Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 15.9. Угол 90° между фазой тока и фазой напряжения в диэлектрике (а и б), диэлектрические потери при 6^0 (в) и tg8=e,"/&' (г).
проницаемости, называемых диаграммами Кол — Кола, или в виде тангенса диэлектрических потерь 1^ б.
Рассмотрим реакцию диэлектрика на переменное поле. При наложении па диэлектрик синусоидальной э. д. с, меняющейся с низкой частотой, в нем на половине периода колебания могут возникать различные виды поляризационных процессов. Эти процессы эквивалентны переменному току и приводят к переносу энергии через диэлектрик. При низких частотах переменный ток опережает напряжение по фазе на 90° (рис. 15.9, а и б), что для минимизации диэлектрических потерь идеально, так как вектор произведения при фазовом сдвиге в 90° между током
15.3. Диэлектрики
109
и напряжением равен нулю; энергия передается через образец без диэлектрических потерь, соответственно не происходит и выделения джоулева тепла. При увеличении частоты наступает, наконец, такое состояние, когда переменное поле вызывает ионную поляризацию (полагаем, что а8 и аа равны нулю). В результате ток будет опережать напряжение па фазовый угол меньший, чем 90° (т. е. на угол 90 —б). Поэтому у тока появляется компонента /втб, лежащая в одной фазе с напряжением (рис. 15.9, в), что приводит к рассеянию энергии в виде тепла, т. е. к диэлектрическим потерям.
^тах f
Рис. 15.10. Частотная зависимость е' и е"'.
Частоты, при которых фазовый угол б значителен, соответствуют той области рис. 15.8, в которой е' не является постоянной величиной, а меняется от во' ДО е'оо. В этой области принято представлять проницаемость в виде комплексной величины
8* = в'—/е" (15.15)
где Е' — вещественная часть в*, равная измеренной диэлектрической постоянной, г" ¦—фактор потерь, являющийся мерой проводимости или диэлектрических потерь в материале; отношение в"/е' равно тиб (рис. 15.9, г). Частотные зависимости р/ и в" показаны на рис. 15.10. Для в" эта зависимость имеет характерный вид с острым максимумом, носящим название дебаевско-го пика. Максимум е" наблюдается на частоте, при которой происходит наиболее резкое падение величины в'. Профиль дебаевского пика определяется выражением
е" (е0' -— е'„о) ! + арт*
(15.16)
по
15. Другие электрические свойства
где (о = 2я/ и т — характеристическое время релаксации или время спадания ионной поляризации; максимум е" наблюдается
ПРИ (0Т=1 (Т. е. При О^Т™1) И СОСТаВЛЯеТ ПРИ ЭТОМ 72(80'—Б'ОО).
Эти результаты могут быть представлеы также на комплексной плоскости в виде диаграмм Кол — Кола, где г" откладывается как функция %' (рис .15.11). Отметим, что
».' —
в'
1 + со2та
Зависимость в" от Б' образует полуокружность, точки пересечения которой с осью г' соответствуют значениям ео7 И в'оо.
Диаграммы Кол — Кола, построенные на основе реальных экспериментальных данных, не всегда имеют формы правильных полуокружностей, а бывают в той или иной степени искажены. Аналогично пики диэлектрических потерь е" нередко бывают асимметрично уширенными, а не симметричными, как это следует из формулы (15.16) для дебаевского пика. Такие искажения пиков традиционно рассматривались как результат суперпозиции ряда отдельных дебаевских пиков, максимумы которых соответствуют различным частотам. В результате этого возникает понятие распределения времен релаксации.
В последние годы справедливость такого подхода подвергается сомнению, преимущественно благодаря работам Йончера, сформулировавшего так называемый «закон универсального диэлектрического отклика». Уравнения, выведенные Йоичером, описывают экспериментальные данные с удивительной точностью. В частности, для описания диэлектрических потерь в ма
15.4. Сегнетоэлектрики
Ш
териалах, обладающих заметной электропроводностью, предложено уравнение
где ю —угловая частота, равная 2яД ©р— частота перескока носителей тока, а щ и а/2—константы. В основе этого уравнения лежит представление о том, что отдельные поляризационные явления, будь то перескоки ионов в проводниках или переориентация диполей в диэлектриках, происходят не независимо друг от друга, а в результате кооперативного взаимодействия. Это •означает, что если какой-то отдельный диполь в кристалле переориентируется, то он тем самым оказывает влияние на окружающие его диполи. На теперешнем уровне понимания, однако, неясно, как на основании закона Йончера прийти к количественному описанию кооперативных явлений. Более детально диаграммы в комплексной плоскости обсуждаются в гл. 13 (но при этом сделан акцепт па описание проводимости, а не диэлектрических свойств).
15.4. Сегнетоэлектрики
Сегиетоэлектрические материалы отличаются от обычных диэлектриков двумя качествами: во-первых, они обладают чрезвычайно большой диэлектрической проницаемостью и, во-вторых, возможностью сохранения некоторой остаточной электрической поляризации после устранения внешнего электрического поля. При повышении разности потенциалов, приложенной к обычному диэлектрику, наблюдается пропорциональное увеличение наведенной поляризации Р или наведенного заряда (2 [уравнение (15.10)]. В сегиетоэлектриках пет такой простой линейной взаимосвязи между поляризацией Р и напряжением V, а вместо нее наблюдается гистерезисиое поведение (рис. 15.12), т. е. поляризация, возникающая при повышении напряжения, не воспроизводится при последующем его снижении. Сегнетоэлектрики характеризуются наличием поляризации насыщения Р8 при высоких электрических напряжениях (для ВаТЮз Ря = 0,26 Кл/см2 при 23°С) и остаточной поляризации Рп, Т. е. поляризацией, сохраняющейся после устранения внешнего электрического поля. Для того чтобы уменьшить поляризацию до нуля необходимо приложить электрическое поле Ее. обратного знака, называемое коэрцитивным полем.
