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:
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:
are loc instantaneu sub acțiunea
câmpului electric și nu este însoțită
de pierderi de energie (degajare de căldură).
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
Ndipoli
– 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:
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
E0
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:
- 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
rP
constanta de relaxare dielectrică:
20
Pierderile prin polarizare
Dacă materialul dielectric este
supus unui câmp electric alternativ: E=Emsin(t), materialul
dielectric nu se va polariza instantaneu: P=Pmsin(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
VSTR – 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