54. Диэлектрики. Поляризация диэлектриков

В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов (носителей заряда), всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные – в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные - в обратном направлении. В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный (наведенный) электрический момент dр. Образование индуцированного электрического момента в диэлектрике представляет собой явление поляризации. Количественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

Р = dV/dр. (5.0)

Поляризованность – векторная величина, ее направление совпадает с направлением электрического момента - от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в Кл·м, а объем в м³, то формула (5.1) дает единицу модуля поляризации - кулон на квадратный метр (Кл/м²).

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствие поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков появляется под действием механических напряжений.

Электронная поляризация. При приложении напряжения в диэлектрике создается электрическое поле с напряженностью Е, силы которого действуют на атомы диэлектрика. Под действием этих сил электроны в каждом из атомов смещаются относительно своего ядра в сторону положительного электрода (рис. 25).

Это упругое смешение электронов происходит во всех атомах данного диэлектрика. Смещенные электроны образуют с положительными зарядами ядер атомов пары связанных друг с другом электрических зарядов, которые называются диполями. Образование упругих диполей в диэлектрике происходит мгновенно (в течение 10^-15-10^-16 с). Также мгновенно упругие диполи исчезают, если с диэлектрика снять напряжение.

Электронная поляризация - это упругое смещение электронных оболочек относительно ядра в атомах диэлектрика (рис. 26). Электронная поляризация протекает во всех диэлектриках без исключения. Мгновенное смещение электронов в диэлектрике и образование упругих диполей внешне проявляет себя в виде тока смещения в диэлектрике.

У ионных кристаллических диэлектриков (слюда, электрокерамика) наряду с электронной поляризацией имеет место ионная поляризация, представляющая собой упругое смещение ионов с мест своего закрепления (на расстояние, меньшее периода кристаллической решетки). Ионная поляризация устанавливается за время 10^‑13-10^-14 с. Ионная поляризация больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т.е. являются многовалентными (рис. 27).

Смещению ионов под действием поля препятствуют упругие силы химической связи. В состоянии равновесия

qЕ = k_УПРх, ( 5.0)

где k_УПР - коэффициент упругой связи, х - смещение ионов, обусловленное внешним электрическим полем. Смещение двух разноименно заряженных ионов приводит к появлению элементарного электрического момента:

р_И =qх =q²Е/k_УПР. (5.0)

Сумма всех таких элементарных моментов, приходящихся на единицу объема, определяет ионный вклад в поляризованность диэлектрика.

Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков, т.е. для диэлектриков, у которых молекула даже в отсутствии внешнего электрического поля будет представлять собой электрический диполь с отличным нуля постоянным электрическим моментом р_П = ql, где q - суммарный положительный (или численно равный ему суммарный отрицательный) заряд молекулы; l - расстояние между суммарными зарядами, т.е. плечо диполя. Сущность дипольной поляризации заключается в повороте (ориентации) направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент. Более строго дипольную поляризацию можно объяснить не как непосредственный поворот полярных молекул под действием внешнего электрического поля, а как внесение этим полем некоторой упорядоченности положение полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения (рис.27).

Процесс установления дипольной поляризации после включения диэлектрика под напряжение (или процесс ее ликвидации после снятия напряжения) требует относительно большого по сравнению с практически безинерционными явлениями электронной и ионной поляризацией времени. Поляризованность Р_Д дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

Р_Д=Р_Д(0)ехр(-t/). (5.0)

Постоянную времени этого процесса  называют временем релаксации. Если период приложенного переменного напряжения меньше , то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем и дипольная поляризация не дает вклада в поляризованность диэлектрика. Так как  обычно имеет порядок 10^-6-10^-10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах ниже 10⁶ - 10¹⁰ Гц. При понижении температуры  сильно возрастает.

Миграционная поляризация - эта поляризация наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. В диэлектриках с полупроводящими включениями этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела. Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.

Спонтанная поляризация — протекает у особого вида диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация - это поляризация, возникающая под влиянием внутренних процессов в диэлектрике, без внешних воздействий. Внутри сегнетоэлектриков имеются области (домены) со слабо связанными диполями. В каждом из доменов электрические моменты диполей направлены одинаково, но в разных доменах моменты диполей направлены противоположно. Поэтому электрические моменты твердых диполей взаимно уравновешены и общий электрический момент сегнетоэлектрика равен нулю. Если к сегнетоэлектрику приложить малое напряжение, в нем создается эффект очень сильной поляризации. Под действием электрических сил слабосвязанные диполи начнут переориентироваться и через некоторый промежуток времени происходит переориентация вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля.

Наряду с этим в сегнетоэлектрике протекают процессы ионной и электронной поляризации.

Диапазон значений  различных диэлектриков составляет шесть порядков. Самую низкую  имеет вакуум, для которого она равна единице. Относительная диэлектрическая проницаемость для всех диэлектрических материалов больше единицы.

Относительную диэлектрическую проницаемость, близкую к единице, имеют газообразные диэлектрики. Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных жидких диэлектриков лежит обычно в диапазоне от 1,8 до 2,2. Неполярные твердые материалы имеют относительную диэлектрическую проницаемость от 1,9 до 2,3.

Относительная диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков лежит в диапазоне от 3 до нескольких десятков и сильно зависит от температуры и частоты переменного поля.

Различные виды аморфных и кристаллических ионных материалов имеют относительную диэлектрическую проницаемость от 10 до 1000.

Наибольшие известные значения относительной диэлектрической проницаемости (порядка 105 - 106 ) имеют некоторые сегнетоэлектрические материалы при температуре вблизи сегнетоэлектрической точки Кюри.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью  = С_Д/С₀ , где С_Д - емкость конденсатора с данным диэлектриком; С₀ - емкость того же конденсатора в вакууме (т.е. геометрическая емкость между электродами).

Для большинства диэлектриков в слабых электрических полях поляризованность пропорциональна напряженности поля

Р = ₀( -1)Е = ₀χЕ , (5.0)

где  = 1 + χ (5.0)

χ - диэлектрическая восприимчивость;

₀= 8,85·10^-12 Ф/м — электрическая постоянная.

Диэлектрическую проницаемость сложных диэлектриков, представляющих собой смесь химически невзаимодействующих друг с другом компонентов с различными диэлектрическими проницаемостями, можно в первом приближении (при не слишком большом различии  компонентов) определить на основании уравнения Лихтенеккера, с помощью которого в общем случае рассчитывают самые различные свойства (например, теплопроводность, показатель преломления и др.);

^Х = Q₁₁^X + Q₂₂^X (5.0)

где , ₁, ₂ – соответственно относительные диэлектрические проницаемости смеси и отдельных компонентов; Q₁ и Q₂ объемные проницаемости смеси и отдельных компонентов; Q₁ + Q₂ = 1; х — величина, характеризующая распределение компонентов и принимающая значения от +1 до -1.

При параллельном включении компонентов х = +1 и выражение (5.7) имеет вид:

 = Q₁₁ + Q₂₂. (5.0)

При последовательном включении компонентов, когда х = –1:

Если оба компонента распределены хаотически (что имеет место в ряде интересующих нас технических диэлектриков, например, в керамике), то после преобразования (у=а^Х; у'=а^lnХ) уравнения Лихтенеккера и подстановки х=0, получим

ln =Q₁·ln(₁) + Q₂·ln(₂)

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости сложного диэлектрика определяют дифференцированием уравнения (5.10) по температуре:

Влияние внешних факторов на диэлектрическую проницаемость. У неполярных диэлектриков температура на процесс поляризации непосредственно не влияет. Электронная поляризуемость молекулы от температуры не зависит. Однако вследствие теплового расширения вещества количество поляризующихся молекул в единице объема уменьшается и при повышении температуры  должна уменьшаться (рис. 29 а,б), т.е. температурный коэффициент диэлектрической проницаемости отрицателен.

Резкое изменение  на графике (а) для кристаллического диэлектрика – парафина – объясняется резко выраженным фазовым переходом твердое-жидкость, связанным со скачкообразным изменением объема и плотности. У большинства твердых ионных диэлектриков (кристаллы, стекла, керамические материалы и др.)  при росте температуры увеличивается (рис. 29,г), что связано с ростом ионной поляризуемости. Исключением являются вещества с высокой -рутил, перовскит и др., у которых температурный коэффициент диэлектрической проницаемости отрицательный. У полярных диэлектриков в области низких температур ориентация диполей обычно невозможна, т.к. t очень велико. При повышении температуры  уменьшается и появляется дипольная поляризация, что обусловливает значительное увеличение . Однако при дальнейшем росте температуры начинает влиять усиление хаотических колебаний молекул и соответственно уменьшается вероятность упорядоченности их ориентации; это приводит к тому, что в зависимости (Т) появляется типичный дипольный максимум (рис. 29,в).

Как правило,  линейных диэлектриков при увеличении действующего на диэлектрик давления возрастает, так как при всестороннем сжатии растет плотность и, следовательно, число способных поляризоваться молекул в единице объема вещества.

У гигроскопических диэлектриков  обычно заметно увеличивается при увлажнении. Упрощенно это можно объяснить сравнительно высоким значением  воды.