Поляризация в диэлектриках

1 Электронная поляризация

Электронная поляризация возникает в результате смещения электронных облаков относительно центра ядер атомов или ионов под действием электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектриках, а в неполярных материалах является единственным видом поляризации. Происходит электронная поляризация практически мгновенно - за время 10^-14 - 10^-16 с. После выключения электрического поля энергия, затраченная на поляризацию, возвращается источнику электрической энергии, так как деформированные оболочки атомов и ионов возвращаются в прежнее положение. Таким образом, эта поляризация происходит без потерь энергии. Вместе с ионной поляризацией она составляет группу «упругих» или быстрых видов поляризаций.

Электрический момент р, приходящийся на одну частицу (атом, ион) для не слишком больших полей, пропорционален напряженности поля

p = α_э • E.     (1.7)

Коэффициент α _э называется электронной поляризуемостью. Для многих диэлектриков, таких как газы, неполярные жидкости можно легко установить взаимосвязь между макроскопическим параметром диэлектрической проницаемостью - ε и микроскопическим параметром - поляризуемостью α _э:

ε = 1 + n • α_э / ε₀ ,     (1.8)

α_э частиц от температуры не зависит, но диэлектрическая проницаемость зависит от числа частиц в единице объема n, которое уменьшается с повышением температуры из-за теплового расширения диэлектрика.

В температурной зависимости ε неполярных диэлектриков резкое уменьшение ε с температурой наблюдается при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое — из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное. Диэлектрическая проницаемость ε неполярных диэлектриков близка к квадрату коэффициента лучепреломления диэлектрика (следствие уравнения Максвелла) ε  ν². Так как время установления поляризации у таких диэлектриков очень мало, их ε не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот, порядка 10¹⁴—10¹⁶ Гц. При таких частотах будет наблюдаться резонансная поляризация (см. рис. 1.4).

рис. 1.4

Большие отличия ε от ν² свидетельствуют о том, что кроме электронной в веществе возникают другие виды поляризаций.

2 Ионная поляризация

Ионная поляризация наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время установления ионной поляризации весьма мало, всего на 2—3 порядка больше электронной поляризации. Соотношение ε  ν² для веществ с ионной поляризацией не соблюдается. Например, для каменной соли ν = 1,54; ν² = 2,22 и ε = 4,8; для рутила TiO₂: v = 2,7, ν² = 7,3, ε = 114.

Зависимость ε от температуры у твердых ионных линейных диэлектриков с ростом температуры может быть различной. У большинства ионных диэлектриков с ростом температуры ε увеличивается, так как при этом уменьшается коэффициент упругой связи между ионами и расстояние между ними увеличивается при тепловом расширении материала. Если обозначим через k_упр—коэффициент упругой связи, а через Δх смещение ионов, то в состоянии равновесия qE= k_упр • Δх, а элементарный электрический момент пары, состоящей из двух разноименно заряженных ионов Р_и = qΔх =q²E/k_упр и

α_и = q²/k_упр    (1.9)

Тогда поляризованность единицы объема Р_и будет равна сумме всех элементарных моментов. ε увеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы. Но у некоторых веществ с большим внутренним полем электронная поляризация преобладает над ионной, как например у рутила TiO₂ и перовскит CaTiO₃, и ε с ростом температуры уменьшается.

Если диэлектрик характеризуется не только электронной, но и ионной поляризацией, то общая поляризуемость (деформационная) будет равна сумме электронной и ионной поляризуемости α = α_э + α_и. Наличие второго слагаемого приводит к тому, что α ионных диэлектриков больше, чем у неполярных веществ. Более высокие значения ε наблюдается у ионных диэлектриков, содержащих многовалентные ноны, например Тi⁺⁺⁺⁺, Рb⁺⁺, O^--. В таких веществах ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, что обусловливает большую ионную поляризуемость.