3 Виды поляризации диэлектрика

Различают десять видов поляризации. Они разделяются на две основные группы:

- мгновенная поляризация, которая проходит в диэлектрике за короткое время и без потерь энергии;

- релаксационная поляризация, которая проходит замедленно во времени и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике.

К первой группе принадлежат электронная и ионная поляризации, а ко второй - остальные.

1.Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов, характерна для любых диэлектриков и не связана с потерями энергии. Длительность поляризации ~ 10^-15 с. Если прекратить влияние электрического поля, электронная поляризация исчезнет. Поскольку поляризация отражается упругой деформацией электронных оболочек атомов, то она не должна зависеть от температуры. Однако из-за расширения тела при нагревании электрический момент единицы объема вещества уменьшается. Поэтому диэлектрическая проницаемость диэлектрика с электронным видом поляризации с повышением температуры уменьшается почти линейно (рис.1.3). Поскольку длительность релаксации меньше чем 10^-15 с, диэлектрическая проницаемость от частоты практически не зависит.

2. Ионная поляризация характерна для твердых диэлектриков с ионным строением и обусловлена упругим смещением ионов на расстояния меньше чем параметр кристаллической решетки. Длительность поляризации – приблизительно 10^-13 с. С повышением температуры поляризация усиливается из-за ослабления упругих сил, которые действуют между ионами (рис. 1.3). От частоты электрического поля поляризация практически не зависит, поэтому диэлектрики с мгновенным видом поляризации широко используется при высоких частотах.

3. Дипольно-релаксационная поляризация обусловлена вращением (ориентацией) дипольных молекул в направлении электрического поля и связана с тепловым движением частиц. С повышением температуры дипольно-релаксационная поляризация растет до тех пор, пока ослабление молекулярных сил не будет больше, чем рост хаотического теплового движения молекул (рис.1.4). Когда хаотическое перемещение становится интенсивнее и начинает преобладать над ориентацией молекул, дипольно-релаксационная поляризация уменьшается. Эта поляризация характерна для полярных твердых тел и жидкостей. Кроме того, она наблюдается в твердых полярных диэлектриках. В этом случае она обусловлена вращением полярных радикалов. Длительность поляризации 10^-2...10^-8 с и поэтому ε зависит от частоты (рис.1.5). Пока частота электрического поля небольшая, диполи успевают следовать за изменением электрического поля и диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты. Однако, при высоких частотах, диполи не успевают следовать за изменением электрического поля и диэлектрическая проницаемость уменьшается. Вследствие этого полярные диэлектрики не рекомендуется использовать на высоких частотах.

4. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена избыточным локальным перемещением ионов вещества, которые находятся под воздействием внешнего электрического поля, среди хаотических тепловых перебросов ионов, с последующим их закреплением в местах локальных неоднородностей. Наблюдается в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов. Носит замедленный характер. Зависимость от температуры подобна ионной поляризации, но нелинейная (см. рис.1.4), а зависимость от частоты подобна дипольно-релаксационной поляризации (см. рис.1.5).

5. Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных, “дефектных” электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с большим собственным полем и электронной проводимостью (керамика на основе окислов титана). Имеет высокое значение диэлектрической проницаемости (50...500).

6. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация обусловлена наличием в веществе макроскопических областей - доменов, которые имеют собственный электрический момент, даже при отсутствии электрического поля, но имеют разную ориентацию собственного электрического момента. Наложение поля способствует их преимущественной ориентации, что дает эффект очень сильной поляризации. В отличие от других видов спонтанная поляризация нелинейно зависит от величины электрического поля и температуры. Характерна для сегнетоэлектриков.

В некоторых диэлектриках спонтанная поляризация длится длительное время после снятия электрического поля. Такие диэлектрики называются электретами. Материалы с такой поляризацией используются в электрофотографии и топливных элементах.