Диэлектрическая абсорбция — это эффект, при котором конденсатор, заряженный в течение длительного времени, при краткой разрядке не разряжается полностью.
Это происходит из-за задержки разряда диполей в диэлектрике, явление также известное как диэлектрическая релаксация или “эффект батарейки”.
Напряжение, которое появляется на выводах конденсатора после разрядки, может вызвать проблемы в работе электронной схемы и представлять опасность для человека.
Подробно об этом физическом явлении читайте в статье.
Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния между внешней и внутренними силами протекают во времени.
Эти процессы создают электрический ток поляризации, являющийся составной частью тока смещения в диэлектрике. Другой составной частью полного тока является ток смещения в вакууме, связанный с изменением электрического поля в вакууме. Обе составляющие накладываются друг на друга.
Токи поляризации упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляризациях настолько кратковременны, что эти процессы поляризации можно считать мгновенными.
Токи, обусловленные различными видами замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными.
При постоянном напряжении абсорбционные токи постепенно уменьшаются до нуля. Здесь постепенно накапливаются на обкладках конденсатора заряды, компенсирующие изменение поля, обусловленного перемещением связанных зарядов.
Процессы абсорбции легко понять, если рассмотреть неоднородный диэлектрик.
Пусть между металлическими обкладками помещен двухслойный диэлектрик, одна часть которого, например верхний слой, имеет бесконечно большое сопротивление изоляции (идеальный диэлектрик), а другая — какое-то конечное значение сопротивления.
После приложения к обкладкам напряжения в первый момент протекут токи мгновенной поляризации (смещение электронных оболочек и ионов решетки), а также "заряда" вакуумного конденсатора.
Вакуумный конденсатор — это конденсатор, который получится из рассматриваемого, если диэлектрик заменить вакуумом. Емкость такого конденсатора также называют "геометрической емкостью", что говорит о зависимости емкости только от "геометрии" конденсатора, т. е. от его формы и размеров.
В результате на обкладках появятся из внешней цепи положительные и отрицательные заряды (в действительности избыток и недостаток свободных электронов), необходимые для создания электрического поля между обкладками.
В слоях диэлектрика образуются электрические поля, напряженности которых обратно пропорциональны диэлектрическим проницаемостям слоев.
Под действием сил поля в верхнем слое будет продолжаться процесс дипольной ориентационной поляризации, который в данном случае можно рассматривать (как достаточно быстрый) совместно с электронной и ионной поляризацией.
В то же время в нижнем слое начнется движение свободных зарядов, возникнет электрический ток, величина плотности которого пропорциональна проводимости и напряженности поля
Ток проводимости нижнего слоя приводит к накоплению на его границах зарядов, компенсирующих внешнее поле, вследствие чего поле внутри этого слоя ослабляется и в конечном счете снижается до нуля.
Одновременно с этим поле верхнего слоя усиливается, увеличивается его поляризация, а во внешней цепи протекает ток абсорбции, который также уменьшается до нуля по мере прекращения движения зарядов в диэлектрик.
В этом смысле проводники ведут себя как диэлектрики с бесконечно большой диэлектрической проницаемостью.
Действительно, можно считать, что емкость проводников стремится к бесконечности, так как какое бы количество зарядов мы не пропускали через них, напряжение на проводниках, в отличие от конденсаторов, не возрастает, т. е. заряды не накапливаются.
После отключения конденсатора от источника на его обкладках сохраняется напряжение за счет накопленных на них зарядов.
Если обкладки закоротить, то начнутся обратные процессы деполяризации и десорбции. В первый момент с обкладок стекут и нейтрализуются заряды, обусловленные мгновенной поляризацией и разрядом вакуумного конденсатора.
В нижнем слое появятся электрическое поле, образованное зарядами, накопленными на его границах, и связанный с этим полем электрический ток десорбции. Однако ввиду значительного сопротивления этого слоя для нейтрализации зарядов потребуется определенное время.
Поэтому если сразу же после замыкания обкладок их разомкнуть, то на них вновь появится напряжение, хотя и меньшей величины, чем было до замыкания. И только если достаточно долго выдержать обкладки закороченными, то на конденсаторе напряжение уменьшится до нуля.
Аналогичные процессы наблюдаются, когда оба слоя имеют конечное, но различное сопротивление утечки, и при рассмотрении смещения связанных зарядов в процессе поляризации.
Ток конденсатора представляет собой сумму тока наличием в диэлектрике небольшого числа свободных зарядов. В большинстве случаев этими зарядами являются ионы. После завершения поляризации через диэлектрик протекает лишь ток утечки.
Поляризационные процессы .необходимо учитывать при измерениях сопротивления диэлектрика постоянному току. При небольшом времени выдержки приборы регистрируют не только ток утечки, но и существующий вместе с ним ток абсорбции, вследствие чего сопротивление диэлектрика может оказаться заниженным.
Ввиду сложности определения поляризационнных токов, даже для замедленных видов поляризации, сопротивление диэлектрика постоянному току определяется как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включения напряжения и принимаемый за ток утечки.
Реальные конденсаторные диэлектрики в большинстве своем неоднородные либо в силу трудности достижения однородности, либо его неоднородность определяется самой конструкцией диэлектрической системы. Например, последнее время широко распространены бумажно-пленочные конденсаторы, у которых чередуются слои бумаги и синтетической пленки.
Неоднородность реальных диэлектриков обусловлена множеством включений других веществ, отличных от основного диэлектрика. Эти включения могут быть в виде ионов, атомов, молекул более крупных частиц, размер которых доходит до микрометра. Ими могут быть частицы угля, железа, мельчайшие капли воды и т. д., т. е. диэлектрические, полупроводниковые или проводниковые вещества.
При изготовлении конденсаторных диэлектриков стремятся получить как можно более однородные диэлектрики, что, однако, повышает их стоимость.
Абсорбция электрических зарядов вызывает уменьшение емкости с увеличением частоты, неполную и замедленную отдачу энергии накопительным конденсатором.
Если при постоянном напряжении абсорбционные токи рано или поздно заканчиваются и не влияют существенно на работу конденсатора, то при переменном они протекают в течение всего периода нахождения конденсатора под напряжением и сопровождаются потерями энергии.
Каждый вид поляризации характеризуется определенным временем установления. Например, заметное отклонение от статического режима (постоянного поля) для электронной поляризации наблюдается лишь при оптических частотах, для ионной — при частотах, лежащих в инфракрасном диапазоне. Это определяется в основном незначительной массой электронов и ионов, а также пренебрежимо малым трением (потери отсутствуют).
Иначе обстоит дело при замедленных видах поляризации. Здесь сказывается и большая инерционность поляризуемых частиц, и, что более важно, наличие значительных сил трения, сопровождающих перемещение зарядов в процессе поляризации, точнее, преобразование энергии движущихся под действием электрического поля частиц в тепловую энергию вследствие взаимодействия этих частиц друг с другом и другими частицами.
Смещение зарядов характеризуется временем релаксации — это такое время, через которое ток абсорбции, обусловленный этим видом поляризации, уменьшится в 2,73 раза.
Подобные временные характеристики вводятся для процесса радиоактивного распада (период полураспада), изменения численности населения (период удвоения) и т. д.
В технических диэлектриках одновременно имеется большинство из отмеченных видов поляризации, каждому из которых соответствуют определенные времена релаксации. Поэтому ток абсорбции представляет собой сумму отдельных экспоненционально убывающих токов, каждый из которых обусловлен своим видом поляризации и временем релаксации.
Смотрите дальше: Нагрев и охлаждение конденсаторов