1.2 Механизмы поляризации

1.2.1 Мгновенные виды поляризации

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением и уменьшением числа частиц в единице объема. Кривая зависимости  от температуры подобна кривой изменения плотности, резкие снижения наблюдаются при агрегатных переходах (рисунок 1.1).

Электронная поляризация, очевидно, наблюдается во всех веществах. В ряде диэлектриков наблюдается только этот вид поляризации: полиэтилен, полистирол, фторопласт, сера и др.

Ионная поляризация обусловлена смещением упруго-связанных ионов на расстояние существенно меньше постоянной решетки. На заряд q в поле напряженностью Е действует сила F = q Е. При смещении заряда на расстояние x возникает возвращающая упругая сила F_упр = k_упрx, где k_упр – коэффициент упругой связи. В состоянии равновесия F=F_упр или q Е = k_упрx. При повышении температуры диэлектрик расширяется, увеличивается расстояние между атомами, коэффициент упругой связи уменьшается, поэтому ионы под действием поля смещаются на большее расстояние и диэлектрическая проницаемость увеличивается.

Ионная поляризация наблюдается в ионных кристаллах, неорганических стеклах, керамиках.

1.2.2 Замедленные виды поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация обусловлена частичной ориентацией под действием поля дипольных молекул, находящихся в тепловом хаотическом движении.

У полярных диэлектриков в области низких температур ориентация молекул в большинстве случаев невозможна. При повышении температуры вязкость уменьшается, и возможность ориентации диполей облегчается, что приводит к возрастанию диэлектрической проницаемости. Однако при дальнейшем росте температуры сказывается усиление тепловых колебаний молекул, что уменьшает степень упорядоченности их ориентации. Это приводит к тому, что кривая зависимости  от температуры имеет максимум, а в дальнейшем снижается. Максимум может быть выражен не резко для некоторых материалов, представляющих смесь различных химических веществ.

Дипольно-релаксационная поляризация характерна для капрона, феноло-формальдегидных смол, эпоксидных компаундов, хлорированных углеводородов, кремнийорганических соединений и др.

Ионно-релаксационная поляризация обусловлена тем, что слабосвязанные ионы под действием внешнего поля среди хаотических тепловых перебросов совершают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости на рисунке 1 приведена только для твердых диэлектриков, так как в расплавленном состоянии соединения становятся проводниками с электролитической электропроводностью и для большинства материалов максимума в температурной зависимости диэлектрической проницаемости экспериментально не обнаружено.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с неплотной упаковкой атомов, например в неорганических стеклах, керамиках, кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой частиц в решетке.

Электронно-релаксационная возникает за счет возбуждения тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов и дырок. На температурной зависимости диэлектрической проницаемости имеется максимум.

Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках с проводящими и полупроводящими включениями, в слоистых диэлектриках имеющих слои с различной проводимостью.

При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, которое становится подобным огромной поляризованной молекуле. В граничных слоях слоистых материалов и приэлектродных слоях может быть накоплен заряд медленно движущихся ионов. Эта поляризация выключается при наиболее низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии.

Спонтанная поляризация свойственна сегнетоэлектрикам, которые являются нелинейными диэлектриками.

В нелинейных диэлектриках зависимость поляризованности и электрического смещения от напряженности поля имеет вид петли гистерезиса, а зависимость диэлектрической проницаемости имеется максимум (рисунок 1.2б) .В линейных диэлектриках зависимость поляризованности и электрического смещения от напряженности поля – линейная, а диэлектрическая проницаемость не зависит от напряженности поля (рисунок 1.2а).

Диэлектрики с замедленными видами поляризации опасно использовать на высоких частотах из-за разогрева материала.