36. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации. Поляризованность.

Вещества (тела) с ничтожной электропроводностью называются диэлектриками или изоляторами. К диэлектрикам относятся газы, часть жидкостей (минеральные масла, лики) и почти все твердые материалы, за исключением металлов и угля. Однако при некоторых условиях в диэлектриках происходит расщепление молекул на ионы (например, под действием высокой температуры или в сильном поле), в этом случае диэлектрики теряют свои изолирующие свойства и становятся проводниками. Диэлектрики обладают свойством поляризоваться и в них возможно длительное существование электростатического поля.  Диэлектрики Поляризация диэлектриков Если электрическое поле создается в вакууме, то величина и направление вектора напряженности поля в данной точке зависят только от величины и места расположения зарядов, создающих поле. Если же поле создается в каком-либо диэлектрике, то в молекулах последнего, происходят физические процессы, оказывающие влияние на электрическое поле. Под действием сил электрического поля электроны на орбитах смещаются в направлении, противоположном полю. В результате ранее нейтральные молекулы становятся диполями с равными зарядами ядра и электронов на орбитах. Это явление называется поляризацией диэлектрика. При исчезновении поля исчезает и смещение. Молекулы опять становятся электрически нейтральными. Поляризованные молекулы — диполи создают свое электрическое поле, направление которого противоположно направлению основного (внешнего) поля, поэтому добавочное поле, складываясь с основным, ослабляет его. Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее получается результирующее поле, тем меньше становится его напряженность в каждой точке при тех же зарядах, создающих основное поле, а следовательно, диэлектрическая проницаемость ε такого диэлектрика больше. Если диэлектрик находится в переменном электрическом поле, то смещение электронов становится также переменным. Этот процесс приводит к усилению движения частиц и, следовательно, к нагреванию диэлектрика. Чем чаще изменяется электрическое поле, тем сильнее нагревается диэлектрик. На практике это явление используется для нагрева влажных материалов с целью их сушки или получения химических реакций, происходящих при повышенной температуре. Электронная поляризация Представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Центр орбитыэлектрона смещается на расстояние, которое зависит от напряженности поля E и резонансной частотыатома. Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около10-15с), поэтому электроннуюполяризацию условно называют мгновенной: запаздывания поляризации по отношению к изменениюэлектрического поля не наблюдается. Электронная поляризация происходит без потерь энергии (как быупругая деформация), в диэлектрике имеется только емкостная составляющая тока. Поляризуемость частицпри электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость уменьшается сповышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц вединице объема.  Ионная поляризация Характерна для твердых тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов нарасстояния в пределах кристаллической решетки. Наблюдается в твердых телах с ионной кристаллическойрешеткой. Смещение токов происходит по малым расстояниям за счет упругой деформации решетки.Смещению ионов под действием поля препятствуют упругие силы химической связи. Смещение двухразноименно заряженных ионов приводит к появлению элементарного электрического момента. Сумма такихэлементарных моментов, приходящихся на единицу объема, определяет ионный вклад в поляризованностьдиэлектрика. С повышением температуры расстояния между ионами вследствие теплового расширенияматериала увеличиваются. В большинстве случаев это сопровождается ослаблением сил упругой связи ивозрастание поляризованности диэлектрика. Время установления ионной поляризации — порядка 10-13с.  Ионно-релаксационная поляризация.  Наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например, в неорганических стеклах и внекоторых кристаллических веществах. Ионно-релаксационная поляризация это переброс в твердомдиэлектрике на другое место слабо закрепленных в решетке ионов. Это происходит при достаточнойтепловой подвижности ионов, когда они отрываются от своего места в решетке и закрепляются в другом,недалеко от своего места. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрамравновесия, т.е. этот механизм можно отнести к релаксационной поляризации, при которой имеет местонеобратимое рассеяние энергии. Свойства ионно-релаксационной поляризации близки к свойствамдипольной поляризации.  Дипольная поляризация.  Отличается от электронной и ионной тем, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловомдвижении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Возможна,если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль электрического поля. У симметричныхнеполярных молекул (H2, O2, N2)под действием электрического поля возникает упругая поляризация. Унекоторых несимметричных полярных молекул (CO, HCl, NH) центры зарядов сдвинуты друг относительнодруга, так что такая молекула имеет собственный постоянный момент. Так как векторы дипольных моментовв отсутствии электрического поля ориентированы хаотически, суммарный дипольный момент диэлектрикаравен нулю. Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекулпараллельно вектору Е (тепловое движение этому противодействует), так что вещество в целом приобретаетотличный от нуля дипольный момент. Такая поляризуемость называется ориентационной. С увеличениетемпературы молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать поляризацию, однако в то же времявозрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтомутемпературное изменение диэлектрической проницаемости при дипольно-релаксационной поляризациихарактеризуется наличием максимума. Такая поляризация свойственна полярным жидкостям, можетнаблюдаться и в твердых полярных органических веществах. Но в этом случае поляризация обычнообусловлена уже поворотом не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов по отношению кмолекуле. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной (например, в целлюлозе (см. ЦЕЛЛЮЛОЗА(полисахарид)) полярность объясняется наличием гидроксильных групп –ОН и кислорода). В кристаллах смолекулярной решеткой и слабыми ван-дер-ваальсовыми связями возможна ориентация и более крупныхчастиц.  Миграционная поляризация Имеет место в двух- и многослойных диэлектриках, обладающих разными значениями диэлектрическойпроницаемости. Характеризуется большой инертностью и потерями. В граничных слоях слоистыхматериалов и в приэлектродных слоях может быть накопление зарядов медленно движущихся ионов, чтосоздает эффект медленно движущейся поляризации.  Остаточная поляризация Характерна для веществ, называемых электретами (см. ЭЛЕКТРЕТЫ). Эти вещества способны сохранятьполяризованное состояние и при снятии электрического поля.  2). Электрический дипольный момент единицы объема диэлектрика.