что такое поляризация диэлектриков
Поляризация диэлектриков
Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.
Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.
Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.
Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е1, направленное против внешнего поля с напряженностью Е0. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е0-Е1.
Содержание
Типы поляризации
В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:
Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты. В связи с этим вводится понятие дисперсии диэлектрической проницаемости.
Зависимость вектора поляризации от внешнего поля
В постоянном поле
В слабых полях
В постоянном или достаточно медленно меняющемся от времени внешнем электрическом поле при достаточно малой величине напряженности этого поля, вектор поляризации P, как правило (исключение составляют сегнетоэлектрики), линейно зависит от вектора напряженности поля E:
(в системе СГС), 
(в системе СИ; дальше формулы в этом параграфе приводятся только в СГС, формулы СИ и дальше отличаются лишь электрической постоянной 
)
где 
— коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром — диэлектрической восприимчивостью) данной среды. Для однородной среды фиксированного состава и структуры в фиксированных условиях ее можно считать константой. Однако в связи со всем сказанным выше вообще говоря зависит от точки пространства, времени (явно или через другие параметры) и т. д.
Для изотропных [1] жидкостей, изотропных твердых тел или кристаллов достаточно высокой симметрии — просто число (скаляр). В более общем случае (для кристаллов низкой симметрии, под действием механических напряжений и т. д.) — тензор (симметричный тензор второго ранга, вообще говоря невырожденный), называемый тензором поляризуемости. В этом случае можно переписать формулу так (в компонентах):
где величины со значками соответствуют компонентам векторов и тензора, соответствующим трем пространственным координатам.
Можно заметить, что поляризуемость — одна из наиболее удобных физических величин для простой иллюстрации физического смысла тензоров и применения их в физике.
Как и для всякого симметричного невырожденного тензора второго ранга, для тензора поляризуемости можно выбрать (если среда неоднородная — то есть тензор зависит от точки пространства — то по крайней мере локально, если же среда однородная, то и глобально) т. н. собственный базис — прямоугольные декартовы координаты, в которых матрица 
становится диагональной, а тогда — только в этих координатах(!) — запись немного упрощается:
где 
— три собственных числа тензора поляризуемости.
Если все эти три собственных числа равны друг другу, значит умножение на тензор эквивалентно умножению на число, а среда изотропна (в отношении поляризуемости). (Отсюда ясно, почему кристалл с высокой симметрией не может давать анизотропии: требованиям симметрии могут удовлетворить только три одинаковых собственных числа).
В сильных полях
В достаточно сильных полях [2] всё описанное выше осложняется тем, что по мере роста напряженности электрического поля рано или поздно теряется линейность зависимости P от E.
Характер появляющейся нелинейности и характерная величина поля, с которой нелинейность становится заметной, тоже, конечно, зависит от индивидуальных свойств среды, условий итп.
Можно выделить их связь с типами поляризации, описанными выше.
Так для электронной и ионной поляризации при полях, приближающихся к величинам порядка отношения потенциала ионизации к характерному размеру молекулы U0/D, характерно сначала ускорение роста вектора поляризации с ростом поля (увеличение наклона графика P(E)), затем плавно переходящее в пробой диэлектрика.
Дипольная (Ориентационная) поляризация при обычно несколько более низких значениях напряженности внешнего поля — порядка kT/p (где p — дипольный момент молекулы, T — температура, k — константа Больцмана) — то есть когда энергия взаимодействия диполя (молекулы) с полем становится сравнимой со средней энергией теплового движения (вращения) диполя — наоборот начинает достигать насыщения (при дальнейшем росте напряженности поля должен рано или поздно включиться сценарий электронной или ионной поляризации, описанный выше, и кончающийся пробоем).
В зависящем от времени поле
Зависимость вектора поляризации от быстро меняющегося во времени внешнего поля достаточно сложна. Она зависит от конкретного вида изменения внешнего поля со временем, быстроты этого изменения (или, скажем, частоты колебаний) внешнего поля, превалирующего механизма поляризации в данном веществе или среде (который тоже оказывается разным для разных зависимостей внешнего поля от времени, частот и т. д.).
При достаточно медленном изменении внешнего поля поляризация в целом происходит как в постоянном поле или очень близко к этому (впрочем то, насколько медленным должно быть для этого изменение поля, зависит, и зачастую крайне сильно, от превалирующего типа поляризации и других условий, например температуры).
Одним из наиболее распространенных подходов к изучению зависимости поляризации от характера меняющегося во времени поля является исследование (теоретическое и экспериментальное) случая синусоидальной зависимости от времени внешнего поля и зависимости вектора поляризации (также меняющегося в этом случае по синусоидальному закону с той же частотой), его амплитуды и сдвига фазы от частоты.
Каждому механизму поляризации в целом соответствует тот или иной диапазон частот и общий характер зависимости от частоты.
Диапазон частот, в котором имеет смысл говорить о поляризации диэлектриков как таковой, простирается от нуля где-то до ультрафиолетовой области, в которой становится интенсивной ионизация под действием поля.
Что такое поляризация диэлектриков
| Поляризация диэлектриков |   |
| Щелкните по ссылке » Диэлектрики в электростатическом поле «, чтобы ознакомиться с презентацией раздела в формате PowerPoint. Для возврата к данной странице закройте окно программы PowerPoint. | |
Все известные в природе вещества, в соответствии с их способностью проводить электрический ток, делятся на три основных класса: диэлектрики, полупроводники и проводники. Если удельное сопротивление у проводников равно В идеальном диэлектрике свободных зарядов, то есть способных перемещаться на значительные расстояния (превосходящие расстояния между атомами), нет. Но это не значит, что диэлектрик, помещенный в электростатическое поле, не реагирует на него, что в нем ничего не происходит. Любое вещество состоит из атомов, образованных положительными ядрами и отрицательными электронами. Поэтому в диэлектриках происходит поляризация. Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией.Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков. Видов поляризации много. Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную, ионную и ориентационную (дипольную). Рис. 4.1 иллюстрирует механизм этих видов поляризуемости.
Электронная поляризуемость обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра. Ионная поляризуемость вызвана смещением заряженных ионов по отношению к другим ионам. Ориентационная (дипольная) поляризуемость возникает, когда вещество состоит из молекул, обладающих постоянными электрическими дипольными моментами, которые могут более или менее свободно изменять свою ориентацию во внешнем электрическом поле. Есть и другие виды поляризации. Главное в поляризации – смещение зарядов в электростатическом поле. В результате, каждая молекула или атом образует электрический момент p (рис. 4.2): Ясно, что электрический момент p пропорционален напряженности Е – напряженности электростатического поля в месте нахождения молекулы, то есть внутри вещества. К чему приводит поляризация? Рассмотрим рис. 4.3.
Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но на внешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются заряды противоположного знака (поверхностно связанные заряды). Обозначим Итак, электростатическое поле внутри диэлектрика всегда меньше внешнего поля. Во сколько раз? Рассмотрим некоторые количественные соотношения. Поместим диэлектрик в виде параллелепипеда в электростатическое поле Электрический момент тела, где Введем новое понятие – вектор поляризации где n – концентрация молекул в единице объема, С учетом этого обстоятельства, (т.к. Приравняем (4.1.3.) и (4.1.5) и учтем, что Поверхностная плотность поляризационных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности. Отсюда следует, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E’ будет влиять только на нормальную составляющую вектора напряженности электростатического поля Вектор поляризации можно представить так: где α – поляризуемость молекул, Следовательно, и у результирующего поля В векторной форме результирующее поле можно представить так: Результирующая электростатического поля в диэлектрике равно внешнему полю, деленному на диэлектрическую проницаемость среды ε: Величина С учетом этого обстоятельства, при наличии диэлектрической среды мы должны поправить все полученные нами в прошлых разделах формулы: например, теорема Гаусса: График зависимости напряженности поля шара от радиуса, с учетом диэлектрической проницаемости двух сред ( Как видно из рисунка, напряженность поля при переходе из одной среды Что такое поляризация диэлектриковПоляризация – состояние диэлектрика, при котором элементарный объем материала приобретает электрический момент (под действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно в сегнетоэлектриках). Поляризованность – количественная характеристика поляризации, определяющая ее интенсивность – вычисляется как P = dp / dV – отношение электрического момента dp элемента диэлектрика к объему этого элемента. [Кл/м 2 ]. Рис. 2.1. Конденсатор с диэлектриком Q 0 – заряд на обкладках конденсатора. Q д – заряд, возникающий на краях диэлектрика из-за поляризации в электрическом поле. e – относительная диэлектрическая проницаемость – отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду конденсатора в вакууме без диэлектрика м/у его обкладками : e = Q / Q 0 = ( Q д + Q 0 )/ Q 0 = 1+ Q д / Q 0 Виды поляризации диэлектриков Это упругие поляризации, которые происходят практически мгновенно, без рассеяния энергии приложенного электрического поля, то есть без выделения тепла в диэлектрике. Быстрые поляризации обусловленные упруго связанными частицами. Рис. 2.2. Упрощенная схема электронной поляризации У неполярных диэлектриков e уменьшается из-за теплового расширения диэлектрика и уменьшения числа частиц в единице объема (рисунок 2.3). Рис. 2.3. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков Состояния: 1 – твердое, 2 – жидкое, 3 – газообразное У неполярных диэлектриков на частотах порядка 10 14 – 10 16 Гц. наблюдается резонансная дисперсия e связанная с резонансной поляризацией (рисунок 2.4) Рис. 2.4. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для неполярных диэлектриков Ионная поляризация проявляется в смещении друг относительно друга упруго связанных разноименно заряженных ионов на расстояния меньше периода кристаллической решетки (рисунок 2.5). Время ионной поляризации на 2 – 3 порядка больше электронной поляризации. Рис. 2.5. Идеализированная схема расположения ионов каменной соли: а — в узлах решетки в отсутствие электрического поля, б — смещенные из узлов на небольшие расстояния при воздействии поля. При дипольной поляризации диполи ориентируются под действием поля. Увеличение температуры приводит к ослаблению молекулярных сил вследствие чего поляризация может усилиться (рисунок 2.6), но при этом растет энергия теплового движения молекул и ориентирующее влияние поля уменьшается, приводя к спаду проницаемости. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для жидкого полярного диэлектрика при различных температурах показана на рисунке 2.7. После некоторой частоты диполи не успевают ориентироваться по полю и диэлектрическая проницаемость уменьшается. Рис. 2.6. Зависимость диэлектрической проницаемости полифенилсилоксановой жидкости от температуры для различных частот Рис. 2.7. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты жидкого полярного диэлектрика при различных температурах Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с ионным типом химических связей. Слабо связанные ионы вещества под действием приложенного электрического поля смещаются на расстояния, превышающие постоянную кристаллической решетки. Этот вид поляризации существенную роль играет в поликристаллической керамике типа рутила TiO2, перовскита CaTiO3, в керамических материалах, изготовленных на основе сложных оксидов титана, циркония, ниобия, тантала, свинца, церия, висмута. Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках, имеющих проводящие и полупроводящие включения, слои с различной проводимостью и т.п. При внесении неоднородных диэлектриков в электрическое поле свободные заряды смещаются и концентрируются на граничных слоях включений, в приэлектродных слоях и т.д., образуя пространственные заряды, поле которых внешне проявляет себя как «дополнительный» механизм поляризации. Рис. 2.8. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры вдоль осей a и c для BaTiO 3 Характерные свойства сегнетоэлектриков обусловлены наличием у них доменной структуры – взаимосвязанных микрообластей, в пределах которых векторы поляризации структурных ячеек имеют одинаковое направление. Классификация диэлектриков по механизмам поляризации Линейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, применяемым в в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов. Характер изменения поляризованности и диэлектрической проницаемости от напряженности поля для линейных диэлектриковпоказан на рисунке 2.9. Рис. 2.9. Зависимость поляризованности и диэлектрической проницаемости линейных диэлектриков от напряженности электрического поля Неполярные диэлектрики (нейтральные) – состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Примеры материалов: парафин, полиэтилен, полистирол. Полярные диэлектрики (дипольные) – состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Примеры материалов: фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, хлористый метил. Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. К первой группе ионных диэлектриков, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (каменная соль, кварц, слюда, корунд и др.) Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов в решетке имеют также и ионно-релаксационную поляризацию относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др. Пропорциональности между векторами Р и Е нет у нелинейных диэлектриков, к которым относятся, в частности, сегнетоэлектрики (рисунок 2.10). Нелинейные диэлектрики являются активными диэлектриками, параметры которых зависят от величины приложенной разности потенциалов. Рис. 2.10. Зависимость диэлектрической проницаемости и поляризованности нелинейного диэлектрика от напряженности электрического поля Диэлектрическая проницаемость смесей Для расчета эффективной диэлектрической проницаемости смеси предполагается, что ее отдельные компоненты не вступают друг с другом в химические реакции, т.е. смесь является физической. Обозначая через y1 и y2 доли объемного содержания (объемные концентрации) первого и второго компонента будем иметь для параллельного соединения: | |
, то у диэлектриков 
, а полупроводники занимают промежуточную область 
– электростатическое поле связанных зарядов. Оно направлено всегда против внешнего поля 
. Следовательно, результирующее электростатическое поле внутри диэлектрика
(рис. 4.4).
можно найти по формуле:
– поверхностная плотность связанных зарядов.
– электрический момент единичного объема.
– электрический момент одной молекулы.
– 
– проекция 
на направление 
– вектора нормали, тогда
.
– диэлектрическая восприимчивость – макроскопическая безразмерная величина, характеризующая поляризацию единицы объема.
характеризует электрические свойства диэлектрика. Физический смысл диэлектрической проницаемости среды ε – величина, показывающая во сколько раз электростатическое поле внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме:
или закон Кулона: 
и 
), показан на рисунке 4.5.
