Поляризация диэлектриков, виды поляризации

Поляризация – это процесс смещения и упорядочения связанных электрических зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля.

Способность материала поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью. Диэлектрик, включенный в электрическую цепь можно рассматривать как конденсатор определенной емкости C_д:

ε = C_д ∕ C₀, (4.1)

показывает во сколько раз емкость конденсатора с данным диэлектриком C_Д больше емкости того же конденсатора в вакууме С_0.

Виды поляризации:

1. Электронная поляризация

Все материалы состоят из атомов, а атом из ядра (протонов) и электронов, вращающихся вокруг него. В отсутствие внешнего электрического поля, электроны быстро вращаются вокруг ядра по круговой орбите и центры приложения зарядов положительного и отрицательного совпадают. Если теперь этот атом поместить в однородное электрическое поле с напряженностью ε, то отрицательно заряженные электроны при своем вращении сместятся в сторону положительного электрода (рисунок 4.1). Центр отрицательного заряда изменит свое положение, и система превратится в диполь. Таким образом, произошла поляризация диэлектрика. Этот вид поляризации называется электронной, происходит она практически мгновенно за время ≈ 10^-15 с, поэтому её называют мгновенной. Она характерна для всех типов диэлектриков. Она происходит без рассеивания энергии, проявляется на всех частотах, т.е. практически не зависит от частоты (f = 10¹⁴ - 10¹⁶ Гц).

Электронная поляризация – это упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов.

Рисунок 4.1 – схематическое изображение электронной поляризации: а – неполяризованный атом при отсутствии электрического поля; б – поляризованный атом при воздействии электрического поля.

2. Ионная поляризация

Характерна для твердых тел с ионным строением (каменная соль; в узлах кристаллической решетки находятся ионы Na⁺ и Cl¯).

При приложении поля ионы Na смещаются по направлению внешнего электрического поля Е, а ионы Cl – против направления (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 – Схематическое изображение ионной поляризации. Ионная кристаллическая решетка:

а – при отсутствии электрического поля; б – при воздействии электрического поля.

3. Дипольно-релаксационная поляризация

Дипольные молекулы в отсутствии внешнего электрического поля находятся в тепловом хаотическом движении. При воздействии внешнего электрического поля эти дипольные молекулы ориентируются в направлении поля, т.е. наблюдается эффект поляризации (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 – Схематическое изображение дипольно-релаксационной поляризации. Расположение дипольных молекул:

а – при отсутствии электрического поля; б – при воздействии электрического поля.

При снятии поля поляризованность спадает по экспоненциальному закону:

P(τ;) = P₀ ∙ e ^{τ ∕ τ;}­⁰, (4.5)

где P₀ – поляризованность в момент снятия напряжения;

t ₀ – время релаксации дипольной поляризации - это промежуток времени в течение которого поляризованность диэлектрика после снятия поля уменьшается в e = 2,72 раза от первоначального. Обычно t = 10^-6 – 10^-10 с, следовательно дипольная поляризация проявляется лишь на f < 10^-6 – 10^-10 Гц.

4. Ионно-релаксационная поляризация

Наблюдается в ионных кристаллах с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стеклах, керамике. Этот вид поляризации обусловлен смещением слабо связанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояние больше постоянной кристаллической решетки. Эта поляризация происходит с потерями энергии, и поляризация усиливается с увеличением температуры.

5. Самопроизвольная (спонтанная) поляризация

Происходит и в отсутствии внешнего поля. Это характерно для сегнетоэлектриков, они обладают доменной структурой. Домен – это отдельные области в сегнетоэлектрике, имеющие пространственно-однородное упорядочение дипольных моментов элементарных кристаллических ячеек. При воздействии внешнего поля домены ориентируются в направлении поля, что вызывает эффект сильной поляризации, следовательно высокие и сверхвысокие значения ε.