5. 1. 1. Виды поляризации
Так как в любом материале, а значит и в диэлектрике, имеется большое количество различных связанных между собой противоположных зарядов (электронов, протонов, ионов, диполей и т. п.), то существует много видов поляризации: дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, спонтанная, электронная, высоковольтная, резонансная и др.
Для сокращения сгруппируем все эти виды в три основных типа поляризаций:
электронный (безынерционный);
дипольно-релаксационный (инерционный);
спонтанный (самопроизвольный).
А. Электронный тип поляризации происходит мгновенно (τ ≈ 10-13…10-15с), упруго, без потерь и линейно. Если рассматривать поведение Q от величины U за один цикл измерения переменного поля рис. 5.2, для атома водорода рис. 5. 3, а, то это будет прямая, проходящая через начало координат рис. 5. 3, б.
а б
Рис. 5. 2 Рис. 5. 3
Б. Дипольно-релаксационный тип поляризации связан с разворотом (смещением) диполей (молекул, ионов) рис. 5.4, а, и характерен для полярных диэлектриков. При этом поляризация происходит не мгновенно, с потерями, не упруго, но линейно. Зависимость Q = f(U) представляет собой эллипс рис. 5. 4, б.
а) б)
Рис. 5. 4.
а) б)
Рис. 5. 5
В. Спонтанный или самопроизвольный тип поляризации характерен для диэлектриков, имеющих доменную структуру, например, сегнетоэлектрики и нелинейно, т. е. имеет место явление насыщения, когда все моменты доменов развернуться по полю, рис. 5. 5, а.
Зависимость заряда на поверхности сегнетоэлектрика от приложенного напряжения представляет собой петлю гистерезиса, рис. 5. 5, б.
Все материалы, имеющие доменную структуру, обладают высокой проницаемостью в поле, нелинейностью, т. е. ε = f(U), петлей гистерезиса и имеет точку Кюри – температуру, выше которой начинается перекристаллизация и исчезновение доменной структуры.
Обычно реальные диэлектрики обладают несколькими видами поляризации, но преобладающим является какой-то один из трех вышеперечисленных типов.
Нейтральным диэлектриком свойственен электронный тип поляризации. При этом диэлектрическая проницаемость их мала: например, у фторопласта-4 ε = 2,5, у парафина ε = 2,2.
Полярным ионным диэлектрикам свойственен дипольно-релаксационный тип поляризации, относительная диэлектрическая проницаемость их больше, чем у нейтральных: например, у гетинакса ε = 6…8, у полихлорвинила ε =5…7, у слюды ε = 6…7.
Сегнетоэлектрикам свойственен спонтанный тип поляризации, их относительная диэлектрическая проницаемость велика: сегнетова соль имеет ε = 3000…6000, титанат бария ε = 1700…3500.
5. 1. 2. Влияние различных факторов на поляризуемость диэлектрика
Поляризуемость диэлектрика изменяется от многих факторов: температуры, частоты поля и др. Зависимости ε от температуры и частоты поля для полярных диэлектриков показаны на рис. 5. 6 и 5. 7.
Рис. 5. 6 Рис. 5. 7
Когда на участке 1 (рис. 5.6) повышается температура, происходит ослабление сил связи между молекулами (ионами) и поляризуемость увеличивается; на участке 2, при уже значительном тепловом движении, поляризуемость уменьшается, т. к. хаотическое движение мешает направленному, вызываемому полем.
На рис. 5. 7 показано поведение диэлектрической проницаемости в зависимости от изменения частоты поля. На участке 1 диполи (молекулы, ионы) успевают следовать за полем (переполяризовываться) и ε не меняется. На участке 2, после граничной частоты, ε уменьшается за счет того, что диполи не успевают следовать за полем, их поляризация не мгновенная.
Явление поляризации в диэлектриках процесс объемный, т. е. смещение связанных противоположных зарядов происходит во всем объеме материала. Однако внешне это явление проявляется в виде накапливания заряда на поверхности диэлектрика. Так как диэлектрики обладают большим диэлектрическим сопротивлением по сравнению, например, с проводниками, то в них может накапливаться электрическая энергия, создаваться значительное электрическое поле.
Это свойство диэлектриков используется в электрических конденсаторах и других устройствах, например, в электретах.