3. Виды поляризация диэлектриков и диэлектрические потери

3.1. Виды поляризации

Поляризация − явление, заключающееся в существовании в веществе под действием определенных причин неравного нулю электрического момента.

Наиболее часто поляризация возникает под действием внешнего электрического поля. Однако в некоторых случаях поляризация может быть вызвана и неэлектрическим воздействием [12, 13]:

• механической деформацией (пьезополяризация);

• изменением температуры (пирополяризация);

• освещением диэлектрика (фотополяризация).

Наконец, поляризация может существовать и без внешних воздействий. В последнем случае бывает спонтанная поляризация, обусловленная физико-химической природой вещества, и остаточная, обусловленная специальной предварительной обработкой диэлектрика, после чего возникает и длительно сохраняется в отсутствие внешних воздействий метастабильное поляризованное состояние. Классификация механизмов поляризации представлена в табл. 3.1.

Таблица. 3.1.

Классификация механизмов поляризации

	И ндуцированная электрическим полоем	Упругая (деформационная)
		Тепловая (прыжковая)
		Объемно-зарядовая (миграционная)
Э лектрическая поляризация
	В ызванная неэлектрическим воздействием	Пезополяризация
		Пирополяризация
		Фотополяризация

Если частицы в диэлектрике связаны в структуре достаточно "жестко", внешнее поле или другие воздействия могут привести лишь к очень малым (по сравнению с атомными размерами) смешениям этих частиц относительно неполяризованного состояния. Тем не менее, небольшие упругие смещения всех структурных единиц диэлектрика приводят к значительному интегральному вкладу в изменение его свойств. Такой механизм поляризации можно называть упругим. Электронная и атомная (ионная) поляризации относятся к указанному виду.

В случае слабой связи электронов, ионов или диполей в структуре диэлектриков на процессах поляризации сильно сказывается их тепловое движение, и поляризация называется тепловой (или прыжковой). Оставаясь локализованными вблизи структурных дефектов, эти частицы под действием теплового движения могут перемещаться на расстояния порядка атомных. Поляризация при этих перемещениях не возникает, потому что тепловые прыжки ионов, электронов или ориентация диполей происходит хаотично. Однако приложенное электрическое поле приводит к асимметрии перемещающихся зарядов (или в ориентации диполей), вследствие чего и возникает электрический дипольный момент, т.е. поляризация.

Наибольшее перемещение связанных зарядов происходит в случае миграционной поляризации, обычной для неоднородных диэлектриков. Накопление электрических зарядов на неоднородностях приводит к объемно зарядной поляризации. Миграционная поляризация уже не может быть отнесена к микроскопическим механизмам появления электрического момента.

Поляризацию можно определить через микроскопические параметры поляризованного диэлектрика: электрический момент единицы объема диэлектрика:

, (3.1)

где −локальное поле, действующее на частицу; n − концентрация частиц, участвующих в поляризации; α − поляризуемость частицы.

Ситуация значительно облегчается для ионных кристаллахов типа с небольшим значением в локальное поле равно среднему макроскопическому полю . Тогда упругая поляризация ионного кристалла может быть представлена в виде

, (3.2)

где ( − ионная поляризуемость, и − электронные поляризуемости разноименных ионов.

Для установления связи между макроскопическими и микроскопическими параметрами поляризации необходимо вычислить локальное поле ( ). В простейшем случае для изотропных диэлектриков при отсутствии взаимодействия частиц, участвующих в поляризации, локальное поле, как показал Лорентц, может быть выражено следующим образом:

. (3.3)

Тогда

(3.4)

Исходя из (3. 1) и (3. 3), получаем уравнение Клаузиуса−Мосотти:

(3.5,а)

Если имеется несколько видов поляризующихся частиц, то

(3.5,б)