Механизмы поляризации диэлектриков
Сl-
Na+
E = 0
Na+
Сl-
E ≠ 0
электронная
ионная
(рисунок в тетради)
Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов, время установление электронной поляризации ничтожно мало, около 10-15сек. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связано с потерей энергии и не зависит от температуры.
Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго-связанных ионов на небольшое расстояние в сравнении с параметром решетки. С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил действующих между ионами и из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении. Время установления ионной поляризации около 10-13сек.
Дипольная поляризация отличается от электронной и ионной, тем, что она связанна с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотичном тепловом движении частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не препятствуют диполям ориентироваться. С увеличением температуры молекулярные силы ослабевают, вязкость вещества понижается, что усиливает дипольную поляризацию. Однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля, поэтому с увеличением температуры дипольная поляризация сначала возрастает, а затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, дипольная поляризация начинает падать. Промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после его снятия вследствие теплового движения уменьшится в 2.7 раза по сравнению с первоначальным значением, называют временем релаксации.
Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических стеклах и некоторых ионных, кристаллических, неорганических веществах с неплотной упаковкой. В этом случае ионы вещества под действием внешнего электрического поля среди хаотического теплового движения смещаются в направлении поля. После снятия электрического поля ионно-релаксационная поляризация постепенно ослабевает, а с повышением температуры заметно увеличивается.
Электронно-релаксационная поляризация характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, с электронной электропроводностью, например: титана содержащей керамики.
Миграционная поляризация – поляризация, проявляющаяся в твердых телах неоднородной структуры и наличие примесей. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, а также наличие слоев с различной проводимостью. Чтобы избежать потерь, связанных с миграционной поляризацией, надо обращать внимание на отсутствие в материале пор, механических включений и примесей и прежде всего, легко подвижных ионов натрия. Анализируя пригодность, какого либо диэлектрика для тех или иных целей необходимо, прежде всего, представить себе, насколько он полярен. Строго неполярных диэлектриков практически не существует, такими можно считать лишь алмаз, имеющий диэлектрическую проницаемость 5.68. Очень слабо полярными являются многие высококачественные полимеры, сильно полярными диэлектриками являются вода, масла. При повышении частоты значение Е уменьшается, а зависимость ее от частоты, называется диэлектрической дисперсией, при этом сначала исчезает миграционная, затем дипольная поляризация, а затем на частотах инфракрасного диапазона и ионная поляризация, поэтому в радиотехнике всегда указывается на какой частоте измерения проницаемость. В полупроводниках германия, кремния, GaAs (арсениде галлия) Е от 10-15, которая уменьшается по мере уменьшения частоты. Большие значения Е обусловлены малой шириной запрещенной зоны. Если запрещенная зона вовсе отсутствует, то Е ->∞.
Спонтанная поляризация. Пира и сегнетоэлектрики. Спонтанная самопроизвольная поляризация проявляется, без каких либо внешних воздействий. Вещества самопроизвольной поляризации имеют отдельной области домены, обладающие моментом в отсутствии внешнего поля, однако, при этом ориентация электрических моментов в разных доменах разная. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение и дальнейшее усиление поля уже не вызывает увеличение поляризации, поэтому, диэлектрическая проницаемость при спонтанной поляризации зависит от напряженности электрического поля. В температурой зависимости наблюдается один или несколько максимумов. В переменных материалы самопроизвольной поляризации характеризуются значительным рассеянием энергии, т.е. выделением тепла.