Механізми поляризації діелектриків

ДІЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ

Більшість хімічних сполук із ковалентним або іонним типом зв'язку мають високий електричний опір (більше 10⁹ Ом • см) і є діелектриками. Внаслідок значного перевищення ширини забороненої зони (більш 3 еВ) енергії теплового руху вільних носіїв заряду, концентрація останніх у діелектриках нижче 1 см~³. Це означає, що практично всі потенційні носії заряду знаходяться у зв'язаному стані і в електропровідності приймати участі не можуть. Така ситуація пояснює ізоляційні властивості діелектриків. Сказане відноситься до випадку, коли діелектрик знаходиться в постійному електричному полі. Ситуація принципово змінюється при розміщенні діелектрика в змінному електричному полі. Експерименти показують, що діелектрик не розриває ланцюг змінного струму і струм тече через нього за рахунок явищ поляризації матеріалу.

Поляризація - це зсув зв'язаних електричних зарядів діелектрика на обмежену відстань під дією зовнішнього електричного поля. Якщо діелектрик знаходиться між пластинами конденсатора, підімкненого до джерела напруги, то зсув його зв'язаних зарядів створить у матеріалі власне електричне поле, спрямоване проти зовнішнього. Це означає, що результуюче поле між пластинами зменшиться, й обкладки конденсатора зможуть прийняти додаткову кількість заряду. Іншими словами, електрична ємність конденсатора зросте. Кількісно такий процес характеризується відносною діелектричної проникністю, що являє собою відношення ємності конденсатора з діелектриком С до ємності того ж конденсатора з вакуумом між пластинами Су: є = С/Со.

Поляризація - явище характерне й обов'язкове для діелектриків. Для провідників у нормальних умовах поляризація не спостерігається. Дійсно, вільні заряди провідників під дією постійного електричного поля будуть рухатись. При цьому цей рух буде продовжуватися доти, поки поле в об'ємі провідника не скомпенсується полем зарядів, що зміщаються. З такого розгляду випливає важливий висновок про відсутність електричного поля усередині провідників. Відзначений факт відображає характерну відмінність провідників від діелектриків, поле усередині якого існує і його розмір обумовлений зовнішнім полем і полем зв'язаних зарядів або ж явищем поляризації.

Процес поляризації властивий будь-якому діелектрику. У залежності від виду зарядів, відстаней на які вони можуть зміщатися, часу, що затрачається на поляризацію, розрізняють такі механізми поляризації.

Всім діелектрикам властива електронна поляризація - зсув електронних оболонок атомів під дією електричного поля. У результаті цього центри мас позитивно зарядженого ядра й електронної оболонки перестають збігатися, й атом стає електричним диполем. Специфіка цього виду поляризації виявляється в його пружному характері. При такій поляризації зміщаються частки з дуже малою масою (електрони), тому процес відбувається з дуже високою швидкістю, і поляризація практично безінерційна. Час релаксації електронної поляризації біля 10'¹² с, тобто вона встигає слідкувати за зміною поля навіть до оптичних частот. На практиці це означає, що матеріали з електронною поляризацією мають практично незалежну від температури і частоти діелектричну проникність.

Іонна поляризація викликається пружним зсувом іонів в електричному полі на невелику в порівнянні з періодом кристалічної ґратки відстань. Такий механізм поляризації типовий для матеріалів з іонною будовою кристалічної ґратки. Вплив іонної поляризації перевищує дію електронної, тому в матеріалах цього класу значення діелектричної проникності декілька вище і може досягати десятків і більше відносних одиниць. Так як іонна поляризація відбувається на атомному рівні, то час її встановлення дуже малий і знаходиться на рівні 10~⁷ с. Іншими словами, діелектрики з таким переважним механізмом поляризації можуть виконувати свої функції і при високих частотах.

З підвищенням температури зв'язок між іонами послаблюється, і зсув іонів полегшується. Це призводить до росту діелектричної проникності з температурою для матеріалів із переважною іонною поляризацією.

У полярних діелектриках спостерігається дипольна або орієнтаційна поляризація. Молекули таких діелектриків мають чітку несиметричну стосовно розподілу заряду будову. Під дією електричного поля існуючі диполі орієнтуються в просторі, що викликає поляризацію діелектрика. Природно уявити, що такого роду процеси протікають із втратою енергії і вимагають часових витрат. Отже, дипольна поляризація непружна і має релаксаційний характер.

Для цих матеріалів типова досить сильна залежність діелектричної проникності від температури. В міру росту температури спочатку спостерігається збільшення діелектричної проникності через ослаблення сил взаємодії між диполями. Потім відбувається зменшення поляризаційного ефекту у зв'язку з підвищенням ефективності теплового руху, що розупорядковує електричну структуру діелектрика.

При збільшенні частоти відбувається зменшення діелектричної проникності, оскільки починає проявлятися інерційність процесу орієнтації.

Під міграційною поляризацією розуміють переміщення іонів в електричному полі на відстані, що перевищує період кристалічної ґратки матеріалу. Іон, що рухається, не стає носієм електричного струму, тому що його переміщення обмежене, як правило, розмірами зернин полікристалів, але поляризаційний ефект при цьому чітко спостерігається. Неважко уявити, що така поляризація буде спостерігатися в матеріалах із великою кількістю дефектів і легкорухомих іонів, наприклад, таких як іон натрію.

Серед іонних кристалів виділяються матеріали, що поляризуются без зовнішніх впливів, самодовільно, спонтанно. Таке явище має назву спонтанної поляризації. Спонтанна поляризація обумовлена наявністю в кристалі областей із рознесеним у просторі електричним зарядом. У цьому відношенні спонтанна поляризація є електричним аналогом спонтанного доменного намагнічування феромагнетиків. Ці матеріали мають унікальні властивості і ретельно їх характеристики розглянуті в спеціальному розділі.

Дата добавления: 2014-01-04