Релаксационные виды поляризаций

Замедленные или релаксационные виды поляризаций проявляются в газах, жидкостях и твёрдых диэлектриках, если они состоят из полярных молекул, диполей или молекул, имеющих отдельные радикалы или части (сегменты), обладающие собственными электрическими моментами (дипольная, дипольно-релаксационной, дипольно-радикальная поляризации). В твердых телах возможны также разновидности релаксационных поляризаций, связанные, главным образом, с химическим составом, структурой и типом дефектов (электронно-релаксационная, ионно-релаксационная, миграционная, спонтанная поляризации).

Дипольно-релаксационная поляризация часто называется ориентационной, так как она проявляется в появлении некоторой упорядоченности в расположении полярных молекул, совершающих хаотические тепловые движения под действием электрического поля. При дипольно-радикальной или дипольно-сегментальной поляризации в некоторых полярных полимерах под действием поля происходит определенное упорядочение полярных радикалов или более крупных частей макромолекул-сегментов. Релаксационная поляризованность при дипольно-релаксационной поляризации после приложения поля к диэлектрику нарастает во времени до установления значения Р₀ согласно выражению

P(t) = Р₀[1-e^-t/τ] , (10)

где P(t)-поляризованность в момент времени t, а после снятия внешнего поля уменьшается по закону

P(t) = Р₀ • e^-t/τ (1.11)

В этих выражениях τ постоянная времени процесса называется временем релаксации - она равна времени, за которое поляризация уменьшается в "е" раз, т. е. приблизительно в 2,7 раза (е-основание натуральных логарифмов). Для полярных диэлектриков величина поляризуемости α = α_э + α_др. Дипольно - релаксационная поляризуемость может быть определена по формуле

α_др = μ² / 3kT, (12)

где μ - электрический дипольный момент, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Зависимость ε от температуры для полярной жидкости показана на рис. 5.

Рис. 5.

По Дебаю, если жидкость состоит из сферических молекул, обладающих дипольным моментом, то время релаксации процесса поляризации определяется по формуле

μ = 4π η a³ / kT , (13)

где η - вязкость, a - радиус молекулы. При низких температурах ориентация молекул электрическим полем затруднена, поэтому α_др невелика. При повышении температуры время релаксации уменьшается из-за уменьшения вязкости, ориентация молекул облегчается, что приводит к увеличению интенсивности дипольно-релаксационной поляризации и резкому росту ε, которая после достижения максимума уменьшается, приблизительно обратно пропорционально температуре за счет роста теплового движения молекул, препятствующего упорядочению полярных молекул (диполей).

С увеличением частоты в области низких частот ε полярных диэлектриков остается постоянной до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул остается меньше полупериода электрического поля (1/2f), т. е. за это время диполи успевают полностью упорядочиться в направлении поля. При дальнейшем росте частоты, когда время полупериода становится меньше времени релаксации, которое от частоты не зависит, ε начинает уменьшаться вплоть до значений, определяемых электронной поляризацией. Следовательно, на высоких частотах дипольная поляризация отсутствует (τ << 1/2f), так как диполи не успевают следовать за электрическим полем. Область уменьшения ε в ее частотной зависимости называется дисперсией диэлектрической проницаемости (рис. 6).

Рис. 6

 

В диэлектриках сложной структуры при наличии в них нескольких физических механизмов поляризации, например, за счет различных полярных групп молекул или нескольких компонентов смешанного диэлектрика с различными временами релаксации в зависимости от частоты, может наблюдаться несколько областей дисперсии.

В диэлектриках с ионным типом химических связей, например в неорганических стеклах, имеющих неплотную упаковку ионов, возможна ионно-релаксационная поляризация. Слабо связанные ионы вещества под действием приложенного электрического поля среди хаотических тепловых смещений получают избыточные перебросы в направлении поля, и смещаются на расстояния, существенно превышающие величину смещения ионов при упругой ионной поляризации. После исчезновения внешнего поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия, при этом наблюдается необратимое рассеяние энергии в виде тепла. Поляризация этого типа наблюдается при низких частотах. ε с увеличением температуры возрастает так же, как и для ионных кристаллов с плотной упаковкой, но несколько более резко.

В некоторых классах полярных ионных кристаллов и веществах, относящихся к жидкокриссталлическим, в определенном температурном интервале наблюдаются фазовые переходы без изменения агрегатного состояния, в процессе которых происходит существенная перестройка их структуры. Такая перестройка, не нарушая физически и химически однородное состояние вещества, приводит к существенному изменению электрических свойств диэлектриков (проводимости, диэлектрической проницаемости), оптической активности и др. Вблизи фазовых переходов, возникающих при изменении параметров окружающей среды, данные параметры могут изменяться резко, иногда на несколько порядков по величине. Такие фазовые переходы, при которых неполярные вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят в полярное состояние называют сегнетоэлектрическими, а сам процесс перехода в новое состояние спонтанной поляризацией. Неполярная фаза, как правило, является более высокотемпературной, чем полярная, но в каждом сегнетоэлектрическом веществе фазовые переходы имеют свои особенности.

Для сегнетоэлектриков характерны зависимости ε от температуры с резко выраженным максимумом, который наблюдается вблизи точки перехода (точки Кюри Т_к). Сегнетоэлектрики характеризуются необычайно высокими значениями ε (до 10³-10⁵), хотя некоторые водорастворимые сегнетоэлектрики имеют ε = 5-6. Характерные свойства сегнетоэлектриков обусловлены наличием у них доменной структуры - взаимосвязанных микрообластей, в пределах которых векторы поляризации структурных ячеек имеют одинаковое направление. Температурная и частотная зависимости ε для наиболее изученного сегнетоэлектрика титаната бария BaTiO₃ показана на рис. 7.

Рис. 7

Для сегнетоэлектрических материалов характерно нелинейное изменение ε от напряженности электрического поля, поэтому они относятся к нелинейным диэлектрикам.