Виды поляризации диэлектриков
Электронная поляризация. Это упругое смещение электронных оболочек относительно ядра в атомах диэлектрика под действием внешнего электрического поля (рис.3.3).
Рис. 3.3. Упрощенная схема моделей атомов водорода в отсутствие внешнего электрического поля (а) и при его воздействии (б)
Время установления электронной поляризации ~ 10-15 с. Электронная поляризация протекает во всех диэлектриках без исключения. Мгновенное смещение электронов в диэлектрике и образование упругих диполей внешне проявляет себя в виде тока смещения в диэлектрике. Также мгновенно упругие диполи исчезают, если с диэлектрика снять напряжение.Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость e уменьшается с ростом температуры, что связано с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема.
Изменение e при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ae:
[К-1] (3.11)
Ионная поляризация. Это смещение упруго связанных ионов с мест своего закрепления на расстояния меньше периода кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Идеализированная схема расположения ионов каменной соли в узлах решетки в отсутствие внешнего электрического поля (а) и смещенных из узлов на небольшие расстояния при воздействии поля (б)
Имеет место у твердых диэлектриков с ионным строением наряду с электронной поляризацией. Время установления ионной поляризации ~10-13 с. Она больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т.е. являются многовалентными. Величина поляризации с повышением температуры возрастает, что обусловлено ослаблением сил упругой связи вследствие теплового расширения материала и увеличения расстояния между ионами.
Дипольно-релаксационная поляризация.Это частичная ориентациядипольных молекул, находящихся в хаотическом тепловом движении, под действием внешнего электрического поля (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Примерное расположение дипольных молекул в отсутствие электрического поля (а) и при его воздействии на диэлектрик (б)
Процесс установления такой поляризации после включения диэлектрика под напряжение (или процесс ее ликвидации после снятия напряжения) требует относительно большого по сравнению с практически безинерционными явлениями электронной и ионной поляризацией времени. Поляризованность при дипольно-релаксационной поляризации РДР за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:
(3.12)
Постоянную времени этого процесса t называют временем релаксации.Если период приложенного переменного напряжения меньше t, то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем и дипольно-релаксационная поляризация не дает вклада в поляризованность диэлектрика. Так как t обычно имеет порядок 10-6-10-10 с, дипольно-релаксационная поляризация проявляется лишь на частотах ниже 106 - 1010 Гц. При понижении температуры t сильно возрастает.
С ростом температуры, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического движения, величина дипольно-релаксационной поляризации увеличивается. Затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, величина поляризации начинает падать. Поэтому температурное изменение e при дипольно-релаксационной поляризации характеризуется наличием максимума.
Дипольно-релаксационная поляризация свойственна полярным жидкостям, а также может наблюдаться и в твердых полярных органических веществах.
Ионно-релаксационная поляризация. Заключается в том, что слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.
Диэлектрическая проницаемость e увеличивается с ростом температуры, но только для твердых диэлектриков, так как в расплавленном состоянии ионные соединения становятся проводниками с электролитической электропроводностью.
Наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стеклах, и в некоторых кристаллических веществах, в частности в хлористом цезии (CsCl).
Электронно-релаксационная поляризация. Возникает за счет возбуждения тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок.
В веществах с такой поляризацией наблюдается относительно высокое значение e и зависимость e от температуры имеет максимум.
Резонансная поляризация. Наблюдается в диэлектриках на оптических частотах, зависит от физико-химических особенностей вещества и определяется собственной частотой электронов или ионов на очень высоких частотах или частотой дефектных электронов при более низких частотах.
Миграционная поляризация. Причинами возникновения являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. Заключается в перемещении (миграции) под воздействием внешнего электрического поля свободных электронов и ионов в таких включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела. В граничных слоях слоистых материалов может происходить накопление зарядов медленно движущихся ионов, что также создает эффект миграционной поляризации.
Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.
Самопроизвольная (спонтанная) поляризация. Наблюдается в веществах, характеризующихся доменной структурой. Домены - макроскопические области, обладающие самопроизвольной поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике.
В отсутствие внешнего поля электрические моменты доменов ориентируются хаотически. Воздействие электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что создает эффект очень сильной поляризации и высокое значение e.
Данный вид поляризации существует только у группы твердых диэлектриков, обладающих такими же особенностями поляризации, как и сегнетова соль (NaKC4H4O6×4H2O), а потому получивших название сегнетоэлектриков.