3. Виды поляризации диэлектриков
Различают десять видов поляризации. Они делятся на две основные группы:
1) мгновенная поляризация, которая происходит в диэлектрике практически мгновенно (10-13 – 10-15 с) и без выделения теплоты;
2) релаксационная поляризация, которая происходит замедленно во времени и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике.
К первой группе относятся электронная и ионная поляризация, а все другие – ко второй.
1.
Электронная поляризация представляет
собой упругий сдвиг и деформацию
электронных оболочек атомов к ионам,
характерна для всех диэлектриков и
несвязанна с потерями энергии. Время
поляризации: ~10-15
с. После снятия электрического поля
электронная поляризация исчезает. Так
как поляризация определяется упругой
деформацией электронных оболочек
атомов, то она не должна зависеть от
температуры. Однако из-за расширения
тела при нагревании электрический
момент единицы объема вещества
у
меньшается.
Поэтому диэлектрическая проницаемость
диэлектриков с электронным видом
поляризации с повышением температуры
уменьшается практически линейно.
Поскольку время релаксации меньше 10-15
с, диэлектрическая проницаемость от
частоты практически не зависит.
2. Ионная поляризация характерна для твердых диэлектриков с ионным строением и обусловлена упругим сдвигом ионов на расстояния, которые не превышают параметр кристаллической решетки. Время поляризации: ~10-13 с. С повышением температуры поляризация усиливается в результате ослабления упругих сил, которые действуют между ионами (рис.1.3). От частоты электрического поля практически не зависит, поэтому диэлектрики с мгновенным видом поляризации широко применяются при высоких частотах.
3. Дипольно-релаксационная поляризация обусловлена поворотом (ориентацией) дипольных молекул в направлении электрического поля и связанна с тепловым движением частиц. С повышением температуры дипольно-релаксационная поляризация возрастает до тех пор, пока ослабление молекулярных сил не окажется сильнее, чем рост хаотичного теплового движения молекул (рис.1.4) .Потом, когда хаотическое движение становится интенсивнее и начинает преобладать над ориентацией молекул, дипольно-релаксационная поляризация уменьшается. Эта поляризация характерна для полярных газов и жидкостей. Кроме того, она наблюдается в твердых полярных диэлектриках. В этом случае она обусловлена поворотом полярных радикалов. Время поляризации - 10-2...10-8 с и поэтому ε зависит от частоты (рис.1.5). Пока частота электрического поля мала, 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. По этой причине полярные диэлектрики не рекомендуется использовать на высоких частотах.
4. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена избыточным локальным перебросом ионов вещества, которые находятся под влиянием внешнего электрического поля, среди хаотичных тепловых перебросов ионов. Наблюдается в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов. Носит замедленный характер. Зависимость от температуры подобна ионной поляризации (см.рис.1.4), а зависимость от частоты - 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 внутренним полем и электронной электрической проводимостью (керамика на основе оксидов титана). Имеет высокое значение диэлектрической проницаемости (50...5000).
6. Упруго-дипольная поляризация наблюдается в дипольных молекулах, закрепленных одним концом и которые ограниченно вращаются на небольшой угол.
7. Структурная поляризация проявляется в твердых телах неоднородной структуры с микроскопическими примесями и неоднородностями при низких частотах и связана со значительным выделением теплоты (слоистые миканиты, микалексы).
8. Поляризация ядерного смещения возникает в результате смещения ядер атомов в сильных электрических полях.
9. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация обусловлена наличием в веществе доменов, которые обладают электрическим моментом в отсутствие электрического поля, но которые имеют разную ориентацию. Наложение поля содействует их преобладающей ориентации, которая дает эффект очень сильной поляризации. В отличие от других видов спонтанная поляризация не линейно зависит от величины электрического поля. Характерна для сегнетоэлектриков.
10. Остаточная поляризация присуща электретам и наблюдается в течение продолжительного времени после снятия электрического поля. Сильно зависит от напряженности электрического поля и температуры. Материалы с такой поляризацией нашли применение в электрофотографии и топливных элементах.