10. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации

Поляризация — процесс ограниченного смещения связанных электрических зарядов под действием электрического поля, при этом электрический момент диэлектрика становится не равным нулю. Количественной характеристикой интенсивности процесса поляризации служит дипольный момент единицы объема диэлектрика, который называется поляризованностью. В технике, рассматривая способность диэлектриков к поляризации, используют относительную диэлектрическую проницаемость ε. Относительная диэлектрическая проницаемость не является постоянной величиной и зависит от многих факторов, основными среди которых является частота электрического поля и температура.В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектрика существуют упругие виды поляризаций, не связанных с тепловым движением, и неупругие виды поляризаций, связанных с тепловым движением атомных частиц. Различают пять основных видов поляризации: электронная, ионная, дипольная, спонтанная и миграционная. Электронная поляризация — упругое смещение электронов в атомах и ионах под действием электрического поля. Этот вид поляризации присущ абсолютно всем диэлектрикам (так как у них всех в составе есть электроны) и является единственным видом поляризации для неполярных диэлектриков, у которых ε = 2 – 2,5. Исключительно электронную поляризацию имеют кислород, водород, азот, многие нефтяные масла и ряд синтетических жидких углеводородов. Из твердых веществ сюда можно отнести: полиэтилен, полипропилен, фторопласт-4 и другие. Время установления этого вида поляризации составляет 10^{- 16} – 10^{- 17} с, поэтому его называют мгновенным. Процесс электронной поляризации не сопровождается потерями энергии на преодоление сил внутреннего трения в веществе. Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты электрического поля, вплоть до резонансной (10¹⁶ – 10¹⁷ Гц) (рис. 4.1, а). При росте температуры величина ε уменьшается из-за уменьшения плотности вещества, для неполярных полимеров наблюдается резкий скачок при температуре плавления. Ионная поляризация — процесс смещения ионов в узлах кристаллической решетки диэлектрика с плотной ионной упаковкой. Время установления этого процесса (10^{- 12} – 10^{- 13} с) меньше, чем у замедленных видов поляризации, но больше, чем у электронной поляризации, так как ионы значительно больше по размерам, чем электроны. Этот вид поляризации также относится к мгновенной поляризации. Относительная диэлектрическая проницаемость веществ, характеризующихся ионной поляризацией, также не зависит от частоты вплоть до резонансной. При росте температуры величина ε обычно возрастает, так как из-за уменьшения величины силы упругих связей увеличивается подвижность ионов, однако если ионная поляризация в веществе по своей значимости уступает электронной, то зависимость ε от температуры может иметь спадающий характер. Примером веществ с этим видом поляризации являются различные виды керамических материалов, а также слюда (ε = 4 – 30). Ионная поляризация также, как и электронная не сопровождается потерями энергии в диэлектрике. Дипольная поляризация (неупругая) обусловлена смещением (ориентацией) полярных молекул и радикалов молекул, имеющих электрические моменты, под действием внешнего электрического поля. Этот вид поляризации относится к замедленным видам или релаксационным и устанавливается за время равное 10^{- 6} – 10^{- 8} с. Дипольная поляризация сопровождается потерями энергии на преодоление сил внутреннего трения в веществе, в результате этого диэлектрик нагревается. Примерами веществ с таким типом поляризации являются полярные диэлектрики, например, такие, как касторовое масло, целлюлозные диэлектрики, полиэтилентерефталат (лавсан), поливинилхлорид (ПВХ) и другие с ε = 3,5 – 7. Для полярных диэлектриков до частоты равной 10⁶ – 10⁸ Гц величина ε практически не меняется, но когда период изменения внешнего электрического поля становится соизмеримым со временем установления дипольной поляризации, диэлектрическая проницаемость уменьшается до значения соответствующего электронной поляризации. С ростом температуры вязкость вещества падает, следовательно, подвижность диполей, сегментов и радикалов увеличивается и ε возрастает, но при достижении определенной температуры Т*, тепловое движение будет настолько велико, что оно станет мешать ориентации диполей по направлению поля и ε постепенно станет уменьшаться. Спонтанная поляризация присуща сегнетоэлектрикам, величина ε, может достигать 10000 и более. С ростом температуры относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков растет вплоть до температуры Кюри (Т_к), после достижения, которой ε резко падает. Миграционная поляризация связана с продвижением зарядов на расстояние, близкое к толщине диэлектрического слоя, она присуща веществам с неоднородной структурой (слоистые пластики и слюдосодержащие диэлектрики). В массивных диэлектриках движутся ионы, которые поочередно захватываются в объеме диэлектрика и образуют объемный заряд. Произведение среднего значения этого заряда на расстояние, близкое к толщине диэлектрического слоя, создает электрический момент и дополнительный вклад в величину относительной диэлектрической проницаемости. Таким образом, суть миграционной поляризации заключается в том, что происходит накопление электрического заряда на границе раздела веществ с различными диэлектрическими свойствами.