Основные виды поляризации

Различают два механизма поляризации:

− поляризация мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла, за время 10^-15 – 10^-13 с;

− поляризация, протекающая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называется релаксационной (время от 10^-8 до 10² с).

В схемах замещения диэлектрики обозначают конденсатором определенной емкости С, если в них не происходит рассеяния энергии (рис.3, а). Если происходит рассеяние энергии, то в схему замещения добавляется активное сопротивление r, эквивалентное нагреву диэлектрика (рис.3, б).

а) б)

Рис. 3. Схемы замещения диэлектрика: а) без потерь; б) с потерями

К мгновенным относятся электронная и ионная поляризации. Электронная поляризация (C_э , Q_э)представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием внешнего электрического поля (рис.4).

Рис. 4. Электронная поляризация диэлектрика. Положение орбит электронов при отсутствии (а) и при наличии (б) электрического поля

При отсутствии электрического поля центр положительного заряда ядра и центр отрицательного заряда совпадают. Атом нейтрален. Под действием внешнего электрического поляорбиты, по которым движутся отрицательные электроны, смещаются к положительному электроду. Центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Нейтральный атом превращается в диполь (так называемый упругий диполь). Наблюдается такая поляризация во всех видах диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n².

Ионная поляризация(C_и , Q_и)характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки (рис.5). С повышением температуры смещение усиливается в результате ослабления упругих сил между ионами. Это происходит из-за увеличения расстояния между ионами вследствие теплового расширения.

Рис. 5. Механизм ионной поляризации

Время установления ионной поляризации больше, чем электронной, но оно также очень мало и имеет порядок 10^-13 с.

Все остальные виды поляризации являются релаксационными.

Дипольно-релаксационная поляризация(C_др , r_др , Q_др)отличается от электронной и ионной тем, что она связана с потерями энергии при поляризации, т.е. с нагреванием диэлектрика. Этот вид поляризации наблюдается в полярных диэлектриках. В таких веществах молекулы или радикалы являются диполями даже при отсутствии электрического поля (рис. 6).

Рис. 6. Механизм дипольно-релаксационной поляризации (ориентация диполей в направлении электрического поля: а) поле отсутствует; б) при наличие поля)

При отсутствии электрического поля они находятся в хаотическом тепловом движении, дипольные моменты их направлены в разные стороны и результирующий электрический момент всех этих диполей равен нулю. Под действием сил электрического поля диполи поворачиваются, ориентируясь вдоль линий электрического поля, т.е. положительным полюсом к отрицательному электроду.

Кроме ориентации диполи еще растягиваются электрическим полем, и величина дипольного момента при этом возрастает. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, рассеивается энергии в виде тепла (r_др). Время релаксации здесь порядка 10^-8 – 10^-6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация(C_ир, r_ир, Q_ир)наблюдается в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов (например, неорганических стеклах). Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений ограниченно смещаются в направлении электрического поля. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры за счет ослабления сил межионного взаимодействия. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации происходит в течение 10^-6 – 10^-4 секунд с рассеянием энергии.

Электронно - релаксационная поляризация(C_эр, r_эр, Q_эр)возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10^-8 – 10^-6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, ряд соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута.

Миграционная поляризация(C_м, r_м, Q_м)протекает в твердых диэлектриках неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях или наличии примесей за время порядка 10² с. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д.

При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, образуя большие поляризованные области (рис. 7). В слоистых материалах на границах раздела слоев и в приэлектродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации.

Рис. 7. Механизм миграционной поляризации

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация,(C_сп, r_сп, Q_сп),–это вид поляризации возникает в диэлектриках, имеющих доменную структуру. Доменами называют отдельные области, обладающие электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации (рис. 8).

В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастание интенсивности поляризации.

Рис. 8. Механизм спонтанной поляризации

Резонансная поляризация (C_рез, r_рез, Q_рез)проявляется в диэлектриках под воздействием высокочастотного электрического поля (f = 10⁶ Гц), когда частота собственных колебаний электронов или ионов совпадает с частотой внешнего поля. Резонансные явления увеличивают амплитуду колебаний (вектор смещения) связанных заряженных частиц в материале.

Технические диэлектрики обладают, как правило, не одним,

а одновременно несколькими видами поляризации. Следователь-но, емкость конденсатора с диэлектриком обусловливается суммой различных видов поляризации.

Рис. 9. Эквивалентная схема замещения диэлектрика с различными механизмами поляризации

На рис. 9 приведена эквивалентная схема замещения диэлектрика, в котором присутствуют все виды поляризации.

Все емкости эквивалентной схемы шунтированы резистором R_из, представляющим собой сопротивление изоляции сквозному току через диэлектрик.