Основные виды поляризации диэлектрика

Под действием приложенного электрического напряжения диэлектрик- способен поляризоваться, т. е. происходит ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных моментов.

Различают 3 основные вида поляризации:

1 Электронная поляризация - упругое смещение электронных оболочек относительно ядра в атомах диэлектрика. Это мгновенный процесс, происходящий за 10^-15-10^-16 с. Электронная поляризация характерна для всех диэлектриков: полярных, неполярных, с ионной кристаллической решеткой.

2 Ионная поляризация представляет собой упругое смещение друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов. Ионная поляризация завершается за 10^-13-10^-12 с.

Электронная и ионная поляризации относятся к быстрым, не релаксационным видам поляризации, совершаются в диэлектриках под действием электрического поля мгновенно и без рассеяния энергии, т. е. без выделения тепла.

3 Дипольная поляризация происходит в полярных диэлектриках. Она представляет собой поворот (ориентацию) полярных молекул (диполей). Для ориентации диполя в направлении электрического поля требуется некоторое время релаксации τ. После снятия внешнего поля в течение τ ориентация полярной молекулы под действием теплового движения уменьшается в е раз (е - основание натурального логарифма). Время релаксации прямо пропорционально вязкости диэлектрика и обратно пропорционально температуре.

Так как при повороте диполей в направлении поля ими преодолевается некоторое сопротивление, поэтому дипольная поляризация сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. нагреванием. Дипольная поляризация относится к неупругим, релаксационным поляризациям, нарастает и убывает замедленно и завершается за время 10^-х-10^-1 с.

Различают два вида дипольной (релаксационной) поляризации:

- электронно-релаксационная;

- ионно-релаксационная.

Ионно-релаксационная поляризация характерна для твердых диэлектриков, имеющих неплотную упаковку объема частицами.

Способность диэлектрика при нанесении на него электродов и подачи напряжения, образовывать емкость, характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε.

Диэлектрическая проницаемость ε - важнейший параметр диэлектрика, характеризующий процесс поляризации, который может быть найден по измеренной емкости конденсатора с диэлектриком.

 

, (5)

где С – емкость конденсатора, Ф;

ε – диэлектрическая проницаемость;

– электрическая постоянная, =8,84*10^-12 Ф/м;

S - площадь электродов, м²;

h - расстояние между электродами, м.

 

Диэлектрическая проницаемость е зависит от интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектриках под действием приложенного напряжения.

Неполярные диэлектрики однородной структуры имеют только электронную поляризацию, поэтому их диэлектрическая проницаемость невелика ε= 1-2,2..., т.е.

 

ε ≈ n², (6)

где n - показатель преломления света.

 

Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков определяется постоянным электрическим (дипольным) моментом молекулы и размером моле­кулы, лежит в пределах от 2 до 80, т.е. ε >n².

Диэлектрическая проницаемость б зависит от многих факторов: температуры, частоты приложенного напряжения, влажности и др.

Для неполярных диэлектриков имеет место только электронная поляризация. Поскольку электронная поляризация происходит мгновенно, то даже при наиболее высоких частотах, применяемых в современной электро- и радиотехнике, поляризация неполярных диэлектриков успевает полностью установится за время, которое несравнимо мало по сравнению с полупериодом переменного напряжения. Поэтому диэлектрическая проницаемость ε неполярных диэлектриков не зависит от частоты переменного напряжения. Рисунок 2 отображает эту зависимость.

Рисунок 2 – Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для твердых неполярных диэлектриков

1 - фторопласт-4, 2 - полистирол

На рисунке 3 показана зависимость диэлектрической поляризации от частоты для полярных диэлектриков. Дипольная поляризация может происходить в переменных полях до определенной частоты. При очень высоких частотах этот вид поляризации не возникает, так как время одного полупериода очень мало и полярные молекулы не могут осуществить свой поворот под действием сил внешнего электрического поля. Диэлектрическая проницаемость с ростом частоты снижается и при высоких частотах определяется только процессом электронной поляризации

 

Рисунок 3 – Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для

полярного диэлектрика (поливинилацетата) при различных температурах

 

Температура диэлектрика также оказывает влияние на диэлектрическую проницаемость. Рисунки 4, 5, 6 иллюстрируют эту зависимость для диэлектриков различного строения.

Рисунок 4 – Зависимость диэлектрической проницаемости от

температуры для неполярных диэлектриков

 

На электронную поляризацию температура оказывает небольшое влияние. Так как неполярные диэлектрики характеризуются только электронной поляризацией, то некоторое уменьшение диэлектрической проницаемости ε неполярного диэлектрика с повышением температуры объясняется уменьшением плотности вещества (рисунок 4).

В случае полярных диэлектриков величина диэлектрической проницаемости заметно изменяется с ростом температуры. Рисунок 5 наглядно показывает эту зависимость. В твердых полярных диэлектриках возможны все виды поляризации и для них характерны те же закономерности, что и для жидких полярных диэлектриков. Процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков или ориентации отдельных полярных групп молекул. При низких температурах вязкость полярного диэлектрика большая и полярные молекулы не могут ориентироваться в направлении поля, (на рисунке 5 это соответствует участке а,б). Здесь имеет место только электронная поляризация и диэлектрическая проницаемость уменьшается. С увеличением температуры вязкость снижается, и полярные молекулы могут осуществить поворот под действием сил электрического поля. На участке бв происходит процесс дипольной поляризации и е возрастает.

При дальнейшем повышении температуры тепловая энергия полярных молекул возрастает, и поворот их уже затрудняется. В результате этого диэлектрическая проницаемость падает. Уменьшение диэлектрической проницаемости е на участке вгвызваноразориентацией полярных молекул в результате теплового движения

Рисунок 5 – Зависимость диэлектрической проницаемости полярного

диэлектрика (нитробензола) от температуры при f=50 Гц

 

Твердые кристаллические диэлектрики с плотной упаковкой частиц обладают электронной и ионной поляризацией. С ростом температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов увеличивается. Рисунок б показывает эту зависимость. Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается межионное расстояние, которое приводит к ослаблению сил связи между ионами и к увеличению их смещения в электрическом поле.

Рисунок 6 – Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для диэлектриков ионного строения при f=50 Гц

1 - бесщелочное стекло, 2 - обычное стекло

Поляризация диэлектриков

Основные понятия

Электрической поляризацией называют процесс смещения упруго связанных электрических зарядов или ориентацию диполей в направлении приложенного электрического поля. Другими словами, электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля.

При описании электрических явлений (в том числе и поляризации) обычно рассматривают систему, состоящую из электродов, между которыми находится диэлектрик. К указанным электродам подводится напряжение, т.е. рассматривается некоторый участок конструкции, которой может быть электрический конденсатор, кабель, обмотка электрической машины или трансформатора и т.п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его параметров в лаборатории. В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов (носителей заряда), всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, ионы.

Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные заряды — в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные заряды — в обратном направлении (рис. 4.8). В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика (dV) приобретает индуцированный электрический момент (dP). Образование индуцированного электрического момента (Р) в диэлектрике и представляет собой явление поляризации.

Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованностъ, интенсивность поляризации), который равен отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремиться к нулю:

. (4.19)

Для однородного диэлектрика с неполярными молекулами, находящимися в однородном электрическом поле,вектор поляризации равен:

, (4.20)

где – индуцированный момент одной молекулы (атома); N₀ – число молекул (атомов) в единице объема.

Значение индуцированного электрического момента ( ) зависит от напряженности внешнего электрического поля:

, (4.21)

где Ф/м – диэлектрическая постоянная; – поляризуемость частицы (характеризует способность частицы к поляризации), м³.

Используя выражения (4.20) и (4.21) получим:

, (4.22)

где – безразмерный параметр – диэлектрическая восприимчивость вещества, или поляризуемость единицы объема диэлектрика.

Для однородного диэлектрика с полярными молекулами, помещенного в однородное электрическое поле:

, (4.23)

где – среднее значение составляющей вдоль поля вектора постоянного дипольного момента молекулы; вычисляется с использованием распределения Больцмана для частиц в силовом поле:

, (4.24)

где – классическая функция Ланжевена .

При а << 1 имеем . Но в этом случае вычисляется по формуле Дебая-Ланжевена:

, (4.25)

где К – постоянная Больцмана ( Дж/К при _K); N₀ – число молекул в единице объема; µ =3∙10²⁹ Кл∙м – электрический (дипольный) момент молекулы Дебая.

Собственный электрический момент молекулы равен:

, (4.26)

где q – суммарный положительный (или численно равный ему суммарный отрицательный) электрический заряд молекулы; l – расстояние между центрами тяжести суммарных положительных (+q) и отрицательных (-q) зарядов (плечо диполя) (рис. 4.9).

Одной из важнейших характеристик диэлектрика, имеющей особое значение для техники, является его относительная диэлектрическая проницаемость (ε). Значение ε представляет отношение заряда (Q), полученного при некотором напряжении на конденсаторе с данным диэлектриком, к заряду (Q₀), который можно получить в конденсаторе тех же геометрических размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

. (4.27)

Из выражения (4.27) следует, что значение ε не может быть меньше 1.

Значение относительной диэлектрической проницаемости любого диэлектрика не зависит от выбора системы единиц. В дальнейшем для оценки свойств диэлектриков используется именно относительную диэлектрическую проницаемость, причем слово «относительная» для краткости опускается.

Величина заряда (Q) может быть найдена из выражения:

, (4.28)

где С – емкость конденсатора; U – приложенное к нему напряжение.

Выражение (4.28) может быть представлено в виде:

, (4.29)

где С₀ – емкость вакуумного конденсатора (геометрическая емкость).

Анализируя выражение (4.29), можно дать следующее определение относительной диэлектрической проницаемости. Величина относительной диэлектрической

проницаемости (ε) показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора такой же геометрической конфигурации, у которого между обкладками находится вакуум.

Следовательно, величина ε диэлектрика определяет величину емкости (С) электро- и радиотехнических конструкций:

;

где Δ – геометрический фактор.

Между диэлектрической проницаемостью (ε), поляризуемостью (α) и диэлектрической восприимчивостью ( ) существует следующая зависимость:

(4.30)

но так как

,

то

. (4.31)

Поведение диэлектрика в электрическом поле может также характеризоваться абсолютной диэлектрической проницаемостью:

, (4.32)

где — абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м; Д – электрическое смещение (электрическая индукция). Для вакуума Д = Е; для диэлектрика .

В настоящее время общепринято разделение большей части диэлектриков на два класса:

1)неполярные диэлектрики;

2)полярные диэлектрики.

У неполярных молекул l = 0 в выражении (4.26) следовательно, и µ = 0, т.е. неполярные молекулы не обладают собственным электрическим моментом. В то же время у полярных молекул . О наличии у молекул собственного электрического момента можно судить по химическому строению этих молекул.

Постоянный электрический момент полярной молекулы, как и всякий электрический момент, является векторной величиной. Будем принимать за направление вектора направление от отрицательного заряда к положительному (см. рис. 4.9).

Независимо от результатов, которые могут быть получены при изучении электрических свойств вещества, о наличии у молекул этого вещества собственного электрического момента можно судить по химическому строению его молекул. И, наоборот, экспериментальное определение дипольного момента (µ) дает возможность делать весьма важные заключения о структуре молекул вещества. Очевидно, что молекулы, которые построены симметрично (при наличии центра симметрии), являются неполярными, так как в этом случае центры тяжести как положительных, так и отрицательных зарядов молекулы совпадают с центром симметрии молекулы, а следовательно, и друг с другом (при этом можем даже не интересоваться знаком заряда отдельных атомов и ионов, из которых построена молекула). Наоборот, несимметричные молекулы являются жесткими диполями.

Так, одноатомные молекулы (Не, Ne, Ar, Кг, Хе) и молекулы, состоящие из двух одинаковых атомов, соединенных друг с другом гомеополярной связью (H₂, N₂, Cl₂ и т.п.), неполярны. А молекулы такого типичного ионного (с гетерополярной связью) соединения, как йодистый калий KI (рис. 4.10, а), полярны и имеют весьма большой по

стоянный электрический момент Кл·м. Направлен этот момент от отрицательно заряженного иона ( ) к положительно заряженному иону ( ).

Чем больше отличаются друг от друга электроотрицательности атомов, образующих двухатомную молекулу, т. е, чем сильнее смещена в сторону одного из атомов их общая электронная пара, тем больше электрический момент такой молекулы. Например, по мере уменьшения электроотрицательности галогенов в ряду от фтора к йоду уменьшается дипольный момент молекул галогеноводородов:

Вещество	HF	HCI	НВr	HI
µ, 1030 Кл·м	6,7	3,5	2,6	1,3

Очень важно заметить, что при суждении о полярности молекулы по ее строению необходимо учитывать не только условное написание химической формулы вещества, но и фактическое расположение зарядов в пространстве. Так, формулы угольного ангидрида и воды в записях СО₂ и Н₂О похожи, но в действительности, молекула угольного ангидрида имеет симметричное строение с центром симметрии (рис. 4.10, 6) и потому угольный ангидрид неполярен. А молекула воды имеет вид равнобедренного треугольника (рис. 4.10, в) и потому вода имеет резко выраженные полярные свойства (для молекулы воды µ = 6,1·10³⁰ Кл·м).

Все углеводороды представляют собой вещества неполярые или слабополярные (µ = 0 или весьма мало). Однако при замене отдельных атомов водорода атомами галогенов F, Cl, Вr или I либо группами -ОН, -N0₂ и пр. (т.е. диэлектрофорамиВальдена) образуются несимметричные молекулы, обладающие µ > 0.

Рассмотрим простейший углеводород – метан СН₄ и продукты замещения в нем водорода хлором: хлористый метил (СН₃С1), двуххлористый метилен (CH₂Cl₂), хлороформ (СНС1₃) и четыреххлористый углерод (тетраформ) (СС1₄). Молекула метана в пространстве имеет вид тетраэдра, в центре которого расположен атом С, а по вершинам атомы Н (см. рис. 4.10, г).Очевидно, что для метана µ = 0.

Молекулы СНС1₃, СН₂С1₂ и СНС1₃ асимметричны и для них соответственно ; 5,17·10^-30 и 3,8·10^-30 Кл·м. Но молекула ССl₄ вновь симметрична и имеет µ= 0.

Бензол С₆Н₆ – вещество неполярное; при замещении одного атома водорода в бензоле другим элементом или группой получаем полярные вещества:

1) монохлорбензол (µ = 5,17·10^-30 Кл·м);

2) монойодбензол (µ = 4,3·10^-30 Кл·м);

3) фенол (µ = 5,2·10^-30 Кл·м);

4) анилин (µ = 5,1·10^-30 Кл·м);

5) нитробензол (µ = 13,2·10 ^-30 Кл·м) и т.д.

Ацетон вследствие наличия в молекуле группы СО полярен; для него, µ = 9,7·10 ^-30 Кл·м.

К неорганическим веществам с высоким значением µ относятся:

· йодид алюминия АlI₃ (µ = 16,5·10^-30 Кл·м);

· хлорид олова SnCl₄ (µ = 17,0·10 ^-30 Кл·м).

Из числа применяемых в электроизоляционной технике органических материалов практически неполярными являются такие вещества углеводородного состава, как полиэтилен – полимер, имеющий следующее строение (упрощенно):

^,

а также парафин, церезин, полиизобутилен, полипропилен, полистирол, невулканизированный каучук, эскапон, нефтяные электроизоляционные масла и др.

Сильно полярными являются: поливинилхлорид, который имеет следующее строение:

^,

поливиниловый спирт и его производные, целлюлоза и ее производные, фенолформальдегидные смолы и т.п.

Политетрафторэтилен (фторлон-4), имеющий следующее строение:

^,

можно рассматривать как полимерный углеводород (полиэтилен), в котором атомы водорода полностью замещены атомами фтора, благодаря симметричной структуре каждого звена молекулярной цепочки неполярен; но политрифторхлорэтилен (фторлон-3) имеет несимметричное строение и потому полярен.

Основные виды поляризации

В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектриков различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную, ионно-релаксационную, дипольно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную.

Индуцированный под действием приложенного электрического поля суммарный электрический заряд обусловливается суммой различных видов поляризации. Механизмы поляризации могут наблюдаться в различных диэлектриках, однако несколько механизмов поляризации могут наблюдаться одновременно у одного диэлектрика. Гипотетический диэлектрик, обладающий всеми механизмами поляризации, может быть

представлен эквивалентной схемой, в которой каждому механизму поляризации соответствует включенная параллельно источнику напряжения (U) емкость (С) (рис. 4.11).

Емкость С₀ и заряд Q₀соответствуют геометрической емкости и заряду т.е., если между электродами находится вакуум. Емкость С_э и заряд Q_э (рис. 4.11) характеризуют электронную поляризацию. Электронная поляризация представляет собой смещение центра заряда электронного облака относительно положительно заряженного ядра атома под действием внешнего электрического поля (рис. 4.12). Смещению противодействует кулоновское притяжение электронов к ядру. Время установления электронной поляризации очень мало (около 10^-15 с), поэтому она практически не зависит от частоты электромагнитного поля (рис 4 13), но связана с потерей энергии и не зависит от температуры. Однако величина ε диэлектриков, обладающих только электронной поляризацией, уменьшается с ростом температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа поляризованных частиц в единице объема (рис. 4.14).

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. При увеличении размеров атомов электронная поляризуемость увеличивается, так как ослабевает связь внешних электронных оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки (l), но и возрастает заряд (q).

Для удобной и наглядной оценки электронной поляризуемости атома или иона (α) введено понятие геометрической поляризации, равной отношению α к диэлектрической постоянной (ε₀), измеряемой в единицах объема. Геометрическаяполяризуемость (α/ε₀) имеет порядок объема атома, т.е. 10^-30…10^{-29 м3}. Например, значения α/ε₀ атомов галогенов (в порядке возрастания их атомной массы) равны:

· для F – 0,4·10^-30;

· для Сl – 2,4·10^-30;

· для Br – 23,6·10^-30;

· для J – 5.8·10^{-30 м3}.

Для веществ ионного строения существенна поляризация не атомов, а ионов. Различные ионы обладают заметно различающимися значениями отношения электронной геометрической поляризуемости ( ) к кубу радиуса иона ( ).

Например, отношение для следующих ионов равны:

1) для Na+	0,21;	2) для О-	1,20;
3) для K+	0,38;	4) для Zr++++	1,21;
5) для Са++	0,44;	6) для Рb++	1,89.
7) для Ti++++	1,04;

 

Наличие ионов с большим значением способствует поляризации. Некоторые вещества, содержащие такие ионы, имеют весьма высокое значение , например, у рутила (TiO₂) ε = 110.

Емкость С_и и заряд Q_u (рис. 4.15) характеризуют ионную поляризацию. Ионнаяполяризация возникает вследствие упругого смещения связанных ионов из положения равновесия на расстояния, не превышающие постоянную кристаллической решетки. С повышением температуры поляризованность возрастает, за счет теплового поля ослабевают силы межионного взаимодействия, тепловое расширение удаляет ионы друг от друга (рис. 4.14). Время установления ионной поляризации около 10^-13 с. Она так же, как и электронная, не связана с потерями энергии и не зависит от частоты, вплоть до частот инфракрасного диапазона (рис. 4.13). Ионная поляризация характерна для кристаллических диэлектриков ионного строения с плотной упаковкой ионов (NaCl и др.).

Емкость С_др и заряд Q_др (см. рис. 4.11) характеризуют дипольно-релаксационную поляризацию. Дипольно-релаксационная поляризация заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего электрического поля, создавая эффект поляризации диэлектрика (рис.4.16).

Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать дипольно-релаксационную поляризацию; однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. В связи с этим дипольно-релаксационная поляризация с увеличением температуры вначале возрастает, пока ослабление сил межмолекулярного взаимодействия преобладает над возрастанием хаотического теплового движения молекул. Затем, когда интенсивность теплового движения молекул будет преобладать (тепловая энергия «разбрасывает» диполи), дипольно-релаксационная поляризация будет уменьшается (рис. 4.14). При снятии приложенного электрического поля дипольно-релаксационная поляризация нарушается хаотическим тепловым движением молекул, а поляризованность (Р) спадает по экспоненциальному закону:

(4.33)

где Р₀ – поляризованность в момент снятия напряжения; – постоянная времени этого процесса, называемая временем релаксации дипольной поляризации.

Время релаксация – это промежуток времени, в течение которого поляризованность диэлектрика после снятия поля уменьшается вследствие теплового движения молекул в раза от первоначальной. Между временем релаксации ( ), энергией активации (W) и частотой собственных колебаний релаксирующей частицы (f) существует следующая зависимость:

(4.34)

Обычно имеет порядок 10^-6…10^-10 с, следовательно, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах ниже 10⁶…10¹⁰ Гц. Дипольно-релаксационная поляризация связана с потерей энергии, поскольку поворот диполей в направление поля требует преодоления некоторого сопротивления. Это отражено (см. рис. 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С_др активного сопротивления R_дp. При увеличении частоты значение ε_др снижается, поскольку проявляется инерционность процесса ориентации, т.е. дипольные молекулы за ионизационный полупериод изменения напряжения не успевают полностью переориентироваться по направлению поля.

Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных газах, жидкостях. Поляризация этого вида может наблюдаться также и в твердых диэлектриках. Однако в некоторых твердых, в большинстве своем органических, диэлектриках дипольно-релаксационная поляризация обычно обусловлена уже не ориентацией самой молекулы, а ориентацией имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной. Примером веществ с поляризацией этого вида является целлюлоза, полярность которой объясняется наличием гидроксильных групп (ОН) и кислорода. В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми Ван-Дер-Вальсовскими связями возможна ориентация и более крупных частиц.

Емкость С_ир и заряд Q_up (см. рис 4.11) характеризуют ионно-релаксационную поляризацию. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабосвязанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие амплитуду ангармонических тепловых колебаний. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры (см. рис. 4.14) за счет ослабления сил взаимодействия. При увеличении частоты значение ε_ир снижается за счет инерционности процесса переориентации (см. рис. 4.13). Поляризация этого вида связана с потерями энергии, что отраженно (см. рис. 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С_ир активного сопротивления R_up.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках аморфного строения (стекле, керамике и т.д.), а также в неорганических кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (рыхлого строения).

Емкость С_эр, и заряд Q_эp (см. рис. 4.11) характеризуют электронно-релаксационную поляризацию. Электронно-релаксационная поляризация возникает в связи с ориентацией возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или «дырок». Электронно-релаксационная поляризация характерна главным образом для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним электрическим полем и наличием электронной составляющей проводимости. Характерным представителем этой группы материалов являются: двуокись титана «загрязнения» с примесью Nb⁺⁵; Ca⁺²; Ва⁺²; двуокись титана с анионными вакансиями и примесью ионов Ti⁺³. а также ряд соединений на основе окислов металлов с переменной валентностью – титана, ниобия, висмута.

Эти диэлектрики могут обладать исключительно высоким значением диэлектрической проницаемости (CaTiO₂ – титанит кальция имеет ε = 150; и т.д.). Кроме того, у этих диэлектриков наблюдается максимум ε в температурной зависимости. Этот вид поляризации связан с потерями энергии, что отражено на рис. 4.11 в виде последовательно включенного с емкостью С_эр активного сопротивления R_эp.

Емкость С_m и заряд Q_m (рис. 4.11) характеризуют миграционную поляризацию. Миграционная (структурная) поляризация обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью и т.п., а также в композиционных диэлектриках. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящихся и полупроводящих включений начинают перемещаться в пределах каждого включения, образуя поляризованные области на границе раздела сред (рис. 4.17). Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поляризация этого вида обычно возможна лишь на низких частотах.

Поляризация этого вида связана с потерями энергии, что отражено (см. рис 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С_m активного сопротивления R_m.

Емкость С_рез и заряд Q_peз (см. рис. 4.11) характеризуют резонансную поляризацию. Резонансная поляризация проявляется в диэлектриках при оптических частотах. Она зависит от физико-химических особенностей диэлектриков, может относиться к собственной частоте электронов или ионов (при очень высоких частотах) или к характеристической частоте дефектных электронов (при более низких частотах). Резонансные изменения показаны на рис. 4.18.

Резонансная электронная поляризация связана с аномальной дисперсией света и еще недостаточно изучена. При аномальной дисперсии показатель преломления вещества для определенной частоты возрастает вследствие того, что за счет резонанса с собственными колебаниями частиц уменьшается фазовая скорость распространения колебаний, и материал для данной волны становится «вязким»:

, (4.35)

где – показатель преломления для определенной частоты; – фазовая скорость распространения колебаний этой частоты в диэлектрике; с = 3·10⁸ м/с – скорость волн всех частот в вакууме.

При резонансе сильно возрастает поглощение энергии волны. С увеличением

частоты значение ε резко падает ввиду «выключения» данного механизма поляризации.

Все емкости эквивалентной схемы (см. рис.4.11) шунтированы R_из и представляют собой сопротивление диэлектрика току сквозной проводимости. Емкость С_сn и заряд Q_cn и активное сопротивление R_cn (см. рис.4.11) характеризуют спонтанную поляризацию. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация – поляризация, возникающая под влиянием внутренних процессов в диэлектриках без внешних воздействий. Поляризация этого типа нелинейно зависит от напряженности электрического поля (рис. 4.19) и при циклическом изменении ε имеет вид характерной замкнутой кривой — петли гистерезиса (рис. 4.20).

Диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, получили название сегнетоэлектриков (сегнетова соль NaKC₄H₄O₆·4H₂O; титанат бария BaTiO₃, нитрит натрия NaNO₂ и т.д.). Особенностью строения сегнетоэлектриков является наличие в них доменной структуры (подобно структуре ферро- и ферримагнетиков). Следовательно, наложение внешнего электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации.

Одним из основных параметров сегнетоэлектриков является сегнетоэлектрическая точка Кюри (в отличие от магнитной). Это температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагреве) спонтанная поляризация. После достижения точки Кюри, при подъёме температуры или снижении, происходит фазовый переход вещества из сегнетоэлектрического состояния в пароэлектрическое (рис.4.21). Спонтанная