4 Ионно-релаксационная поляризация

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.

5 Спонтанная поляризация

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. 1.7.

рис. 1.7

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

Электропроводность диэлектриков

В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения I_см за время ~10^-15с.

В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости - I_скв.

В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции - I_абс, причиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации.

Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, ток сквозной проводимости I_скв устанавливается за время меньшее 1 мин.

В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов.

Сквозной ток - I_скв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в таблице свободных носителей заряда различной природы (табл. 1).

Таблица 6.1

Наличие носителей заряда в различных диэлектриках

Вид диэлектрика	Носители заряда (область слабых полей)	Природа носителей заряда (происхождение)
Газообразные	Положительные и отрицательные ионы	Ионизация молекул газа
	В сильных полях также электроны	Ударная ионизация и фотоионизация молекул газа
Жидкие	Ионы	Диссоциация молекул примесей
	Коллоидные заряженные частицы	Характерны для коллоидных растворов-эмульсий (коллоидные частицы-жидкость) и суспензий (взвешенное фаза-твердое вещество)
Твердые	Ионы	Диссоциация примесей или собственных молекул
	Точечные дефекты кристаллической решетки: вакансии (пустые узлы), межузельные ионы	Зависят от структуры кристаллического диэлектрика
	Электроны проводимости или дырки в заполненной зоне	В диэлектриках с электронным механизмом проводимости

В постоянном электрическом поле токи абсорбции I_абс могут устанавливаться в течение длительного времени (в течение минут или даже часов) в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток сквозной проводимости I_скв.

При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв, исключая токи абсорбции. Механизмы возникновения и уменьшения тока абсорбции I_абс показаны в табл. 2.

Таблица 2

Механизмы возникновения тока абсорбции в диэлектриках

Условия возникновения Iабс	Механизм или причина уменьшения проводимости
При ионной проводимости наличие блокирующих контактов с электродами	Блокирующие контакты препятствуют прохождению носителей заряда через границу электрод-диэлектрик или разряду носителей, подходящих из объема диэлектрика на границе с электродом.
Неоднородная структура диэлектрика	Накопление заряда на границах раздела, что вызывает перераспределение электрического поля.
Ионная проводимость в жидком диэлектрике	Необратимое удаление носителей заряда и разрядка их на электродах (электроочистка)
Инжекция электронов или дырок в диэлектрик	Захват носителей заряда на ловушки (дефекты решетки) и исключение их из процесса переноса тока
Наличие в диэлектрике замедленной поляризации	Установление релаксационной поляризации с течением времени