Содержание СаО в системе: 1 — 10%; 2—20%; 3—30%; 4—40%; 5—50%; 6—60%; 7—80%..

Концентрационная зависимость 1 д5 при t — ЮО’С для системы Тс0-5(0г при { = 1 Юбгц.

Фиг. 17. Зависимость системы ТЮ2—5102 от химического состава. 1°=100СС;/—106 гц (по Н. П. Богородицкому).

Для сложных сплавов окислов металлов и механических смесей компонент наблюдаются те же простые закономерности, что и для систем, образованных из соединений металлов первой группы. Электри-

ческие свойства механических смесей изменяются с составом аддитивно. Свойства твердых растворов изменяются в зависимости от энергии закрепления ионов. При равном содержании компонент и наибольшем ослаблении энергии связи ионов наблюдается максимум диэлектрического коэффициента, диэлектрических потерь и электропроводности.

Диэлектрические потери обусловливаются физическими процессами, связанными с поляризацией диэлектрика, неоднородностью структуры, наличием проводящих и пол у проводящих включений, сквозной проводимостью и др.

Н. П. Богородицкий считает, что наибольшего внимания среди возможных механизмов диэлектрических потерь в керамических материалах на высоких частотах заслуживают диэлектрические потери, обусловленные смещением ионов структуры в электрическом поле высокой частоты—поляризацией (ионные релаксационные потери). Последнее вызывается тем, что потери за счет сквозной проводимости в большей части керамических материалов малы, а потери за счет включений могут быть исключены при надлежащей технологии.

Ионные релаксационные потери обуславливаются перемещениями ионов под влиянием переменного электрического поля в связи с их тепловым движением и должны зависеть от структуры материала, характера упаковки ионов в решетке. В настоящее время диэлектрические потери, связанные со смещением ионов, благодаря большой чувствительности методов измерений наблюдают почти для всех ионных соединений, в том числе ионных кристаллов.

Примеси в ионных кристаллах, ослабляя энергию связи ионов, вызывают увеличение диэлектрических потерь.

Н. П. Богородицкий, В. А. Иоффе и др. показали, что в стеклах роль диэлектрических потерь, обусловленных смещением ионов (релаксационные потери), настолько значительны, что даже в области низких температур наблюдается ясно выраженная зависимость диэлектрических потерь от температуры.

Закономерности диэлектрических потерь, связанных со смещением ионов в стеклах и кристаллах, должны учитываться при выборе компонент керамических материалов, окислов металлов и их соединений.

Изменения физических свойств монокристаллов и спеченных порошков с составом в различных внешних условиях позволяют понять закономерности для сложных технических диэлектриков и рекомендовать направление поисков диэлектриков с необходимыми свойствами.

Высокой температурой плавления, малой теплопроводностью, большой механической и электрической прочностью, малой электропроводностью, малыми потерями и малым диэлектрическим коэффициентом обладают ионные диэлектрики с большим значением энергии решетки и смеси, образованные с меньшим поглощением тепла.

П. А. Савинцев установил связь физико-химических свойств кристаллов с ионной концентрацией а:

(гле О—плотность, М~молекулярный вес кристалла). Для ионных кристаллов установлено, что с увеличением ионной концентрации увеличивается электрическая прочность, объемное сопротивление кристаллов, энергия активации, теплота плавления, теплота сублимации, теплота образования твердого соединения.

С увеличением ионной концентрации уменьшается коэффициент преломления света, коэффициент линейного расширения, диэлектрические потери. С ионной концентрацией связаны и механические свойства кристаллов.

С увеличением ионной концентрации растет твердость кристаллов, определенная по способам царапания, сверления, затухающих колебаний, шлифования.

С увеличением ионной концентрации увеличивается модуль сдвига, модуль Юнга, давление истечения.

Установлено, что с увеличением ионной концентрации уменьшается теплоемкость кристаллов, энтропия, теплота гидратации.О и ЪхОч—СаО с увеличением ионной концентрации растет диэлектрическая проницаемость, а диэлектрические потгри и проводимость уменьшаются.

Найденные зависимости подтверждают значительное влияние основной кристаллической структуры на свойства кристаллов. Ионная концентрация может рассматриваться как совокупная характеристика многих свойств кристаллов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воробьев Л. А. Физические свойства ионных кристаллических диэлектриков (в печатп).

Белянкии Д. С., ЛапинВ.В., ТороповН. А . Физико-химические системы силикатной технологии. Промстройиздат, Ыо4.

3. Б о г о р о д и ц к и й Н. П. Диэлектрические потери в радиокерамике. Доклады научно-технического совещания по радиокерамике. Ленинград, 1955.

4.юбьев Г. А. Импульсный пробой твердых диэлектриков (настоящий сборник).

6. Потахова 1′. И. Диэлектрические потери в твердых растворах щелочно-галоидных кристаллов щ высокой частоте (настоящий сборник).

Свойства жидких диэлектриков | Нектон Сиа

Показатели электрического характера жидких диэлектриков находятся в прямой зависимости от уровня чистоты состава. Засорения приводят к снижению электрической стойкости жидких диэлектриков. Объем ионов также как и число заряженных коллоидов возрастает, что увеличивает показатели проводимости. 

 
Ионизация молекул и присутствие в жидкостях примесей позволяют определить проводимость жидкостей. Водные примеси, микрочастицы и пузырьки являются основными элементами, которые способствуют уменьшению электрической прочности. Очищение жидкостей с диэлектрическим содержанием достигается с помощью:


• дистилляции;
• адсорбции;
• частичной кристаллизации;
• ионового обмена.   
Подобный метод уменьшает уровень проводимости электричества и потерь диэлектриков, но также и повышает прочность. Ее значение достаточно велико, поскольку она является технологическим свойством жидкого диэлектрика и электродов. С ее помощью можно привести характеристику способов создания и использования промежутка изоляции. Электропрочность зависит от примесей, определяющих электрическую проводимость, а также от образца электропроводов, продолжительности импульсных потоков.

Масла нефтяного состава считаются лучшими материалами для изоляции электричества. Их разделяют на следующие группы:


• трансформаторная;
• конденсаторная,
• кабельная.


Группы нефтяных электроизоляционных масел и особенности их применения.


Нефтяные масла представляются слабовязкими жидкостями неполярного ряда. В химический состав таких масел входит раствор, содержащий различные углеводороды с присадками, которые составляют до 1% объема. Присадки улучшают устойчивость углеводородов к термоокислительному изнашиванию и температурно-вязкостные свойства. 

 
Масло из нефти трансформаторное широко применяется в аппаратах с высокой вольтностью, например, трансформаторных приборах, масляных выключателях, а также в водах с высокой вольтностью. Масла трансформаторные принято использовать в качестве неполярного диэлектрика. Уровень проводных токов в масляном составе прямым образом отражается на величине диэлектрических потерь. Поскольку параметры таких токов малы, то и объем диэлектрических потерь также мал. Под влиянием нерастворенного в масле полярного полупроводящего и проводящего состава создается особый канал проводимости в системе пробоя. При растворении в масляных смесях вода обладает свойством увеличения электропроводности, однако, ее влияние на электрическую прочность минимально. Если же водный состав выделяется мелкодисперсными каплями, то значение неоднородного поля существенно увеличивается, что снижает пробиваемость напряжения. 

 
Если подвергать масла трансформаторные точной обработке абсорбентами, то из них получается конденсаторная группа нефтяных масел. Конденсаторное масло обладает лучшими параметрами, чем трансформаторное. Оно часто применяется, чтобы пропитывать силовые конденсаторы. Пропитывающий материал увеличивает проницаемость диэлектриков и свойства электрического характера прочности бумаги. Благодаря этому повышаются емкостные конденсаторные показатели.

Кабели силовые с напряжением в пределах 35кВ в алюминиевой и свинцовой оболочке изолируются с помощью использования бумаги, пропитанной кабельным маслом. Кроме того, кабельное масло заполняют оболочки из металла маслонаполненных кабелей обладающих напряжением до 110кВ и выше. 

 
Масло конденсаторного порядка отличается от трансформаторного тем, насколько высока степень его очистки. Так, основательное очищение обладает меньшим tg, доходящим до показателя в 2.10-4. Тем не менее, также очевидны минусы нефтяных масел. Такие жидкости:


• огнеопасны;
• неустойчивы к процессам теплового и электрического старения;
• гигроскопичны.

8

8.Поляризация диэлектриков. Поверхностная плотность связанных зарядов.

 

Диэлектрики делятся на следующие группы:

1)Неполярные — вещества, молекулы которых имеют симметричное строении, т.е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент  молекулы равен нулю.

2)Полярные — вещества, молекулы которых имеют ассиметричное строении, т.е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают и, следовательно, дипольный момент  молекулы не равен нулю.

3)Ионные — вещества, молекулы которых имеют ионное строении. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. При наложение на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решетки или относительное смещение подрешеток, в результате чего возникают дипольные моменты.

Поляризация диэлектрика – процесс ориентации диполей.

 

Три вида поляризации:

1)Электронная (деформационная) – заключается в возникновении у атомов индуцированного дипольного момента за счет деформации электронных орбит. Для неполярных диэлектриков.

2)Ориентационная (дипольная) – заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Для полярных диэлектриков.

3)Ионная – заключается в смещении подрешеток положительных ионов вдоль поля, а отрицательных – против поля. Для ионных диэлектриков.

 

Поверхностная плотность связанных зарядов:

Внесем в однородное электрическое поле , создаваемое двумя бесконечными заряженными плоскостями, пластинку из однородного диэлектрика. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т.е. происходит смещение зарядов. В результате этого на грани пластинки, обращенной к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью , а на грани, обращенной к положительной плоскости, - отрицательного заряда с поверхностной плоскостью .

Эти нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации, называются связанными. Появление связанных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля , которое направлено против внешнего поля  и ослабляет его. Результирующее поле внутри диэлектрика — .

Определим поверхностную плотность связанных зарядов . Полный дипольный момент пластинки диэлектрика: . С другой стороны, полный дипольный момент равен произведению связанного заряда каждой грани на расстояние между ними, т.е. . Приравнивая, получаем: или , т.е. поверхностная плотность связанных зарядов равна поляризованности.

Подставим в  выражения  и ( — диэлектрическая восприимчивость вещества): . Отсюда напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна : ( — диэлектрическая проницаемость среды)

 

Статическая диэлектрическая проницаемость ионных жидкостей

https://doi.org/10.1016/j.molliq.2013.07.020Получить права и содержание .

Статическая диэлектрическая проницаемость ионной жидкости может быть определена с помощью диэлектрической релаксационной спектроскопии.

Статическая диэлектрическая проницаемость ионной жидкости складывается из вращательного и поступательного движения ионов.

Экспериментальные значения для примерно 50 ионных жидкостей при 25 °C устанавливают основные тенденции изменения катионов и анионов.

SMTNL2 в высокой степени экспрессируется в скелетных мышцах и некоторых других тканях.

Abstract

Статическая диэлектрическая проницаемость ε S («статическая диэлектрическая проницаемость») является важной величиной для характеристики сольватирующей способности растворителя. За последние два десятилетия появились ионные жидкости — легкоплавкие органические соли — как интригующая альтернатива летучим органическим растворителям.В то время как для непроводящих сред ε S легко измерить методами электрической емкости, такие методы не подходят для электрических проводников, поскольку образцы замыкаются накоротко из-за их собственной электропроводности. В теории диэлектриков ε S определяется как нулевой предел действительной части зависящей от частоты комплексной диэлектрической проницаемости. Это определение дает рецепт для определения ε S с помощью диэлектрической релаксационной спектроскопии.В статье рассматриваются достижения в описании и понимании статической диэлектрической проницаемости ионных жидкостей с особым акцентом на работу в лаборатории автора.

Ключевые слова

Ионные жидкости

Статическая диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая релаксация

Полярность растворителя

Рекомендуемые статьиСсылки на статьи (0)

Показать полный текст

Copyright © 2013 All rights reserved.

Рекомендованные статьи

Ссылки на статьи

Произошла ошибка настройки файла cookie пользователя

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Диэлектрические исследования смесей ионных жидкостей

Дифференциальная сканирующая калориметрия

При охлаждении большинство ионных жидкостей могут затвердевать посредством стеклования 26, 29 , как это наблюдалось для всех образцов методом ДСК.На рис. 1(a) и (b) показано увеличенное изображение ступенчатой ​​аномалии в тепловом потоке, связанной со стеклованием после нагрева для BPY x BMIM 1- x BF 4 и BMIM Cl x TFSI 1- x соответственно. Измерения проводились между 300 К и 100 К со скоростью охлаждения и нагревания 10 К/мин.Перед этими измерениями все образцы были высушены в подходящих условиях. Подготовка образцов, процедуры сушки и содержание воды подробно описаны в разделе «Методы». Для определения температуры стеклования используется метод начала, как показано синими пунктирными прямыми линиями на рис. 1 (а) и (б).

Рисунок 1

Сдвиг температуры стеклования для двух смесей ионных жидкостей. Дифференциальная сканирующая калориметрия нагревательных следов BPY x BMIM 1- x BF 4 ( a ) с x  = 0/0.2/0,4/0,6/0,8/1,0 и BMIM Cl x TFSI 1- x ( b ) с x  = 0/0,25/0,5/0,75/1,0 (эндотерма вверх). Цветные стрелки отмечают точки начала, используемые для определения T г . Зависимость T г по составу показан на вставках, где черными линиями показана линейная экстраполяция T г между x  = 0 и 1.

Температура стеклования чистого компонента BPY BF 4 из серии BPY x BMIM 1- x BF 4 (рис. 1(a)) составляет 191 K. При добавлении BMIM BF 4 , T г постоянно переключается на более низкие температуры, как показано стрелками. Наконец, для чистого BMIM BF 4 , T г это 179 К.Вставка на рис. 1(а) иллюстрирует изменение T г как функция мольной доли x BPY x BMIM 1- x БФ 4 . Это изменение можно описать линией, представляющей средневзвешенное значение T г двух чистых ионных жидкостей, так как отклонения для всех образцов значительно ниже 1 K.Точно так же в литературе сообщалось о температуре стеклования между двумя простыми ионными жидкостями смеси 22, 30 , и многие смеси ионных жидкостей обнаруживают почти линейный тренд T г с изменением концентрации 14, 15 .

Второй смесительный ряд BMIM Cl x TFSI 1- x показан на рис.1(б). BMIM Cl демонстрирует T г 234 K и снова T г уменьшается с уменьшением x . Для чистого BMIM TFSI мы сообщаем T г при 185   K. Черная линия на вставке к рис. 1 (b) представляет собой линейную экстраполяцию между температурами стеклования двух компонентов.Однако измеренные температуры перехода образцов с x  = 0,25, 0,5 и 0,75 показывают снижение на 7, 11 и 9 К по отношению к этой линии. Ранее было показано 28 , что остаточная вода оказывает огромное влияние на T г BMIM Кл. Тем не менее, учитывая тщательную подготовку проб и тенденцию T г BMIM Cl с количеством остаточной воды 28 , мы предполагаем, что примеси воды не могут объяснить это несоответствие.Примечательно, что все температуры стеклования смесей ниже линейной экстраполяции, т. е. ближе к T г BMIM TFSI. Это указывает на доминирующее влияние BMIM TFSI на температуру стеклования этой смеси. Возможное объяснение состоит в том, что из-за стерических причин влияние огромного TFSI-аниона более существенно для стеклования, чем маленького хлорид-иона BMIM Cl. В целом, все температуры стеклования находятся между исходными соединениями.

Диэлектрическая спектроскопия

Мы измерили диэлектрический отклик двух серий смешивания BPY x BMIM 1- x BF 4 с x = 0/0,6/1,0 и BMIM Cl x TFSI 1- x с x  = 0/0,5/1,0 в широком диапазоне частот от 1 Гц до 3 ГГц (для BPyBF4 спектр расширен до 40 ГГц) и широком диапазоне температур от 170 до 373 К.Этот диапазон позволяет провести тщательный анализ электропроводности и реориентационных мод в стеклообразной и жидкой фазах этих систем. Образцы сушили при температуре около 373 K в течение не менее 16  часов в азотном криостате до тех пор, пока диэлектрические свойства не достигли постоянных значений, зависящих от времени (не показано). Это типичный признак отсутствия дальнейшего удаления воды 28 , предполагающий стабильные условия с низким содержанием примесей воды. Затем образцы измеряли в том же криостате, чтобы избежать повторного поглощения воды перед измерением.Расширенные измерения на частотах выше 3 ГГц (см. рис. 2(g–i)) должны были выполняться в атмосфере окружающей среды, и поэтому была проведена предварительная сушка в печи по аналогии с калориметрическими измерениями. К сожалению, во всех случаях размер образца слишком мал для КФТ, поэтому точное содержание воды не может быть определено после диэлектрических измерений. Однако не было обнаружено различий между циклами охлаждения и нагрева в зависимости от температуры, что свидетельствует о постоянном и низком количестве примеси воды.На рис. 2 показаны спектры цикла охлаждения BPY x . BMIM 1- x BF 4 Серия для определенных температур. Действительная ((а), (г) и (ж)) и мнимая ((б), (д) ​​и (з)) части диэлектрической проницаемости ( ε ′ и ε ′′ соответственно) как а также проводимость σ ′ в (c), (f) и (i). Проводимость подчеркивает проводимость постоянного тока, хотя информация уже содержится в ε ″ из-за σ ′ =  ωε 0 ε ″, где ε 0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства.Довольно спорное представление модуля (т.е. M*  ∝ 1/ ε* ), иногда используемое для характеристики ионной динамики в ионных проводниках 31,32,33,34,35 , не представлено, поскольку диэлектрическая проницаемость и электропроводность позволяют более непосредственно определить технически значимую электропроводность постоянного тока.

Рисунок 2

Диэлектрические спектры ионных жидкостей и их смесей. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости ε ′, диэлектрических потерь ε ′′ и электропроводности σ ′ BMIM BF 4 ( a c ), BPY 0.6 BMIM 0,4 BF 4 ( d f ) и BPY BF 4 ( г i ). Линии представляют собой одновременные соединения ε ′ и ε ” с двумя последовательно распределенными RC-цепями 36 с проводимостью постоянного тока и суммой трех собственных релаксаций 37 . Температуры для всех кадров обозначены в ( a ) и ( d ).

Спектры рис.2(a) преобладает огромное увеличение ε ′( ν ) выше 10 5 в сторону более низких частот, что обычно наблюдается во многих ионных проводниках, включая ионные жидкости 36, 38 . Этот несобственный эффект поляризации электрода приводит к псевдоемкости, которая не является характеристикой образца. Это вызывает так называемые колоссальные значения 39 в спектрах ε ′ и накладывает собственные свойства образца. Поляризация электрода проявляется в виде так называемой стадии релаксации Максвелла-Вагнера (MW) в ε ′ ( ν ), которая должна привести к четко определенным плато на низких частотах 37 .Однако, как и во многих ионопроводящих материалах, здесь нет отчетливого плато 36 . Этот эффект может быть объяснен наличием нескольких MW-релаксаций или распределением времени MW-релаксации, как обсуждалось, например, в ref. 36. МВ-релаксация развивается в виде ступеньки в ε ′ и локального максимума в ε ′′. Это наблюдается на рис. 2(b), например, на частоте около 10  Гц для кривой 348 К и смещается в сторону более низких частот при понижении температуры. Эта температурная зависимость возникает из-за увеличения вязкости образца.Высокочастотные фланги этих локальных максимумов возникают из-за проводимости на постоянном токе, что становится более очевидным в представлении проводимости (рис. 2(c)) соответствующими независимыми от частоты плато, например, от 1 кГц до 1 МГц для 231 Кривая К. На более низких частотах поляризация электрода приводит к уменьшению проводимости, что делает необходимым проведение измерений на переменном токе для определения проводимости на постоянном токе.

На высоких частотах, например выше 1 МГц для кривой 231 К, проводимость на рис.2(в) имеет ярко выраженную частотную зависимость. Это указывает на наличие одной или нескольких внутренних релаксаций. Диэлектрические потери (рис. 2(b)) показывают признаки релаксационного процесса, обозначенного как пики при самых низких температурах и на повышенных частотах, например, около 5  МГц для кривой 171  K. Соответствующие ступеньки в действительной части диэлектрической проницаемости (рис. 2(а)) не видны при текущем масштабировании спектров. На рисунке 2(а) видны дополнительные плечи, которые накладываются на эффект поляризации электрода, что указывает на дальнейшую внутреннюю релаксацию с ε с в порядке 10, т.е.г., выше 1  кГц для кривой 252 K. Соответствующие пики диэлектрических потерь (рис. 2(b)) перекрываются проводимостью на постоянном токе, но их высокочастотный фланг может вызывать уплощение спектров в сторону более высоких частот. На это также указывает увеличение проводимости на частотах выше плато постоянного тока (рис. 2(в)).

Описанные выше процессы могут быть проанализированы более подробно путем подгонки спектров одновременно в ε ‘( ν ) и ε »( ν ) эквивалентной схемой 37, 39 .Для учета сильных МВ-релаксаций использовались две распределенные RC-цепи 36, 40 , последовательно соединенные с объемным откликом. Последний состоит из резистора, представляющего проводимость постоянного тока, подключенного параллельно к трем комплексным емкостям, которые представляют собственные переориентационные моды. В дополнение к двум упомянутым выше релаксациям, при некоторых температурах третий процесс, расположенный на промежуточных частотах, значительно улучшал точность подгонки. Хотя вся эквивалентная схема представляет собой образец, для подгонки при определенных температурах требовались только части элементов.Основная мода переориентации, например, на рис. 2(а) на частоте 1 кГц для кривой 207 К, была смоделирована функцией Коула-Дэвидсона (КД) 41 , которая часто используется для стеклообразного вещества 42, 43 . Скорее всего, это связано с переориентацией катионов 44, 45 . Остальные релаксации моделировались функциями Коула-Коула 46 . Для ионных жидкостей на основе имидазола релаксация, подобная релаксационному процессу на более высоких частотах, например около 5 МГц для кривой 171 К на рис.2(b), обсуждалось 44 в терминах вторичной релаксации Джохари-Гольдштейна 47 . Известно, что функция Коула-Коула обеспечивает хорошее описание таких вторичных релаксаций 48 . Таким образом, найденные спектры типичны для ионных жидкостей, и подобная последовательность динамических процессов отмечена в ряде работ 26, 44, 45, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55 .

В целом диэлектрические свойства BPY 0,6 BMIM 0,4 BF 4 и BPY BF 4 , показанные на рис.2(d–i), очень похожи на спектры BMIM BF 4 . Опять же, эквивалентная схема, описанная выше, использовалась для анализа диэлектрических характеристик. Для BPY BF 4 третий внутренний процесс не требовался для описания экспериментальных данных. Происхождение этой третьей внутренней релаксации все еще обсуждается. Наши результаты показывают, что он присутствует только в ионных жидкостях на основе имидазола. Однако релаксация довольно слабая (Δε ≈ 0,2) и для большинства температур на нее накладываются более сильные релаксации.Таким образом, нельзя исключать, что третья релаксация является повсеместной для всех исследованных ИЖ.

Диэлектрические свойства BMIM Cl x TFSI 1- x (не показан) может быть хорошо описан той же эквивалентной схемой. Во всех жидкостях этого ряда также обнаружена третья собственная релаксация, наиболее ярко выраженная для BMIM TFSI, приводящая к Δε ≈ 0,9. Для BMIM TFSI это ослабление было приписано в ссылке.44 к внутреннему процессу Джохари-Гольдштейна, возникающему из-за присутствия несимметричного аниона. Однако для ИЖ с симметричными анионами, т.е. BF 4 возникает и эта внутренняя релаксация. Обычная релаксация Джохари-Гольдштейна, как обсуждалось для BPY 1− x BMIM x BF 4 , может объяснить диэлектрические свойства.

Для BPY 1− x BMIM x BF 4 проводимость на постоянном токе показывает зависимость от соотношения компонентов смеси x , особенно при более низких температурах.При температурах выше 279 K (см. рис. 2(c,f,i)) σ dc показывает почти такое же значение при изменении x . Напротив, при более низких температурах плато значительно расходится, например, при 207 K на рис. 2(c,f,i). Это означает изменение температурной зависимости проводимости на постоянном токе в зависимости от температуры стеклования этих жидкостей. Естественно, локальный максимум в ε ′′ (см. рис. 2(b,e,h)) МВ-релаксации смещается в сторону более низких частот для пониженных проводимостей.При более низких температурах (T < 235 K) также влияет основная переориентационная мода (см. рис. 2(a) около 1 кГц для 207 K), что показано на рис. 2(d) и (g). Все свойства исследуемой смеси хорошо расположены между их двумя исходными ионными жидкостями, что также ожидается из измерений температур стеклования. Обсуждение сосредоточено на температурной зависимости проводимости на постоянном токе и основной реориентационной моде, определяемой из подгонки диэлектрических свойств для обеих серий смешения.

Динамика релаксации и проводимости

На рис. 3 показано среднее время релаксации 〈 τ α 〉 =  βτ α (где β — параметр уширения функции КД) основной релаксации ((а) и (в)) и проводимости на постоянном токе ((б) и (г)) для обеих серий измерений в представлении Аррениуса, как получено с помощью описанных выше подгонок.Как основное время релаксации, так и проводимость на постоянном токе обнаруживают типичную неаррениусовскую температурную зависимость, известную для стеклообразующих систем. О таком поведении сообщалось для многих ионных жидкостей 26, 33, 35, 51, 54, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62 . Соответствует (сплошные линии) эмпирическому закону Фогеля-Фулхера-Таммана (VFT) 63,64,65,66 ,

$$\tau ={\tau }_{0}\exp [\frac{D{ T}_{VFT}}{T-{T}_{VFT}}],$$

(1)

где τ 0 — обратная частота попыток, T VFT температура дивергенции и D так называемый параметр прочности 66 , наиболее подходят для описания полученных данных.Для проводимости постоянного тока модифицированная форма уравнения. (1) с отрицательным показателем степени и σ 0 в качестве префактора вместо τ 0 был использован. Чаще всего используется показатель хрупкости м , который определяется как уклон при Т г на графике Энджелла, log τ против . Т г / T (арт.67, используется для параметризации отклонения от аррениусовского поведения. После Бемера и др. . (ссылка 67), его можно рассчитать из параметра прочности через м  = 16 + 590/D. Подгонка VFT 〈 τ α 〉 позволяют определить T г с использованием эмпирического соотношения 〈 τ α 〉(T g ) = 100 с.Во многих ионных жидкостях температура стеклования ионной подсистемы τ о (T g ) = 100 с, полученное из релаксации модуля, разумно соответствует температуре σ постоянный ток  = 10 −15  Ом −1 см −1 (ссылка 26). Здесь мы определили T г ионной подсистемы от проводимости через это соотношение.Эти две температуры непосредственно оцениваются пересечением VFT-подгонки и верхних ординат и обозначены черными стрелками (см. рис. 3). Как правило, основное время релаксации и проводимость на постоянном токе обоих исходных соединений определяют поведение их смесей во всем диапазоне температур, как показано на рис. 3.

Рис. 3 BMIM 1- x BF 4 и BMIM Cl x TFSI 1- x .Времена релаксации ( a ) и ( c ) и проводимости на постоянном токе ( b ) и ( d ) показаны в представлении Аррениуса. Данные определяются из подгонки диэлектрических спектров. Линии соответствуют уравнению Фогеля-Фулхера-Таммана 63,64,65,66 . Стрелки обозначают температуру стекла, полученную из подгонок VFT за 100  с.

Для BPY x BMIM 1- x BF 4 (рис.3(а) и (б)), эволюция проводимости на постоянном токе и времени релаксации показывают практически одинаковые значения выше 286 K (1000/T < 3,5). Из-за разных температур стеклования кривые при дальнейшем охлаждении расходятся. Температуры стеклования основной релаксационной моды для BPY BF 4 , BPY 0,6 BMIM 0,4 BF 4 и BMIM BF 4 составляют 197, 191 и 182 K соответственно. Температуры, полученные из проводимости, немного (около 2 K) ниже.Температура перехода смеси составляет средневзвешенное значение T г двух чистых исходных ионных жидкостей, о чем также свидетельствуют измерения ДСК. Однако абсолютные значения несколько выше результатов ДСК. Наибольшее отклонение обнаружено для чистого BPY BF 4 . Это указывает на различное содержание воды для обоих экспериментов. Другим объяснением является эффект разделения температуры структурного стеклования, полученный из измерений ДСК, и ионной или вращательной подсистем.Довольно низкие отклонения других образцов указывают на отсутствие существенной развязки в этой серии. Мы ожидаем, основываясь на нашей предыдущей работе (ссылка 26), изменение хрупкости из-за сходной проводимости на постоянном токе при комнатной температуре и различных значений стеклования. температуры. Действительно, индекс хрупкости m , определенный по проводимости, уменьшается со 117 через 111 до 93 при более низких температурах стеклования. Эта серия смешивания близка к идеальному смешиванию, описанному Clough и др. .в исх. 14 для их смесей ионных жидкостей.

Диэлектрические свойства чистых ионных жидкостей BMIM Cl x TFSI 1- x различаются даже при высоких температурах, как показано на рис. 3(c) и (d). BMIM Cl демонстрирует самый высокий показатель T г . Его динамика медленнее, чем у BMIM TFSI и смеси. Температуры стеклования, определенные по основной релаксационной моде, составляют 181, 195 и 232 К для BMIM TFSI, BMIM Cl 0.5 TFSI 0,5 и BMIM Cl соответственно. Температуры стеклования, определенные по проводимости, составляют 179, 191 и 228 К, что немного ниже. Эти значения находятся в пределах точности измерения результатов ДСК, и в этой серии также отсутствует развязка. В соответствии с результатами измерения ДСК смесь демонстрирует T г , что примерно на 10 K ниже ожидаемого T г с использованием средневзвешенного значения T г чистых ионных жидкостей.В этом отношении эта смесь ионных жидкостей отличается от идеального смешивания. Однако индекс хрупкости m BMIM Cl 0,5 TFSI 0,5 , определенный из VFT-подгонки проводимости на постоянном токе, составляет около 107. Интересно, что это близко к средневзвешенному показателю хрупкости исходных соединений. BMIM TFSI и BMIM Cl, равные 120 и 97 соответственно.

Корреляция

σ dc с m и температурой стеклования

Многие апротонные ионные жидкости демонстрируют корреляцию проводимости при комнатной температуре с их T г и индекс хрупкости 26 .Эта корреляция выводится из температурно-зависимой проводимости на постоянном токе в соответствии с законом VFT, в котором доминируют эти два параметра стекла. Проводимость при комнатной температуре рассчитывается путем подстановки времени релаксации температуры стеклования ( τ ( T г ) = 100 с) и формулу индекса хрупкости ( м  = 16 + 590/D) в VFT-уравнение 26 . Проводимость, полученная из этой формулы, показана в виде плоскости с цветовой кодировкой на заднем плане рис.4. Это иллюстрирует тенденцию проводимости при комнатной температуре в корреляции с T г и м . Как показано красной стрелкой, проводимость уменьшается с увеличением Тл г и снижение хрупкости. Т г , а хрупкость обоих смешанных рядов определяли по VFT-подгонке проводимости на постоянном токе, как обсуждалось выше.

Рисунок 4

Хрупкость, температура стеклования и проводимость при комнатной температуре смешанных ионных жидкостей. Хрупкость и Т г приведены в ( a ) для BPY x BMIM 1- x BF 4 и BMIM Cl x TFSI 1- x , полученный из температурной зависимости ионной динамики.Черные стрелки указывают на вариации x . Фон с цветовой кодировкой ( a ) представляет проводимость как соотношение м и T г , согласно исх. 26. Цвет символов соответствует измеренной проводимости образцов при комнатной температуре. Кроме того, проводимость при комнатной температуре против . мольная доля x показана для BPY x BMIM 1- x BF 4 ( b ) и BMIM Cl x TFSI 1- x ( с ).

. Кружки на рис. 4(а) представляют результаты BPY x BMIM 1- x БФ 4 . Цвета символов, отображающих измеренную проводимость на постоянном токе при комнатной температуре, показывают почти одинаковые значения. Соединительные черные стрелки, указывающие на изменения x , почти параллельны линии постоянной проводимости, заданной σ ( T г , m ) отношение, следующее траектории изопроводимости.Это означает, что изменения проводимости от приведенного до г компенсируются хрупкостью, как и ожидается из графика Аррениуса на рис. 3. Квадраты представляют BMIM Cl x TFSI 1- x , который показывает уменьшение проводимости при увеличении x . И пониженный индекс хрупкости, и повышенный Т г уменьшают проводимость.Изменение 90 148 x 90 149 приводит к тому, что проводимости почти параллельны градиенту окрашенной плоскости. Таким образом, тренд проводимостей на постоянном токе хорошо описывается цветной плоскостью, что позволяет характеризовать проводимость смесей ионных жидкостей через индекс хрупкости и T г . На рис. 4(b) и (c) показан график зависимости проводимости при комнатной температуре от 90 148 x 90 149 . Линия представляет собой линейное изменение проводимости в логарифмическом масштабе, как и ожидалось для идеальной смеси 4 .Для BPY x BMIM 1- x BF 4 смесь с x  = 0,6 соответствует линии, предсказанной для идеальной смеси. В то время как проводимость на постоянном токе при комнатной температуре для BMIM Cl 0,5 TFSI 0,5 повышена по сравнению с этой линией. Скорее всего, это увеличение связано с пониженной температурой стекла, о чем говорилось выше.

О компонентах диэлектрической проницаемости ионных жидкостей: ионная поляризация?

О компонентах диэлектрической проницаемости ионных жидкостей: ионная поляризация?

Согласно измерениям диэлектрической спектроскопии, ионные жидкости (ИЖ) имеют довольно скромные диэлектрические постоянные, которые отражают вклад искажений и электронной поляризации, вызванных молекулярной поляризуемостью, а также ориентационной поляризации, вызванной постоянным дипольным моментом ионов.Чтобы понять относительную важность этих различных вкладов, электронные поляризуемости 27 обычно используемых ионов ионной жидкости различной симметрии и размера были рассчитаны с использованием методов, основанных на ab initio , таких как HF и MP2. Используя уравнение Клаузиуса-Моссотти, эти поляризуемости затем использовали для получения вклада электронной поляризации ( ε op ) в диэлектрическую проницаемость шести ионных жидкостей [C 2 mim][BF 9098 9098 4 ], [C 2

  • mpyr] [N (CN) 2
  • ], [C 2 MIM] [CF 3

    2 SO 3 ], [Etnh 3 3
  • ] [NO 3
  • ], [C 2 MIM] [NTF 2 ] и [C 2 MIM] [ETSO 4 ].Теоретические значения ε op сравнивали с экспериментальными показателями преломления этих ионных жидкостей, а также с показателями традиционных молекулярных растворителей, таких как вода, тетрагидрофуран (ТГФ), диметилсульфоксид (ДМСО) и формамид. Рассчитаны также дипольные моменты ионов, из которых видно, что молекулярная переориентационная составляющая диэлектрических проницаемостей ионных жидкостей, состоящих из ионов с малыми или пренебрежимо малыми дипольными моментами, весьма мала.Таким образом, делается вывод, что должен присутствовать вклад от формы «ионной поляризации».

    У вас есть доступ к этой статье

    Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

    О компонентах диэлектрической проницаемости ионных жидкостей: ионная поляризация?

    О компонентах диэлектрической проницаемости ионных жидкостей: ионная поляризация?

    Согласно измерениям диэлектрической спектроскопии, ионные жидкости (ИЖ) имеют довольно скромные диэлектрические постоянные, которые отражают вклад искажений и электронной поляризации, вызванных молекулярной поляризуемостью, а также ориентационной поляризации, вызванной постоянным дипольным моментом ионов.Чтобы понять относительную важность этих различных вкладов, электронные поляризуемости 27 обычно используемых ионов ионной жидкости различной симметрии и размера были рассчитаны с использованием методов, основанных на ab initio , таких как HF и MP2. Используя уравнение Клаузиуса-Моссотти, эти поляризуемости затем использовали для получения вклада электронной поляризации ( ε op ) в диэлектрическую проницаемость шести ионных жидкостей [C 2 mim][BF 9098 9098 4 ], [C 2

  • mpyr] [N (CN) 2
  • ], [C 2 MIM] [CF 3

    2 SO 3 ], [Etnh 3 3
  • ] [NO 3
  • ], [C 2 MIM] [NTF 2 ] и [C 2 MIM] [ETSO 4 ].Теоретические значения ε op сравнивали с экспериментальными показателями преломления этих ионных жидкостей, а также с показателями традиционных молекулярных растворителей, таких как вода, тетрагидрофуран (ТГФ), диметилсульфоксид (ДМСО) и формамид. Рассчитаны также дипольные моменты ионов, из которых видно, что молекулярная переориентационная составляющая диэлектрических проницаемостей ионных жидкостей, состоящих из ионов с малыми или пренебрежимо малыми дипольными моментами, весьма мала.Таким образом, делается вывод, что должен присутствовать вклад от формы «ионной поляризации».

    У вас есть доступ к этой статье

    Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

    Диэлектрические свойства ионных жидкостей

    ‘) переменная голова = документ.getElementsByTagName(«голова»)[0] var script = document.createElement(«сценарий») script.type = «текст/javascript» script.src = «https://buy.springer.com/assets/js/buybox-bundle-52d08dec1e.js» script.id = «ecommerce-scripts-» ​​+ метка времени head.appendChild (скрипт) var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант-покупки»)).forEach(initCollapsibles) функция initCollapsibles(подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector(«.цена-варианта-покупки») подписка.classList.remove(«расширенный») var form = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки») если (форма) { вар formAction = form.getAttribute(«действие») документ.querySelector(«#ecommerce-scripts-» ​​+ timestamp).addEventListener(«load», bindModal(form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = подписка.querySelector(«.Информация о цене») var PurchaseOption = toggle.parentElement если (переключить && форма && priceInfo) { toggle.setAttribute(«роль», «кнопка») переключать.setAttribute(«табиндекс», «0») toggle.addEventListener («щелчок», функция (событие) { var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ложный toggle.setAttribute(«aria-expanded», !expanded) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупкаOption.classList.add(«расширенный») } еще { покупкаВариант.classList.remove («расширенный») } priceInfo.hidden = расширенный }, ложный) } } функция bindModal (форма, formAction, метка времени, индекс) { var weHasBrowserSupport = window.fetch && Array.from функция возврата () { var Buybox = EcommScripts ? EcommScripts.Buybox : ноль var Modal = EcommScripts ? EcommScripts.Модальный: ноль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + метка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) modal.domEl.addEventListener («закрыть», закрыть) функция закрыть () { form.querySelector («кнопка [тип = отправить]»).фокус() } вар корзинаURL = «/корзина» var cartModalURL = «/cart?messageOnly=1» форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartURL, cartModalURL) ) var formSubmit = Buybox.interceptFormSubmit( Буйбокс.fetchFormAction(окно.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess(модальный), функция () { form.removeEventListener («отправить», formSubmit, false) форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartModalURL, cartURL) ) форма.представить() } ) form.addEventListener («отправить», formSubmit, ложь) document.body.appendChild(modal.domEl) } } } функция initKeyControls() { document.addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) { если (документ.activeElement.classList.contains(«цена-варианта-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) { если (document.activeElement) { событие.preventDefault() документ.activeElement.click() } } }, ложный) } функция InitialStateOpen() { var узкаяBuyboxArea = покупная коробка.смещениеШирина -1 ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(«.цена-варианта-покупки») var form = option.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option.querySelector(«.Информация о цене») если (allOptionsInitiallyCollapsed || узкаяBuyboxArea && индекс > 0) { переключать.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») form.hidden = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } еще { переключить.щелчок() } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.
  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.