Materiale dielectrice

1

 

Materiale dielectrice

Polarizarea

 

• Are loc ca consecință a deplasării sarcinilor electrice ale moleculelor, atomilor și ionilor dielectricilor sub acțiunea unui câmp electromagnetic din exterior.

 

•  Unul du parametrii principali care caracterizează gradul de ploarizare al dielectricului este – permitivitatea dielectrică .

 

• Permitivitatea dielectrică indică de câte ori câmpul electric ăn dielectric este mai mic în comparație cu cel din vacuum

 

• Polarizarea totală a dielectricului este determinată ca suma a diferitor tipuri de polarizare

 

 

2

Tipurile de polarizare

 

Fenomenul POARIZARE poate fi divizat  în două grupuri:

 

• Polarizarea elastică,

are loc instantaneu sub acțiunea  câmpului electric și nu este însoțită  de pierderi de energie (degajare de căldură).

 

 

3

Tipurile de polarizare

 

Fenomenul POARIZARE poate fi divizat  în două grupuri:

 

• Polarizarea elastică,

are loc instantaneu sub acțiunea  câmpului electric și nu este însoțită  de pierderi de energie (degajare de căldură).

 

• Polarizarea de relaxare,

crește sau scade în timp.  Pe parcursul polarizării de relaxare are  loc dispersia energiei, deci, degajarea de  căldură

 

4

Tipurile de polarizare

 

Există cel puțin 4 mecanisme  de polarizare care devin semnificative pentru  generarea de căldură la diferite frecvențe  în câmpuri electrice variabile în timp.:

 

• Polarizarea electronică;
• Polarizarea ionică (atomică);
• Polarizarea de orientare;
• Polarizarea electronică de relaxare;
• Polarizarea sarcinii spațiale (de relaxare).

 

 

5

6

 

Capacitatea electrică

 

capacitate electrică:

 

permitivitatea electrică a vidului: 

 

inducţia electrică C/m²

 

intensitatea câmpului electric V/m

7

 

Mecanisme de creştere a capacităţii  electrice?

8

 

Creşterea capacităţii electrice  prin introducerea unui dielectric între plăcile  conductoare

 

permitivitatea electrică a vidului 

 

permitivitatea electrică a dielectricului 

 

<

 

^r - permitivitatea relativă

9

 

Valori pentru permitivitatea relativă  a dielectricilor

10

 

Polarizaţie electrică: caracterizează starea de polarizare a materialului dielectric; se măsoară în C/m²

 

Susceptivitate dielectrică: o măsură a dielectricului de se polariza

 

Fenomenul de polarizarea electrică  a dielectricilor

 

La aplicarea unui câmp electric  de intensitate E asupra unui material  dielectric, sarcinile electrice din materialul  respectiv se vor plasa astfel încât  să reducă valoarea intensităţii câmpului  electric care trece prin material.

 

La introducerea unui dielectric  într-un cîmp electric, are loc fenomenul  de polarizare electrică a materialului:

caracterizează interacţiunea dintre  câmpul electric şi materialul dielectric

 

permitivitatea relativă

11

 

N^dipoli – densitatea volumetrică de dipoli

p – momentul electric elementar

 

Polarizaţia electrică a dielectricului

 

• Dipolul electric: este compus dintr-o pereche de sarcini electrice, de valori egale dar de semn opus, separate de o anumită distanţă d.

 

• Dipolul electric este caracterizat printr-un moment electric elementar p – momentul dipolului. Momentul dipolului este un vector orientat de la sarcina negativă către cea pozitivă.

 

• Clasificare: dipoli induşi, dipoli permanenţi. 

 

• Indiferent de tipul dipolului, atunci când se aplica un câmp electric materialului dielectric, dipolii se vor alinia dupa directia câmpului. Când dipolii sunt aliniati, se spune că materialul este polarizat.

 

-Q

 

d

 

+Q

 

p

 

Polarizaţia electrică:

 

-

 

+

 

-

 

+

 

-

 

+

 

-

 

+

 

-

 

+

 

-

 

+

 

-

 

+

 

-

 

+

 

-

 

+

 

-

 

+

 

-

 

+

 

-

 

+

 

E0

12

 

Fenomene de polarizare în dielectrici

 

• Temporare: starea de polarizare se menţine numai pe durata aplicării sursei de polarizare (cîmpul electric):
• de deplasare de sarcină electrică:
• electronică
• ionică
• de orientare

 

• Permanente: o dată instalată, starea de polarizare se menţine indiferent dacă materialul se află sau nu în cîmp electric

13

 

Polarizarea electronică

 

Traiectoria electronului se modifică  într-o elipsoidă, care face ca centrul  sarcinii spaţiale negative să se deplaseze  faţă de centrul sarcinii pozitive, în  sens contrar sensului cîmpului electric, astfel  încît la nivelul atomului izolat se  generează un moment electric elementar.

 

Electronul unui atom izolat se  deplasează pe o traiectorie sferică, centrată  în punctul în care se află sarcina  electrică pozitivă (protonul) atomului =>  centrul sarcinii spaţiale negative coincide  cu centrul sarcinii electrice pozitive (nucleul  atomului), deci momentul electric elementar  al atomului este nul.

 

Orientarea dipolilor la aplicare  unui câmp electric este rapidă, fenomenul  fiind prezent până la frecvenţe de  ordinul gigahertzilor (frecvenţa câmpului electric).

Materialele la care are loc  acest tip de polarizare se numesc materiale  nepolare datorită valorii mici în modul  a momentelor dipolilor. 

14

 

Polarizarea ionică

 

În reţeaua cistalină a unui cristal ionic (NaCl), în absenţa cîmpului electric, ionii de polaritate alternantă sunt distribuiţi echidistant şi din acest motiv generează o polarizare electrică totală nulă.

 

La aplicarea unui cîmp electric  nenul, ionii se deplasează sub acţiunea  forţelor electrostatice (nu mai sunt plasaţi  echidistant) şi generează o polarizare electrică  nenulă. 

 

Orientarea dipolilor la aplicare  unui câmp electric este rapidă (dar  mai lentă decât în cazul polarizării  electronice), fenomenul fiind prezent până  la frecvenţe de ordinul miilor de megahertzi.

Este însoţită de polarizare  electronică. 

15

 

Polarizarea electrică de orientare

 

În absenţa cîmpului electric, orientarea acestora este haotică, iar polarizaţia electrică P este nulă. La aplicarea unui cîmp electric, momentele electrice elementare spontane se vor orienta pe direcţia cîmpului, generînd o polarizaţie electrică nenulă.

 

Generarea momentului electric elementar  spontan pentru molecula de apă H2O: atomul  de oxigen atrage electroni şi astfel  se generează în locul în care acesta  este localizat o sarcină electrică spaţială  negativă –Q. Cei 2 atomi de hidrogen contribuie la generarea, în regiunea fiecăruia, a unei sarcini electrice spaţiale pozitive. +Q/2.

 

Orientarea dipolilor la aplicare  unui câmp electric este lentă, fenomenul  fiind prezent până la frecvenţe de  ordinul sutelor de kilohertzi şi este  influenţat de temperatură.

16

 

Polarizarea permanentă: (a) piroelectrică,  (b) piezoelectrică

 

Polarizarea piroelectrică: - materiale  feroelectrice

La fabricarea materialelor feroelectrice  există domenii macroscopice în care starea  de polarizare este instalată. În absenţa  unui cîmp electric, orientarea vectorilor  de polarizaţie electrică este aleatoare,  suma vectorială a acestora fiind considerată  nulă.

 

 

 

 

 

La aplicarea unui cîmp electric,  vectorii de polarizaţie electrică ai domeniilor  macroscopice se vor orienta pe direcţia  cîmpului electric, iar suma vectorială a  acestora va deveni diferită de zero. 

 

 

 

 

 

Orientarea dipolilor la aplicarea  câmpului electric este lentă.

17

 

Efectul piezoelectric

 

Efectul piezoelectric direct: caracterizează  proprietatea materialelor dielectrice de a-şi  modifica starea de polarizare sub acţiunea  unei forţe mecanice 

 

 

 

 

 

Efectul piezoelectric invers: caracterizează  proprietatea materialului dielectric de a se  deforma sub acţiunea unui câmp electric  exterior – fenomen care se numeşte  efect piezoelectric invers.

18

 

Pierderile în dielectrici

 

Pierderi prin conducţie: materialele dielectrice conţin o concentraţie redusă de purtători de sarcină electrică mobili (conductivitate electrică nenulă), care se pot deplasa sub acţiunea unui câmp electric, dînd naştere unui curent electric. Pierderile prin conducţie sunt prezente în cazul în care asupra dielectricului se aplică un câmp electric constant sau lent variabil.

 

 

Pierderile prin polarizare: se manifesta când un dielectric este utilizat într-un câmp electric alternativ.

19

 

Pierderile prin conducţie

 

Datorită conductivităţii nenule  a materialului dielectric, dacă acesta este  introdus între 2 armături metalice alimentate  de la o tensiune de alimentare V,  se constată că prin proba respectivă  ia naştere un curent electric I. Se  poate demonstra că valoarea curentului generat  prin proba respectivă se determină cu  relaţia:

 

Q = sarcina electrică de  pe armături

 = conductivitatea electrică a materailului dielectric

 

Comportamentul dielectricului în câmp electric constant sau lent variabil se poate studia pe baza următorului circuit echivalent:

 

C

 

r^P

 

constanta de relaxare dielectrică:

20

 

Pierderile prin polarizare

 

Dacă materialul dielectric este  supus unui câmp electric alternativ: E=E^msin(t), materialul dielectric nu se va polariza instantaneu: P=P^msin(t+). Deoarece polarizaţia electrică, în funcţie de intensitatea câmpului electric se poate scrie ca:

 

Rezultă că permitivitatea electrică  este o mărime complexă:

 

permitivitatea electrică elastică; arată  efectul de creştere a capacităţii la introducerea dielectricului între 2 placi conductoare faţă de cazul în care între placă  este vid

 

permitivitatea electrică vâscoasă; arată  efectul de încălzire a dielectricului datorită fenomenelor de polarizare lente

 

 = suma constantelor dielectrice de relaxare datorate fenomenelor de polarizare lente

21

 

Străpungerea dielectricilor

 

d – grosimea dielectricului

V^STR – tensiunea la care are loc fenomenul de străpungere

 

La aplicarea asupra materialului  dielectric a unui cîmp electric crescător  ca intensitate, la o anumită valoare  a intensităţii cîmpului electric, prin dielectric  apare o creştere bruscă a curentului  electric. Fenomenul se numeşte străpungerea dielectricului.

 

Ca urmare, puterea disipată pe  material devine foarte mare, iar acesta  se poate distruge. 

 

Intensitatea cîmpului electric la  care are loc fenomenul se numeşte rigiditate dielectrică, şi se defineşte astfel:

 

2