Поляризация диэлектриков

Поляризация диэлектриков — ограниченное смещение связанных зарядов или ориентации дипольных молекул. В результат процесса поляризации на поверхностях диэлектрика образуются заряды разных знаков. Большинство диэлектриков характеризуются линейной зависимостью электрического смещения от величины напряженности электрического поля, созданного в диэлектрике.

Сегнетоэлектрики — диэлектрики, в которых смещение напряженности поля величина смещения меняется нелинейно, обнаруживается насыщение при некотором значении напряженности поля.

Одной из важнейших характеристик диэлектрика, имеющий особое значение для техники является его относительная диэлектрическая проницаемость :

Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, изготовленном из данного диэлектрика, к заряду , который может получиться в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум.

Из выражения следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и бывает равной единице только в случае вакуума.

Видно, что диэлектрическую проницаемость вещества можно определить как отношение емкости конденсатора с диэлектриками из данного вещества и емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум.

Первый вид — поляризация, совершающаяся в диэлектрики под воздействием электрического поля практически мгновенно, вполне упруго, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла.

Второй вид — не совершается мгновенно, а нарастает и убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией.

К первому виду относятся электронная и ионная, остальные механизмы поляризации принадлежат к релаксационной поляризации.

Особым механизмом поляризации являются резонансная, наблюдающаяся в диэлектриках при световых частотах, а потому мало существенная для практической электроники.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение к деформации электронных оболочек атомов и ионов. Время установления очень мало (около ) поэтому называют мгновенным.

Поляризуемость частицы не зависит от температуры, однако электронная поляризация вещества уменьшается с повышением температуры, в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единицы объема. Изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика с электронной поляризацией при изменении температуры обуславливается только изменением его плотности.

Электронная поляризация наблюдается для всех видов диэлектриков и не связанна с потерей энергии.

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго связанных ионов. С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении, и в большинстве случаев температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков остается положительным.

Дипольно-релаксационная поляризация связанна с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации.

Эта поляризация связанна с потерей энергии. В вязких жидкостях сопротивление поворотам молекул настолько велико, что при быстропеременных полях диполи не успевают ориентироваться в направлении поля и дипольно-релаксационная поляризация уменьшается с увеличением частоты приложенного напряжения.

Время релаксации — промежуток времени в течение которого упорядоченность ориентируемых полем ионов или диполей, после снятия поля уменьшается, вследствие, наличия теплового движения в 2,7 раза от первоначального значения.

Дипольно-релаксационная поляризация свойственна полярным газам и жидкостям; этот вид поляризации может наблюдаться также и в твердых полярных органических веществах, но в этом случае, поляризация обычно обусловлена уже не поворотом самой молекулы, а поворотом имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такой вид поляризации называется также дипольно-релаксационной поляризацией.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических стеклах и в кристаллах с неплотной упаковкой ионов. Величина ионно-релаксационной поляризации с температурой возрастает.