4. Диэлектрики. Физические процессы и свойства

4.1. Поляризация диэлектриков

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объёма.

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную, существующую в отсутствие поля. Поляризация в некоторых случаях возникает и под действием механических напряжений.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной

диэлектрической проницаемостью

  C_д / C₀ ,

где C_д – ёмкость конденсатора с данным диэлектриком; C₀ – ёмкость того же конденсатора в вакууме.

Абсолютную диэлектрическую проницаемость диэлектрика следует определять как произведение:

 ^ ₀_диэл ^,

^где ₀ 8,854*10⁻¹² Ф/м – диэлектрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума).

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряжённость поля внутри вещества. Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика. Поляризованность P – векторная физическая величина, равная отношению электрического момента dp элемента диэлектрика к объёму dV этого элемента и выражаемая в Кл/м²:

Поляризованность однородного плоского диэлектрика в равномерном электрическом поле равна поверхностной плотности связанных зарядов. Для большинства диэлектриков в слабых электрических полях поляризованность пропорциональна напряжённости поля:

P  ₀  1E  ₀XE ,

где  – диэлектрическая восприимчивость.

В изотропных диэлектриках направления векторов P и E совпадают. В сильных электрических полях нарушается линейная зависимость между поляризованностью и напряжённостью поля.

4.2. Виды поляризации

Электронная поляризация представляет собой деформацию и упругое смещение электронных облаков атомов и ионов. Схема атомов в отсутствие и при наличии электрического поля показана на рис. 4.1. Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около 10^–15 с). Поэтому электронная поляризация проявляется при всех частотах, вплоть до

10¹⁴ … 10¹⁶ Гц.

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость  уменьшается с повышением температуры в связи с расширением и уменьшением числа частиц в единице объёма.

Ионная поляризация характерна для твёрдых тел с ионным строением и обусловлено смещением ионов на расстояния, меньшие периода решётки. Ионная поляризация кристалла каменной соли, где смещаются ионы натрия по направлению электрического поля и ионы хлора – против направления поля, показана на рис. 4.2.

Смещению ионов под действием поля препятствуют упругие силы химической связи. Смещение двух разноименно заряженных ионов приводит к появлению элементарного электрического момента. Сумма всех таких элементарных моментов, приходящихся на единицу объёма, определяет ионный вклад в поляризованность диэлектрика.

Рис. 4.1. Атомы (а) в отсутствие электрического поля и