Поляризация диэлектриков

Под действием электрического поля в диэлектриках протекает процесс поляризации – упругое смещение связанных зарядов или ориентация вдоль поля дипольных моментов полярных молекул. При этом в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, т. е. материал в объеме электрически нейтрален, а на поверхности образуются заряды разных знаков.

С физической точки зрения имеются следующие виды поляризации:

· электронная – за счет упругого смещения и деформации электронных оболочек атомов и ионов;

· ионная – за счет смещения упругосвязанных ионов на расстоянии меньше периода решетки;

· дипольная – за счет ориентации полярных молекул или групп атомов;

· миграционная – за счет макроскопических неоднородностей примесей;

· самопроизвольная (спонтанная) – существует только у сегнетоэлектриков за счет смещения ионов и образования диполей вследствие фазовых переходов или механических напряжений;

· электронно-релаксационная – за счет возбужденных тепловой энергией избыточных электронов или дырок;

· резонансная – за счет поглощения электромагнитной энергии (световых частот) на частотах, соответствующих собственной частоте электронов или ионов или характеристической частоте дефектных электронов.

На рис. 3.1, а продемонстрирован механизм дипольной поляризации мо­лекулы воды, расположение атомов водорода в которой несимметрично относительно атома кислорода.

а б

Рис. 3.1. Дипольная поляризация:

а – ориентация молекул под действием электрического поля в конденсаторе;
б – зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для совола

Если диэлектрик будет находиться между электродами конденсатора, то поляризация вызовет дополнительный переход электронов с положительной пластины на отрицательную при неизменном напряжении внешнего источника питания. Поляризация, следовательно, является дополнительным электрическим источником и, в результате, заряд конденсатора увеличивается в ε раз. Величина ε называется диэлектрической проницаемостью материала и отражает увеличение емкости конденсатора при замене в нем вакуума диэлектриком. Следовательно, емкость конденсатора С с диэлектриком из материала зависит от его способа поляризоваться
и определяется известным соотношением:

(3.1)

где ε₀ = 8,854 × 10^–12 – электрическая постоянная, соответствующая абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума, Ф/м; S – площадь конденсаторных пластин; d – расстояние между пластинами (толщина диэлектрика).

С физической точки зрения диэлектрическую проницаемость можно представить как

(3.2)

где N – количество частиц в единице объема; α – поляризуемость частиц.

Поскольку емкость конденсатора с изолятором из вакуума зависит только от его геометрических размеров, то ее величина определяется как

(3.3)

Поскольку для вакуумного или воздушного диэлектрика ε = 1, следовательно, диэлектрическую проницаемость любого материала можно определить как

(3.4)

А численное значение диэлектрической проницаемости ε показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости вакуумного конденсатора. В связи с этим безразмерный параметр ε называется относительной диэлектрической проницаемостью, а выражение (3.5) – –абсолютной диэлектрической проницаемостью, или удельной емкостью диэлектрика.