Механизмы поляризации диэлектриков

Процесс поляризации наблюдается во всех без исключения ди­электриках. В зависимости от вида заряда, расстояния, на которое он способен перемещаться, времени, затрачиваемого на поляри­зацию, различают четыре ее механизма.

1. Электронная поляризация — смещение под действием поля электронного облака атомов, в результате чего центры масс от­рицательных и положительных зарядов перестают совпадать и каждый атом становится электрическим диполем (рис. 2.2, а).

Специфика этого вида поляризации — упругое смещение на очень малые расстояния частиц с предельно малой массой — обу­словливает ее безинерционность (время установления электрон­ной поляризации около с), так что она успевает следовать за полем даже в области оптических частот.

Поэтому диэлектрическая проницаемость материалов, облада­ющих преимущественно электронной поляризацией, не зависит от частоты и практически не зависит от температуры

Рис. 2.2. Схемы, поясняющие механизмы поляризации диэлектриков: a – электронная; б – ионная; в – дипольная; г - миграционная

Электронная поляризация происходит без потерь энергии на нагрев диэлектрика, то есть имеет чисто упругий характер. Значение диэлектрической проницаемости материалов, обладающих электронной поляризацией, обычно колеблется в пределах 2... 2,5.

2. Ионная поляризация вызывается упругим смещением ионов на небольшое в сравнении с параметром решетки расстояние и наблюдается в ионных твердых телах (рис. 2.2, б). Время установления ионной поляризации около с, что обеспечивает ее независимость от частоты.

Эффект ионной поляризации перекрывает проявление электрон­ной, которая, естественно, происходит и в этом случае, и типич­ное значение диэлектрической проницаемости для чисто ионных кристаллов составляет 5... 10. Характерна она для стекол и керамик. Аномально высока диэлектрическая проницаемость у оксидов металлов, обладающих полупроводниковыми свойствами, среди них особо выделяется оксид титана с диэлектрической проницаемостью, равной 120.

С повышением температуры смещение ионов облегчается, вследствие чего растет и диэлектрическая проницаемость. Это является важной особенностью диэлектриков с ионным строением — кера­мики и стекол — и должно учитываться при их использовании.

3. Дипольная (ориентационная) поляризация проявляется как ориентация под действием поля полярных молекул или групп ато­мов. Полярной является, например, молекула воды, расположение атомов водорода в которой несимметрично относительно атома кислорода (рис. 2.2, в). Полярны также многие полимеры, но их молекулы в целом не могут ориентиро­ваться по полю из-за большой длины; для них типично смещение отдельных фрагментов.

На преодоление взаимодействия молекул и сил трения при ориентации диполей расходуется энергия поля, которая превра­щается в тепло (рассеивается). Следовательно, дипольная поля­ризация неупругая, релаксационная.

При нагревании материала подвижность молекул возрастает, но в твердых телах это сказывается на увеличении e лишь при температурах, приближающихся к температуре плавления или размягчения. В жидкостях и полимерах может наблюдаться экс­тремальная температурная зависимость : при нагреве она сна­чала растет из-за ослабления связей между молекулами, а затем падает, так как превалирующее значение приобретает тепловое разупорядочивающее движение молекул, а не ориентирующее действие поля.

При увеличении частоты диэлектрическая проницаемость снижается, поскольку проявляется инерционность процесса ориента­ции.

Ионные кристаллы не обладают дипольной поляризацией, так как в них нет молекул. Но если материал содержит примеси, со­стоящие из полярных молекул, диэлектрические потери могут резко возрасти. Так бывает, например, когда полимер содержит в виде примесей остатки отвердителя. Влажность диэлектрика (особенно для пористых материалов) также может быть причиной по­вышенных потерь вследствие дипольной поляризации.

4. Миграционная поляризация — неупругое перемещение слабосвязанных примесных ионов на расстояния, превышающие па­раметр кристаллической решетки, часто до границ зерен (рис. 2.2, г). Ион приме­си, не становится носителем, потому что он не может преодолеть границу зерна, но участвует в переносе тока при смене его поляр­ности. Закономерности для поляризации по миграционному меха­низму те же, что и для дипольной.

Чтобы избежать потерь, связанных с миграционной поляриза­цией, надо обращать внимание на отсутствие в материале пор, механических включений и примесей, прежде всего легкоподвиж­ных ионов Na+.

Анализируя пригодность какого-либо диэлектрика для тех или иных целей, необходимо прежде всего представлять себе, на­сколько он полярен. Как говорилось выше, строго неполярных диэлектриков практически не существует.

Очень слабо полярными являются многие высококачественные полимеры, по своему строению тоже неполярные, но все же со­держащие некоторые количества примесей, повышающих значе­ние диэлектрических потерь вследствие диполыюй и миграцион­ной поляризации.

Полупроводники — Ge, Si, GaAs — имеют диэлектрическую проницаемость в интервале значений 12... 15, которая уменьшается по мере увеличения частоты. Большие значения в обусловлены малой шириной запрещенной зоны.