Поляризация диэлектриков

Поляризация диэлектриков – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Электрическая поляризация приводит к тому, что суммарный электрический момент объема вещества становится отличным от нуля.

В любом материале, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных носителей заряда, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, диполи (полярные молекулы), ионы. Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний по направлению действующих сил в зависимости от величины напряженности поля. 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 (поляризованность, интенсивность поляризации), который равен отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

(1)

При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. Большинство диэлектриков характеризуются линейной зависимостью электрического смещения (Д) от напряженности электрического поля (Е), приложенного к диэлектрику (линейные диэлектрики, рис.1).

Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно (рис.6), достигая насыщенного состояния при некотором значении напряженности электрического поля. При уменьшении напряженности поля вектор электрического смещения уменьшается и при отсутствии поля остается остаточное электрическое смещение (Д_о). Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками.

Наименование «сегнетоэлектрик» связано с тем, что нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли. За рубежом данная группа материалов называется ферроэлектриками в связи с тем, что сегнетоэлектрики имеют доменную структуру, как и ферромагнитные материалы.

Рис. 1. Зависимости электрического смещения от напряженности электрического поля

В результате поляризационных процессов внутри диэлектрика образуется внутреннее электростатическое поле определенного заряда, направленное встречно внешнему электрическому полю (рис. 2).

Рис. 2. Диэлектрик в электрическом поле

В связи с этим любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости.

Заряд конденсатора, как известно, равен:

, (2)

где С – емкость конденсатора, U – приложенное напряжение.

Заряд Q при заданном значении приложенного напряжения обусловлен зарядом Q_о, который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и зарядом Q_д, возникшем вследствие поляризации диэлектрика, фактически разделяющем электроды:

(3)

Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость – . Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду Q_о, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

(4)

Из выражения (4) следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого диэлектрика больше единицы и рав-на единице только для вакуума.

С учетом формулы (2) соотношение (4) может быть представлено в виде:

(5)

где С_о – емкость вакуумного конденсатора (геометрическая емкость).

Следовательно, из выражения (5) следует:

(6)

Величина относительной диэлектрической проницаемости (далее ) показывает во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора такой же геометрической конфигурации, у которого между обкладками находится вакуум. Следовательно, величина диэлектрика определяет величину емкости электро – и радиотехнических конструкций:

, (7)

где _о – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85·10^-12 Ф/м, – геометрический фактор.