4. Основные виды поляризации диэлектриков.

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии

электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. Различают два вида поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без выделения энергии рассеяния, т.е. без выделения тепла, за время 10^-15 – 10^-13 с; поляризация не совершается мгновенно, а нарастает или убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревает - это релаксационная поляризация за время от 10^-8 до 10² с. К первому виду относятся электронная и ионная поляризации.

Электронная поляризация (C_э, Q_э) – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за время 10^-15 с. Наблюдается такая поляризация для всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показа-

теля преломления света n².

Ионная поляризация (C_и, Q_и) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10^-13 с. С повышением температуры смещение усиливается и в результате ослабления упругих сил между ионами, а температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным. Ко второму виду относят все релаксационные поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация (C_др, r_др, Q_др) связана с тепловым движением диполей при полярной связи между молекулами. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, выделения энергии в виде тепла (r_др). Время релаксации здесь порядка 10^-8 – 10^-6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченость ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация (C_ир, r _ир, Q _ир) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений получают избыточные набросы в направлении поля и смещаются по силовой линии его. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации, энергия активации и частота собственных колебаний происходит в течение 10^-6 – 10^-4с и связано законом где f – частота собственных колебаний частиц; ϖ - энергия активации; k –постоянная Больцмана (8,63·10^-5 ЭВ/град); T – абсолютная температура по К⁰.

Электронно - релаксационная поляризация (C_эр, r_эр, Q_эр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10^-8 – 10^-6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, Са⁺², Ва⁺², ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах наличие максимума в температурной зависимости ε (диэлектрической проницаемости). ε для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты.

Структурные поляризации различают: Миграционная поляризация (C_м, r_м, Q_м) протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 10² с.Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации.

Для сегнетоэлектриков различают спонтанную или самопроизвольную поляризацию,(C_сп, r_сп, Q_сп), когда идет значительное рассеяние энергии или выделение тепла за счет доменов (отдельные области, вращающихся электронных оболочек), смещающихся в электрическом поле, т. е. еще в отсутствии электрического поля в веществе есть электрические моменты, а при некоторой напряженности внешнего поля наступает насыщение и наблюдается возрастание поляризации.