Поляризация диэлектриков и ее виды

В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. При этом центры положительных и отрицательных зарядов, которые без действия электрического поля совпадали, не будут совпадать.

Ограниченное смещение электрически связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называют поляризацией. Способность диэлектрика к поляризации характеризуют относительной диэлектрической проницаемостью εr, диэлектрической восприимчивостью æд, поляризованностью P.

На рисунке 34 изображен конденсатор с площадью электродов S и расстоянием между ними h. При подаче напряжения U между электродами напряженность электрического поля будет равна , а накопленный в конденсаторе с


вакуумом свободный заряд обозначим Qo (на рисунке 34,а – квадратики).

При наличии диэлектрика между электродами (рисунок 34,б) имеющиеся в нем положительные и отрицательные заряды смещаются, в результате чего образуются электрические диполи p с моментом, равным p = q*l, где q – заряд частицы, l – расстояние между частицами (рисунок 34, б). На поверхности диэлектрика образуются поляризационные (связанные) заряды. обозначенныые кружками на рисунке 34,б. Они создают собственное внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Для компенсации поляризационных зарядов источником создается дополнительный заряд Qд. Общий заряд в конденсаторе с диэлектриком Q будет равен: Q = Qo+Qдоп = εr*Qo, где εr - относительная диэлектрическая проницаемость.Она характеризует поляризацию диэлектрика под действием электрического поля, является важным макроскопическим параметром, ее значения для конкретных материалов приводятся в справочниках.

Определяют значения εr по измеренным значениям емкостей конденсатора в вакууме (воздухе) Cо и с диэлектриком Сд из зависимости:

.

Поляризованность диэлектрика Р как твердого тела является векторной величиной и может быть определена как сумма электрических диполей рi в единице объема V.

P = (Кл/м2).

Поляризованность характеризует способность частиц материала приобретать дипольный момент в электрическом поле.

Диэлектрическая восприимчивость æд характеризует способность среды к поляризации, и является коэффициентом пропорциональности между векторами поляризованости P и напряженности электрического поля Е: Р = æд* εо*Е,

где εо=8,85*10-12Ф/м – электрическая постоянная.

Отметим, что указанная зависимость справедлива только для линейных диэлектриков, для них æд = const. Для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) æд = f(), то есть зависит от напряженности поля. Для линейных диэлектриков εr = 1+ æд.

В зависимости от природы химических связей частиц в диэлектрике различают следующие виды (механизмы) поляризации: упругую (быструю, нерелаксационную, не связанную с потерями в диэлектрике) и неупругую (замедленную, релаксационную, связанную с потерями в диэлектрике).

К упругим относятся электронная и ионная поляризации, к неупругим – дипольно-электронно-и ионнорелаксационные, структурная (миграционная) и спонтанная (самопроизвольная) поляризации. Заметим, что в твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько видов поляризации, которые в совокупности и определяют значение εr и его зависимость от температуры и частоты электрического поля.

Электронная поляризация представляет упругое смещение электронов и

деформацию электронных оболочек атомов в электрическом поле (рисунок 35,а). Электронная поляризация превращает каждый атом или ион в диполь. Орбитали внешних электронов будут деформированы, и поляризованные частицы будут обладать элементарным электрическим моментом pi = qil, сумма которых и создает поляризованность Р твердого тела. Время поляризации 10-14…10-16с.

Электронная поляризация происходит у всех диэлектриков независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации. Диэлектрики с электронной поляризацией называются неполярными. К ним относятся алмаз, полиэтилен, полистирол, фторопласт-4, парафин и другие. Значение εr не превышает 3. Время установления электронной поляризации мало и составляет ~ 10-15с, её еще называют мгновенной.

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго связанных положительных и отрицательных ионов из узлов подрешеток на расстояния, меньшие периода решетки (рисунок 35,в). В каждом, и положительном, и отрицательном ионе также происходит смещение электронных оболочек – электронная поляризация. Смещения ионов из узлов подрешеток приводит к появлению дополнительного электрического момента pu, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и общую относительную диэлектрическую проницаемость εr, значение которой у веществ с ионной поляризацией больше, чем у веществ с электронной поляризацией.

Время ионной поляризации ~ 10-12…10-13с. Так как время упругих поляризаций мало, то и εr у материалов с этим видами поляризации не изменяется при изменении частоты до значений 1015…1012Гц соответственно. Ионный механизм поляризации наблюдается в слюде, керамиках, мраморе, кварце и других материалах ионного строения.


Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в ориентации дипольных молекул (или полярных групп молекул в органических и твердых диэлектриках), находящихся в хаотическом тепловом движении, в направлении электрического поля (рисунок 35,в). В результате такой поляризации увеличивается поляризуемость Р, и, следовательно, εr. Поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления, поэтому дипольно-релаксационная поляризация связана с рассеянием энергии, то есть с потерями.

После снятия электрического поля ориентация частиц в материале постепенно ослабевает, имеет место релаксация. Релаксация характеризуется временем релаксации τ – это время, за которое после снятия электрического поля ориентация полярной молекулы по полю уменьшается в е раз под действием теплового движения.

Материалы, имеющие дипольно-релаксационный механизм поляризации, называют полярными. Время релаксации τ ≈10-10…10-2с. Полярными диэлектриками являются поливинилхлорид, порошковый фенопласт, эпоксидные пластмассы, электрофарфор, органическое стекло.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (например, в неорганических стеклах). При этом слабо связанные ионы вещества под действием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие упругие смещения, или период подрешетки. В диэлектрике появляется электрический момент – то есть имеет место ионно-релаксационная поляризация. Так как процесс смещения носит локальный, а не сквозной характер, то это не является электропроводностью. Время установления ионно-релаксационной поляризации 10-5…10-3с, и она также связана с рассеянием энергии.

Электронно-релаксационнаяполяризация обусловлена ограниченным перемещением возбужденных тепловой энергией избыточных дефектных электронов или дырок. Этот вид поляризации характерен для диэлектриков с электронной проводимостью (в них есть свободные носители заряда), например двуокись титана с примесями ионов ниобия, кальция, бария, оксиды алюминия и другие, и также связана с рассеянием энергии.

 
 

Миграционная (структурная, примесная) поляризация – неупругие перемещения слабо связанных примесных ионов на расстояния, превышающие параметр решетки, часто до границ структурного образования (рисунок 36).

Этот вид поляризации проявляется в твердых телах неоднородной структуры, имеющих макроскопические неоднородности или примеси. Причинами возникновения структурной поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различными значениями σ и εr (например, в слоистых материалах – текстолитах, миканитах, изоляции на основе бумаги). Время миграционной поляризации велико, 10-3…1с, и она связана с большими рассеяниями энергии, как поляризация замедленного типа.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация– это поляризация диэлектрика при отсутствии внешнего электрического поля. Она существует у групп твердых диэлектриков, объединенных общим названием сегнетоэлектрики, и обладающих нелинейной зависимостью электрического смещения от величины напряженности электрического поля: æд = f(Е). В материалах со спонтанной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии электрического поля, но они различным образом ориентированные в объеме материала. Под действием внешних сил или энергетических воздействий в таких материалах возникают деформация и напряжения, что вызывает ориентацию электрических моментов доменов и создает эффект сильной поляризации. Деформационный механизм поляризации характерен для пьезоэлектриков, а поляризация при изменении температуры – для пироэлектриков. Поэтому материалы со спонтанной поляризацией часто называют сегнетоэлектриками по названию материала, у которого этот вид поляризации был впервые обнаружен – сегнетовой соли. Материалы со спонтанной поляризацией имеют большие значения εr, сильную зависимость εr от температуры, являются активными диэлектриками. К ним относятся некоторые виды керамик, стекол, смол.