Поляризация диэлектриков в постоянном поле

В диэлектрике, помещенном в электрическое поле, происходит процесс поляризации.

Явление поляризации диэлектрика вызывается смещением электрических зарядов на ограниченные расстояния под действием сил внешнего и внутреннего электрических полей, причем на поверхности диэлектрика или в его объеме образуются связанные электрические заряды. С поляризацией связана одна из важнейших характеристик изоляции — диэлектрическая проницаемость и закономерности ее изменения в зависимости от температуры, частоты и других факторов.

Некоторые процессы поляризации сопровождаются рассеиванием энергии в диэлектрике, т. е. диэлектрическими потерями. Величина и характер изменения потерь при изменении внешних условий и режима работы электротехнического устройства в большинстве случаев определяются процессами поляризации.

Электрической поляризацией называют состояние вещества, отличающееся тем, что электрический момент некоторого объема этого вещества имеет значение, отличное от нуля.

Степень поляризации диэлектрика характеризуется так называемой поляризованностью — векторной величиной, которая равна пределу отношения электрического момента объема диэлектрика к значению этого объема, когда последнее стремится к нулю:

.

В литературе поляризованность Р часто называют поляризацией, понимая под ней количественную меру этого процесса.

Виды поляризации

Поляризация электронного смещения. Под действием электрического поля электронное облако атомов, молекул и ионов смещается относительно положения ядер на небольшое расстояние, меньшее размеров атомов или молекул. Атомы, молекулы и ионы поляризуются в электрическом поле, приобретая индуцированные дипольные моменты, пропорциональные напряженности поля Е_л, в котором они находятся. Для какого-либо диэлектрика, содержащего только один вид молекул, индуцированные моменты всех молекул в однородном поле одинаковы и равны

,

где α — поляризуемость молекул.

Электрический момент всех молекул, содержащихся в единице объема, представляет собой векторную сумму дипольных моментов этих молекул, т. е.

.

Электрический момент единицы объема диэлектрика, как известно, называется поляризацией; Р_э — электронная поляризация диэлектрика.

Электронная поляризация диэлектрика устанавливается за время порядка 10^-15 сек. Следовательно, электронная поляризация происходит во всех диэлектриках, помещенных в постоянное или переменное поле. После снятия напряжения электронная поляризация за время порядка 10^-13 сек исчезает, а энергия, затраченная на образование электронной поляризации, возвращается в цепь.

Поляризация ионного смещения. Поляризация ионного смещения, или упруго-ионная поляризация, происходит в ионных диэлектриках. При помещении таких диэлектриков в электрическое поле ионы из положения своего равновесия смещаются на расстояние, меньшее расстояния между соседними ионами. Упруго-ионная поляризация устанавливается за время 10^-12— 10^-13 сек. Таким образом, поляризация ионного смещения происходит в ионных диэлектриках в постоянных и переменных электрических полях. На высоких частотах этот вид поляризации сопровождается так называемыми резонансными потерями.

Ионно-релаксационная поляризация. В ряде ионных кристаллов ионы имеют возможность сравнительно далеко смещаться из положения равновесия. Поляризация, связанная с перемещением ионов в объеме материала, устанавливается в течение некоторого времени после начала воздействия электрического поля. Изменения поляризации происходят с некоторым запаздыванием по отношению к изменениям поля или, как принято говорить, с релаксацией. Поэтому такая поляризация называется ионно-релаксационной поляризацией.

Дипольно-релаксационная поляризация. В дипольных жидких и газообразных (полярных) диэлектриках, не находящихся в электрическом поле, дипольные моменты молекул ориентированы по разным направлениям, беспорядочно. Электрическое поле стремится повернуть моменты в направлении поля. Тепловое движение нарушает упорядоченное расположение молекул. Вследствие теплового движения любой диполь, вращаясь, может принять случайное произвольное положение. Однако в электрическом поле преимущественной является ориентация диполей в направлении поля. Дипольно-ориентационная поляризация устанавливается в течение некоторого времени порядка 10^-10 сек. и большего; она называется также дипольно-релаксационной поляризацией.

Упруго-дипольная поляризация. В некоторых кристаллах молекулы закреплены и диполи не имеют возможности свободно вращаться. Под действием электрического поля диполи способны поворачиваться только на небольшие углы. Поляризация, связанная с упругими поворотами диполей на небольшие углы, называется упруго-дипольной поляризацией.

Электронно-релаксационная поляризация. В некоторых диэлектриках электроны способны перемещаться вблизи дефектов, с которыми они связаны, на расстояния порядка одного или нескольких междуатомных расстояний. Этот вид поляризации устанавливается в течение некоторого времени, в связи с чем она называется электронно-релаксационной поляризацией.

Поляризация ядерного смещения. Равновесные положения ядер в молекулах, состоящих из нескольких атомов, могут зависеть от напряженности электрического поля. Поляризация, возникающая вследствие смещения ядер под действием электрического поля, называется поляризацией ядерного смещения. Она устанавливается примерно за такое же время, как и упруго- ионная поляризация.

Междуслойная (миграционная) поляризация. Этот вид поляризации может наблюдаться в неоднородных диэлектриках, в которых заряды накапливаются на поверхности раздела. Поляризация, вызванная образованием поверхностных зарядов, называется также поверхностной.

Частным случаем миграционной поляризации является высоковольтная поляризация. В некоторых диэлектриках при протекании электрического тока образуются объемные заряды. Эти заряды чаще всего концентрируются в приэлектродных слоях, хотя встречаются случаи, когда они имеются и в объеме диэлектрика на больших расстояниях от электродов. Междуслойная поляризация связана с появлением объемных зарядов в приэлектродных слоях или в самом диэлектрике при воздействии постоянного поля и с электропроводностью диэлектрика. На образование этой поляризации затрачивается значительное время, измеряемое иногда десятками минут.

Спонтанная поляризация. В отсутствие внешнего электрического поля в некоторых веществах, например в сегнетовой соли и метатитанате бария, образуется спонтанная, т. е. самопроизвольная поляризация.

Остаточная поляризация. В некоторых веществах с низкой электропроводностью поляризация остается в течение продолжительного времени после снятия электрического напряжения. Такая поляризация называется остаточной и характерна для электретов.