Поляризация диэлектриков. Поле внутри диэлектрика. Проводники в электрическом поле.

Явление возникновения зарядов под действием внешнего поля называется поляризацией диэлектрика, а сами возникающие заряды называются поляризационными.

Электронная поляризация представляет упругое смещение электронов и

деформацию электронных оболочек атомов в электрическом поле (рисунок 35, а). Электронная поляризация превращает каждый атом или ион в диполь. Орбитали внешних электронов будут деформированы, и поляризованные частицы будут обладать элементарным электрическим моментом p_i = q_il, сумма которых и создает поляризованность Р твердого тела. Время поляризации 10^-14…10^-16с.

Электронная поляризация происходит у всех диэлектриков независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации. Диэлектрики с электронной поляризацией называются неполярными. К ним относятся алмаз, полиэтилен, полистирол, фторопласт-4, парафин и другие. Значение ε _r не превышает 3. Время установления электронной поляризации мало и составляет ~ 10^-15с, её еще называют мгновенной.

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго связанных положительных и отрицательных ионов из узлов подрешеток на расстояния, меньшие периода решетки (рисунок 35, в). В каждом, и положительном, и отрицательном ионе также происходит смещение электронных оболочек – электронная поляризация. Смещения ионов из узлов подрешеток приводит к появлению дополнительного электрического момента p_u, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и общую относительную диэлектрическую проницаемость ε _r, значение которой у веществ с ионной поляризацией больше, чем у веществ с электронной поляризацией.

Время ионной поляризации ~ 10^-12…10^-13с. Так как время упругих поляризаций мало, то и ε _r у материалов с этим видами поляризации не изменяется при изменении частоты до значений 10¹⁵…10¹²Гц соответственно. Ионный механизм поляризации наблюдается в слюде, керамиках, мраморе, кварце и других материалах ионного строения.

Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в ориентации дипольных молекул (или полярных групп молекул в органических и твердых диэлектриках), находящихся в хаотическом тепловом движении, в направлении электрического поля (рисунок 35, в). В результате такой поляризации увеличивается поляризуемость Р, и, следовательно, ε _r. Поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления, поэтому дипольно-релаксационная поляризация связана с рассеянием энергии, то есть с потерями.

После снятия электрического поля ориентация частиц в материале постепенно ослабевает, имеет место релаксация. Релаксация характеризуется временем релаксации τ – это время, за которое после снятия электрического поля ориентация полярной молекулы по полю уменьшается в е раз под действием теплового движения.

Материалы, имеющие дипольно-релаксационный механизм поляризации, называют полярными. Время релаксации τ ≈ 10^-10…10^-2с. Полярными диэлектриками являются поливинилхлорид, порошковый фенопласт, эпоксидные пластмассы, электрофарфор, органическое стекло.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (например, в неорганических стеклах). При этом слабо связанные ионы вещества под действием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие упругие смещения, или период подрешетки. В диэлектрике появляется электрический момент – то есть имеет место ионно-релаксационная поляризация. Так как процесс смещения носит локальный, а не сквозной характер, то это не является электропроводностью. Время установления ионно-релаксационной поляризации 10^-5…10^-3с, и она также связана с рассеянием энергии.

Электронно-релаксационная поляризация обусловлена ограниченным перемещением возбужденных тепловой энергией избыточных дефектных электронов или дырок. Этот вид поляризации характерен для диэлектриков с электронной проводимостью (в них есть свободные носители заряда), например двуокись титана с примесями ионов ниобия, кальция, бария, оксиды алюминия и другие, и также связана с рассеянием энергии.

Миграционная (структурная, примесная) поляризация – неупругие перемещения слабо связанных примесных ионов на расстояния, превышающие параметр решетки, часто до границ структурного образования (рисунок 36).

Этот вид поляризации проявляется в твердых телах неоднородной структуры, имеющих макроскопические неоднородности или примеси. Причинами возникновения структурной поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различными значениями σ и ε _r (например, в слоистых материалах – текстолитах, миканитах, изоляции на основе бумаги). Время миграционной поляризации велико, 10^-3…1с, и она связана с большими рассеяниями энергии, как поляризация замедленного типа.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация – это поляризация диэлектрика при отсутствии внешнего электрического поля. Она существует у групп твердых диэлектриков, объединенных общим названием сегнетоэлектрики, и обладающих нелинейной зависимостью электрического смещения от величины напряженности электрического поля: æ _д = f(Е). В материалах со спонтанной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии электрического поля, но они различным образом ориентированные в объеме материала. Под действием внешних сил или энергетических воздействий в таких материалах возникают деформация и напряжения, что вызывает ориентацию электрических моментов доменов и создает эффект сильной поляризации. Деформационный механизм поляризации характерен для пьезоэлектриков, а поляризация при изменении температуры – для пироэлектриков. Поэтому материалы со спонтанной поляризацией часто называют сегнетоэлектриками по названию материала, у которого этот вид поляризации был впервые обнаружен – сегнетовой соли. Материалы со спонтанной поляризацией имеют большие значения ε _r, сильную зависимость ε _r от температуры, являются активными диэлектриками. К ним относятся некоторые виды керамик, стекол, смол.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри проводника).