3.1.5 Электронная поляризация

Электронная поляризация возникает в результате смещения электронных облаков относительно центра ядер атомов или ионов под действием электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектриках, а в неполярных материалах является единственным видом поляризации. Происходит электронная поляризация практически мгновенно—за время 10^-14-10^-16с. После выключения электрического поля энергия, затраченная на поляризацию, возвращается источнику электрической энергии, так как деформированные оболочки атомов и ионов возвращаются в прежнее положение. Таким образом, эта поляризация происходит без потерь энергии. Вместе с ионной поляризацией она составляет группу “упругих” или быстрых видов поляризаций.

Электрический момент, приходящийся на одну частицу (атом, ион) для не слишком больших полей, пропорционален напряженности поля

Р=Аэ·Е(3.1.7)

Коэффициент Аэ называется электронной поляризуемостью.Для многих диэлектриков, таких как газы, неполярные жидкости можно легко установить взаимосвязь между макроскопическим параметром диэлектрической проницаемостью -ε и микроскопическим параметром - поляризуемостью Аэ, используя, приведенные в разделе “Поляризация” формулыр=n·Аэ·Е=εо(ε-1)·Е,откуда

ε=1+n·Аэ/εо, (3.1.8)

Аэ частиц от температуры не зависит, но диэлектрическая проницаемость, как видно из последней формулы, зависит от числа частиц в единице объема n,которое уменьшается с повышением температуры из-за теплового расширения диэлектрика.

В температурной зависимости εнеполярных диэлектриков резкое уменьшениеε с температурой наблюдается при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое-из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное. Диэлектрическая проницаемость εнеполярных диэлектриков близка к квадрату коэффициента лучепреломления диэлектрика (следствие уравнения Максвелла)ε=n². Так как время установления поляризации у таких диэлектриков очень мало, ихεне зависит от частоты вплоть до очень высоких частот, порядка 10¹⁴-10¹⁶Гц. При таких частотах будет наблюдаться резонансная поляризация.

3.1.6 Ионная поляризация

Ионная поляризация наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время установления ионной поляризации весьма мало, всего на 2-3 порядка больше электронной поляризации. Соотношение ε=n²для веществ с ионной поляризацией не соблюдается.

Зависимость εот температуры у твердых ионных линейных диэлектриков с ростом температуры может быть различной. У большинства ионных диэлектриков с ростом температурыεувеличивается, так как при этом уменьшается коэффициент упругой связи между ионами и расстояние между ними увеличивается при тепловом расширении материала. Если обозначим через Купр. — коэффициент упругой связи, а черезхсмещение ионов, то в состоянии равновесияqЕ=Купр·dх,а элементарный электрический момент пары, состоящей из двух разноименно заряженных ионов Ри=q·dх=q²·Е/Купр и

Аи=q²/Купр. (3.1.9)

Тогда поляризованность единицы объема Ри будет равна сумме всех элементарных моментов, εувеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы. Но у некоторых веществ иεс большим внутренним полем электронная поляризация преобладает над ионной, как например у рутила TiО₃и перовскита СаТiO₃, с ростом температуры уменьшается.

Если диэлектрик характеризуется не только электронной, но и ионной поляризацией, то общая поляризуемость (деформационная) будет равна сумме электронной и ионной поляризуемости А=Аэ+Аи. Наличие второго слагаемого приводит к тому, что А ионных диэлектриков больше, чем у неполярных веществ. Более высокие значения εнаблюдается у ионных диэлектриков, содержащих многовалентные ионы. В таких веществах ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, что обусловливает большую ионную поляризуемость.