Что называется поляризацией диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации. Смотреть что такое "поляризация диэлектриков" в других словарях

Поляризация диэлектриков поляриза́ция диэле́ктриков

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

ПОЛЯРИЗА́ЦИЯ ДИЭЛЕ́КТРИКОВ,
1) Процесс образования объемного дипольного электрического момента (смещение электрических зарядов) в диэлектрике (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) .
Поляризацией диэлектрика называют состояние, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема. Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствии поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков проявляется под действием механических напряжений. Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью (см. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ) . Осуществляется благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных атомов, молекул, ионов, либо ориентации электрических диполей, существовавших в диэлектрике и в отсутствие электрического поля. Существует несколько видов поляризации, отличающихся своим механизмом и свойствами.
Электронная поляризация
Представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Центр орбиты электрона смещается на расстояние, которое зависит от напряженности поля E и резонансной частоты атома. Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около10 -15 с), поэтому электронную поляризацию условно называют мгновенной: запаздывания поляризации по отношению к изменению электрического поля не наблюдается. Электронная поляризация происходит без потерь энергии (как бы упругая деформация), в диэлектрике имеется только емкостная составляющая тока. Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема.
Ионная поляризация
Характерна для твердых тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов на расстояния в пределах кристаллической решетки. Наблюдается в твердых телах с ионной кристаллической решеткой. Смещение токов происходит по малым расстояниям за счет упругой деформации решетки. Смещению ионов под действием поля препятствуют упругие силы химической связи. Смещение двух разноименно заряженных ионов приводит к появлению элементарного электрического момента. Сумма таких элементарных моментов, приходящихся на единицу объема, определяет ионный вклад в поляризованность диэлектрика. С повышением температуры расстояния между ионами вследствие теплового расширения материала увеличиваются. В большинстве случаев это сопровождается ослаблением сил упругой связи и возрастание поляризованности диэлектрика. Время установления ионной поляризации - порядка 10 -13 с.
Ионно-релаксационная поляризация .
Наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например, в неорганических стеклах и в некоторых кристаллических веществах. Ионно-релаксационная поляризация это переброс в твердом диэлектрике на другое место слабо закрепленных в решетке ионов. Это происходит при достаточной тепловой подвижности ионов, когда они отрываются от своего места в решетке и закрепляются в другом, недалеко от своего места. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия, т.е. этот механизм можно отнести к релаксационной поляризации, при которой имеет место необратимое рассеяние энергии. Свойства ионно-релаксационной поляризации близки к свойствам дипольной поляризации.
Дипольная поляризация .
Отличается от электронной и ионной тем, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль электрического поля. У симметричных неполярных молекул (H 2 , O 2 , N 2)под действием электрического поля возникает упругая поляризация. У некоторых несимметричных полярных молекул (CO, HCl, NH) центры зарядов сдвинуты друг относительно друга, так что такая молекула имеет собственный постоянный момент. Так как векторы дипольных моментов в отсутствии электрического поля ориентированы хаотически, суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю. Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекул параллельно вектору Е (тепловое движение этому противодействует), так что вещество в целом приобретает отличный от нуля дипольный момент. Такая поляризуемость называется ориентационной. С увеличение температуры молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать поляризацию, однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому температурное изменение диэлектрической проницаемости при дипольно-релаксационной поляризации характеризуется наличием максимума. Такая поляризация свойственна полярным жидкостям, может наблюдаться и в твердых полярных органических веществах. Но в этом случае поляризация обычно обусловлена уже поворотом не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной (например, в целлюлозе (см. ЦЕЛЛЮЛОЗА (полисахарид)) полярность объясняется наличием гидроксильных групп –ОН и кислорода). В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми ван-дер-ваальсовыми связями возможна ориентация и более крупных частиц.
Миграционная поляризация
Имеет место в двух- и многослойных диэлектриках, обладающих разными значениями диэлектрической проницаемости. Характеризуется большой инертностью и потерями. В граничных слоях слоистых материалов и в приэлектродных слоях может быть накопление зарядов медленно движущихся ионов, что создает эффект медленно движущейся поляризации.
Остаточная поляризация
Характерна для веществ, называемых электретами (см. ЭЛЕКТРЕТЫ) . Эти вещества способны сохранять поляризованное состояние и при снятии электрического поля.
2). Электрический дипольный момент единицы объема диэлектрика.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "поляризация диэлектриков" в других словарях:

1) смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием приложенного электрического поля. Может осуществляться благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных атомов, молекул, ионов либо ориентации… … Большой Энциклопедический словарь - смещение электрич. зарядов под действием приложенного электрич. поля и, как следствие, образование в диэлектрике электрич. дипольного момента. Может осуществляться благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек… … Естествознание. Энциклопедический словарь

1) смещение положительных и отрицательных электрических зарядов в диэлектриках (См. Диэлектрики) в противоположные стороны. П. д. происходит под действием электрического поля или некоторых др. внешних факторов, например механических… … Большая советская энциклопедия

Поляризация диэлектриков явление, связанное с поляризацией связанных зарядов в диэлектрике и поворотом электрических диполей под воздействием внешнего электрического поля. Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации.… … Википедия

- (франц. polarisation, перво

Явление, при котором происходит в диэлектрике ограниченное по величине смещение связанных зарядов, или же наблюдается поворот получило в физике название поляризация диэлектриков. Течение этого процесса может происходить или спонтанно, в силу внутренних причин, или же под воздействием внешних сил, прежде всего, электрических полей.

Физико-математическое отражение процесса характеризуется вектором поляризации, представляющим собой который рассматривается в отношении к величине объема диэлектрика. Довольно часто в физическом контексте используют упрощенный термин - поляризация. Этот параметр используется не только для отражения макроскопического состояния. Его можно применять для описания любых явлений, обладающих свойствами, которыми характеризуется и поляризация диэлектриков.

Исходя из этого утверждения, можно сформулировать общий признак явления. Такое состояние диэлектрика, при котором в нем обнаруживается наличие дипольного момента в каждой точке его объема, и характеризует поляризация диэлектриков.

Рассматриваемое явление неоднозначно по своей природе. Различают такие виды поляризации диэлектриков как наведенная, то есть возникающая под воздействием внешних электрических полей, спонтанная, образующаяся при отсутствии внешних возбудителей поляризации, механическая (сегнетоэлектрика), формирующаяся при действии механических возбудителей, термическая, возникающая под действием колебаний температуры.

Особенностью поляризации как является то, что она практически не влияет на величину суммарного заряда однородного диэлектрика, какую бы точку его объема не выбрали. В то же время, при поляризации происходит формирование связанных зарядов на поверхности диэлектрика. Вот эти заряды и являются источниками дополнительного поля с некоторой напряженностью, вектор которой направлен против вектора действия внешнего поля.

Важным в рассматриваемом вопросе выступает и классификация поляризации диэлектриков в зависимости от самих ее механизмов. В этом аспекте выделяются такие ее типы:

Миграционная характерна для материалов, в структуре которых имеются четко различимые слои, обладающие различной проводимостью. Такая поляризация характеризуется замедленным действием;

Электронная поляризация состоит в перемещении оболочек атомов под влиянием внешних электрических полей. Это - самый быстрый тип поляризации;

Ионная характеризуется теми же факторами, что и электронная, только в этом случае происходит не смещение оболочек атомов, а перемещение узлов структуры веществ;

Дипольная, или как ее еще называют ориентационная поляризация характеризуется значительными потерями, причина которых состоит в больших затратах энергии на преодоление внутренних связей в диэлектрике. Для ориентационной поляризации диэлектриков характерно явление строго определенной ориентации диполей;

Электронно-релаксационная характеризуется наличием такой же определенной ориентации дефектных электронов;

Ионно-релаксационная поляризация диэлектриков проявляется в перемещении ионов, которые обладают слабыми внутренними связями и не закреплены устойчиво в узлах кристаллических решеток структуры вещества;

Структурная проявляется также в определенной ориентации элементов диэлектрика, но в этом случае этими элементами выступают различные примеси, которые содержит вещество диэлектрика. Эта поляризация протекает наиболее медленно;

Самопроизвольная (спонтанная) наблюдается у диэлектриков с очень высокими параметрами проницаемости, их называют сегнетоэлектриками;

Резонансная характеризуется совпадением частот электронов диэлектрика с частотами воздействующего на него поля, отсюда, собственно, и такое название.

Как правило, во всех случаях, кроме резонансной поляризации, ее величина достигает максимальных значений в статических полях.

Основы > Электротехнические материалы > Диэлектрики

Поляризация диэлектриков

Основными электрическими процессами, возникающими в диэлектриках под воздействием приложенного напряжения, являются процессы поляризации, электропроводности и пробоя диэлектриков .
Поляризация представляет собой обратимое смещение электрически заряженных частиц, входящих в состав диэлектриков. Различают следующие основные виды поляризации: электронная, ионная, дипольная, спонтанная и некоторые другие.
Процесс поляризации диэлектриков описывается уравнением Клаузиуса - Мосотти

где - диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала; - число частиц (молекул, ионов) в 1 см3 материала; - поляризуемость частицы (молекула, ион); Р - удельная поляризация диэлектрика.
Уравнение Клаузиуса - Мосотти устанавливает связь между практической характеристикой материала - диэлектрической проницаемостью , физической постоянной материала и числом поляризующихся частиц в единице объема диэлектрика .
Электронная поляризация представляет собой процесс упругого смещения электронов (электронных орбит) относительно ядра во всех атомах диэлектрика. Процесс электронной поляризации является процессом мгновенным. Он происходит за время с. Электронная поляризация имеет место во всех диэлектриках.
Электронная поляризуемость зависит от структуры частицы. Чем больше радиус молекулы или иона, тем больше и величина данного диэлектрика.
В пропорциональной зависимости от числа частиц в единице объема диэлектрика находится и величина . С нагреванием, когда плотность диэлектрика уменьшается, наблюдается уменьшение е нейтрального диэлектрика (рис. 5-1 , кривая 1).
У диэлектриков с чисто электронной поляризацией величина численно равна квадрату показателя преломления света.
Процесс ионной поляризации представляет собой упругое смещение под действием электрического поля ионов относительно центров их равновесия. Поляризация ионного смещения происходит за время, сравнимое со временем собственных колебаний ионов, и составляет с.
Интенсивность процесса ионной поляризации в уравнении Клаузиуса - Мосотти учитывается величиной ионной поляризуемости :

где е - заряд иона; b - коэффициент упругой связи между ионами.
С повышением температуры ионного диэлектрика величина аи возрастает в связи с ослаблением упругих сил в ионном ди-электрике и увеличением амплитуды колебаний иона. Поэтому интенсивность процесса ионной поляризации возрастает с повышением температуры. В ионных диэлектриках одновременно с поляризацией ионного смещения развивается также процесс электронной поляризации - явление, которое с нагревом и расширением диэлектрика понижается, но суммарный эффект поляризации у большинства ионных диэлектриков возрастает (рис. 5-2) с повышением их температуры.
Электронная и ионная поляризации представляют собой виды деформационной поляризации, не вызывающие потерь энергии в диэлектриках. Дипольная (дипольно-релаксационная) поляризация протекает в полярных диэлектриках под действием электрического поля. Этот вид поляризации представляет собой ориентацию - поворот полярных молекул в направлении действующего электрического поля.
Поляризуемость полярных молекул ао определяется выражением

где - начальный электрический момент полярной молекулы; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Зависимость e от температуры для ионного кристаллического диэлектрика.

Зависимость e от частоты для электроизоляционных жидкостей.
1-нейтральная жидкость; 2-полярная жидкость.

Зависимость e галовакса от температуры при разных частотах.

При повышении температуры диэлектрика интенсивность дипольной поляризации возрастает в связи с ослаблением междумолекулярных сил и понижением коэффициента внутреннего трения. Поэтому с повышением температуры вначале полярных диэлектриков увеличивается (рис. 5-1), С дальнейшим ростом температуры интенсивность хаотического теплового движения полярных молекул начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля и эффект дипольной поляризации понижается. Это в свою очередь вызывает уменьшение полярных диэлектриков.
Для ориентации полярных молекул в процессе дипольной поляризации требуются промежутки времен, значительно большие по сравнению со временем для процессов деформационных поляризаций. Естественно, диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков в сильной степени зависит от частоты электрического поля (рис. 5-3). В начальном диапазоне частот полярные молекулы успевают совершить свой поворот за время одного полупериода. При этом практически равна при постоянном напряжении. С дальнейшим ростом частоты время одного полупериода сокращается и ряд молекул выпадает из процесса дипольной поляризации. При этом диэлектрическая проницаемость диэлектрика резко снижается, достигая (при очень больших частотах) значения , обусловленного только электронной поляризацией молекул диэлектрика. Критическая частота , с которой начинается резкое снижение эффекта дипольной поляризации, может быть определена по формуле

где - радиус полярной молекулы; - абсолютная вязкость; - постоянная Больцмана; - абсолютная температура.
Дипольная поляризация ярко выражена у полярных газов и жидкостей (касторовое масло, совол и др.). В твердых полярных диэлектриках дипольная поляризация представляет собой не ориентацию самих полярных молекул, а поворот имеющихся в молекулах полярных радикалов, например гидроксильных групп в молекулах целлюлозы, бакелита и др. Этот вид дипольно-релаксационной поляризации иногда называется структурной поляризацией. На рис. 5-4 представлена зависимость твердого полярного диэлектрика - галовакса от температуры при разных частотах.
Значения диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков зависят от размеров полярных молекул и величин их начального электрического момента. Чем меньше размер полярной молекулы - диполя и больше величина ее начального момента , тем больше данного диэлектрика. У полярных диэлектриков одновременно имеют место дипольная и электронная поляризации. Вследствие этого суммарный эффект поляризации полярных диэлектриков, а следовательно, и значения их диэлектрических проницаемостей намного выше, чем у нейтральных диэлектриков (табл. 5-1).
Дипольно-релаксационные поляризации вызывают потери энергии в диэлектриках, так как электрическое поле затрачивает энергию на поворот полярных молекул (диполей). Эта энергия рассеивается в полярных диэлектриках в виде тепла, которое вызывает нагрев последних. Потери мощности в диэлектриках, работающих в переменном поле, оцениваются тангенсом угла диэлектрических потерь . На рис. 5-5 показаны зависимости этой характеристики от температуры для нейтральной и црлярной жидкостей.
У тщательно очищенных нейтральных диэлектриков диэлектрические потери обусловлены преимущественно токами проводимости, величины которых возрастают с повышением температуры диэлектрика. В связи с этим возрастает и . У полярных диэлектриков наблюдается максимум при такой величине вязкости диэлектрика, когда в процессе дипольной поляризации принимает участие наибольшее количество полярных молекул. Понижение величины с дальнейшим повышением температуры обусловлено ростом интенсивности беспорядочного теплового движения полярных молекул. Вторичный подъем вызван увеличением тока проводимости в диэлектрике.
На рис. 5-6 представлена частотная зависимость для полярной жидкости. Максимум здесь соответствует частоте , с которой начинается снижение величины (рис. 5-3) и . Это объясняется тем, что большинство полярных молекул выходит из процесса дипольной поляризации в связи с уменьшением времени одного полупериода при дальнейшем увеличении частоты электрического поля.
Еще один вид релаксационной поляризации наблюдается в неорганических стеклах, а также в ионных кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (муллит в фарфоре и др.). В этих диэлектриках слабо связанные ионы, находящиеся в состоянии хаотических тепловых колебаний, перебрасываются электрическим полем. Этот процесс получил название ионно-релаксационной поляризации . Переброс слабо связанных ионов вызывает дополнительные потери энергии.
Самопроизвольная (спонтанная поляризация) представляет собой процесс самопроизвольной ориентации диполей, наблюдаемой внутри отдельных областей (доменов) диэлектрика в отсутствие электрического поля. Самопроизвольная поляризация имеет место у материалов, называемых сегнетоэлектриками .
В отсутствие электрического поля электрические моменты отдельных областей (доменов) диэлектрика направлены беспорядочно, но они взаимно уравновешивают друг друга. Наложение на диэлектрик электрического поля вызывает ориентацию диполей в направлении поля. При этом интенсивность поляризации резко возрастает, вследствие чего наблюдается сильный рост диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика. Этот процесс продолжается до определенной напряженности электрического поля, а затем наступает насыщение (рис. 5-7). Дальнейшее повышение напряженности не увеличивает интенсивности поляризации, и рост прекращается. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрических материалов имеет также ярко выраженный максимум при вполне определенной температуре (рис. 5-8). Эта температура называется сегнетоэлектрической температурой Кюри (). Наличие спонтанной поляризации обусловливает аномально большие значения у сегнетоэлектриков (сегнетова соль, титанат бария и др.). Процесс самопроизвольной поляризации сопровождается затратой энергии, рассеиваемой в диэлектриках в виде тепла.

Отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков , и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

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 c напряжённостью E 1 {\displaystyle \mathbf {E} _{1}} , направленное против внешнего поля с напряжённостью E 0 {\displaystyle \mathbf {E} _{0}} . В результате напряжённость поля E {\displaystyle \mathbf {E} } внутри диэлектрика будет выражаться равенством:

E = E 0 − E 1 . {\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}-\mathbf {E} _{1}.}

Энциклопедичный YouTube

1 / 5
В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:
- Электронная - смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10 −15 с). Не связана с потерями.
- Ионная - смещение узлов кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки . Время протекания 10 −13 с, без потерь.
- Дипольная (Ориентационная) - протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
- Электронно-релаксационная - ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
- Ионно-релаксационная - смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
- Структурная - ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
- Самопроизвольная (спонтанная) - возникает в отсутствие внешнего электрического поля. Наблюдается в материалах, состоящих из отдельных доменов (областей). В каждом из доменов имеет своё, отличное от других доменов, направление, в результате чего суммарный дипольный момент материала равен нулю. При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются вдоль поля. Возникающая при этом поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля; наблюдается явление гистерезиса . Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики).
- Резонансная - ориентация частиц, собственные частоты колебания которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
- Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объёмных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения; имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.
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.

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 :
P = χ E {\displaystyle \mathbf {P} =\chi \mathbf {E} } (в системе СГС), P = ε 0 χ E {\displaystyle \mathbf {P} =\varepsilon _{0}\chi \mathbf {E} } (в Международной системе единиц (СИ) ; дальше формулы в этом параграфе приводятся только в СГС, формулы СИ и дальше отличаются лишь электрической постоянной ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} )
где χ {\displaystyle \chi } - 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 её можно считать константой. Однако в связи со всем сказанным выше вообще говоря χ {\displaystyle \chi } зависит от точки пространства, времени (явно или через другие параметры) и т. д.
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 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.

Любое вещество, вне зависимости от его агрегатного состояния и деталей его атомно-молекулярного устройства, например, атомный, молекулярный или ионный кристалл и т. п., в конечном счете, состоит из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Поэтому механизм поляризации один - это смещение положительных зарядов по поляризующему полю и отрицательных зарядов против поляризующего поля (рис. 3.14). Здесь уместно подчеркнуть, что вещество поляризуется не внешним полем (см., например (3.2) выше), а суммарным полем , созданным как сторонними (не принадлежащими диэлектрику) зарядами, так и самим поляризованным веществом. В дальнейшем мы не будет специально это подчеркивать.

Рис. 3.14. Смещение положительных зарядов по поляризующему полю
и отрицательных зарядов против поляризующего поля

При исследовании поляризационных свойств конкретных веществ разумно и полезно выделять те главные особенности единого механизма перемещения зарядов под действием поляризующего поля, которые и определяют результат: степень и характер поляризованности вещества. Это приводит к рассмотрению целого ряда «частных» механизмов поляризации, таких как:

и многие другие.

Несколько слов по поводу упомянутой выше ионной поляризации, которая имеет место в кристаллах типа поваренной соли NaCl. Под действием поля положительно заряженные ионы натрия Na + и отрицательно заряженные ионы хлора Cl – смещаются в разные стороны из своих равновесных положений, из-за чего каждая элементарная ячейка кристалла приобретает электрический дипольный момент. Этот пример полезен в следующем смысле: как бы сложно ни был устроен диэлектрик - в данном случае ионный кристалл - его поляризация обусловлена смещением в противоположные стороны положительных и отрицательных зарядов. Вопрос в том, какие конкретно носители заряда способны к такому перемещению: свободные электроны в металле, сильно связанные с ядрами электроны электронной оболочки нейтральных атомов или молекул в газе или жидкости, ионы в узлах кристаллической решетки и так далее. Определяется это тем, как устроен диэлектрик.

Процессы, происходящие в диэлектрике при его поляризации, можно понять, исходя из представлений о диэлектрике как о среде, состоящей из попарно связанных разноименных зарядов. В отличие от проводников в диэлектриках нет свободных зарядов, которые под действием внешнего поля могут двигаться по всему объему образца. Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, прочно связаны между собой и способны перемещаться только в пределах своей молекулы (или атома), то есть на расстоянии порядка см.

Практически во всех тех случаях, когда диэлектрик состоит из электрически нейтральных частиц (атомов и молекул), независимо от его агрегатного состояния, возможно сведение всех «подмеханизмов» поляризации к двум видам. Для этого принято делить все атомы и молекулы и состоящие из них диэлектрики на два класса:

Рис. 3.15. Поляризация неполярного диэлектрика

Рис. 3.16. Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Здесь - вектор дипольного момента одной молекулы, суммирование ведётся по всем молекулам, находящимся внутри физически бесконечно малого объема . Например, рассмотрим однородно поляризованный шар (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Поляризованность и электрическое поле однородно поляризованного шара

При поляризации неполярного диэлектрика электронная оболочка атома или молекулы деформируется - электроны смещаются против поляризующего поля, ядра смещаются по полю. Возникает некоторое расстояние между ранее (в отсутствие поляризующего поля) совпадавшими центрами положительных и отрицательных зарядов. В результате атом или молекула приобретают некоторый наведенный дипольный момент.

Более или менее очевидно, что наведенный дипольный момент будет пропорционален величине внешнего электрического поля. Понять это можно, рассматривая поведение потенциальной энергии П(x ) взаимодействия двух частиц, где х - расстояние между ними. Пусть равновесному состоянию соответствует расстояние (частицы находятся в одной точке и дипольный момент отсутствует). При малых отклонениях от положения равновесия в разложении потенциальной энергии в ряд Тейлора можно ограничиться несколькими первыми членами

Учитывая, что первая производная в точке равновесия равна нулю и что вторая производная в этой точке положительна , получаем, что вблизи точки устойчивого равновесия потенциальная энергия ведет себя как

Соответственно, при отклонении от этого положения возникает сила

,

подобная силе упругости при растяжении пружины. Если заряды в молекуле «соединены» такой «пружиной», то при наложении поля Е новое равновесное расстояние между частицами будет определяться соотношением

В результате находим величину возникшего под действием поля дипольного момента

Умножая наведенный дипольный момент на концентрацию поляризованных молекул N /V (N - их полное число в объеме V ), получаем поляризованность диэлектрика

Если записать поляризованность (3.16) в виде

где константа (для данного вещества) по определению есть диэлектрическая восприимчивость вещества, то для , то в рамках данной модели диэлектрическую восприимчивость можно вычислить по нижеследующей формуле

У молекул, называемых полярными, центры положительных и отрицательных зарядов сдвинуты друг относительно друга, поэтому такая молекула имеет собственный дипольный момент. При помещении такой молекулы в электрическое поле её электронная оболочка деформируется, расстояние между центрами зарядов увеличивается и к исходному собственному дипольному моменту добавляется некоторый наведенный дипольный момент. Однако, можно показать, что этот дополнительный наведенный дипольный момент много меньше собственного. Разумеется, это справедливо, если поляризующее поле много меньше поля, существующего внутри молекулы. По порядку величины внутримолекулярное поле равно атомной единице напряженности электрического поля: В/м. В написанном выражении для атомной единицы напряженности электрического поля масса электрона, его заряд, постоянная Планка. Учитывая, что, например, «пробойная» - приводящая к искровому разряду – напряженность поля для сухого воздуха составляет всего В/м, то есть на пять порядков меньше, можно утверждать, что в подавляющем большинстве экспериментов наведенным дипольным моментом, при наличии собственного, можно пренебречь. В дальнейшем, при рассмотрении поляризации дипольных диэлектриков, этот эффект (наведение дополнительного момента) учитываться не будет.

Векторы собственных дипольных моментов отдельных молекул в обычном состоянии из-за теплового движения ориентированы хаотически. Поэтому при отсутствии внешнего электрического поля средний суммарный дипольный момент любого физически бесконечно малого объема диэлектрика равен нулю. Другими словами, диэлектрик не поляризован: его поляризованность равна нулю.

Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекул параллельно вектору , а тепловое движение этому препятствует, диэлектрик поляризуется, при этом его поляризованность должна зависеть от температуры, а именно: с ростом температуры она должна убывать. Ниже эта зависимость вычисляется, также будет показано, что и в случае полярных диэлектриков их поляризованность пропорциональна напряженности поляризующего поля. Такая поляризация называется ориентационной (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Ориентационная поляризация диэлектрика
В соответствии с формулой (3.8) потенциальная энергия диполя во внешнем поле Е зависит от ориентации диполя

Согласно статистическому закону Больцмана (рис 3.19), описывающему распределение частиц по энергиям во внешнем поле в условиях термодинамического равновесия, число молекул, дипольный момент которых ориентирован под углом , к внешнему полю, определяется как

Здесь С - нормировочная постоянная, значение которой мы найдем позже, Т - абсолютная температура, постоянная Больцмана - k B = 1,38·10 –23 Дж/К. Вследствие малости дипольного момента молекул, для обычных (не слишком низких) температур показатель экспоненты мал, и мы можем разложить экспоненту в ряд Тейлора, оставляя первые два члена

Рис. 3.19. Л. Больцман (1844–1906) - австрийский физик

Подчеркнем, что использование приближенного выражения (3.18) и всех выводов, следующих из него, оправдано при не слишком низких температурах, когда . Не представляет труда точное вычисление с использованием (3.17) вместо приближенного (3.18), которое читатель может проделать самостоятельно.

Интеграл по полному телесному углу должен дать полное число N молекул в системе. Поскольку среднее значение косинуса равно нулю, то интегрируется лишь первое слагаемое в (3.18). Так как значение полного телесного угла равно , получаем

Теперь мы знаем постоянную С и можем записать выражение (3.18) в виде

Необходимо определить значение проекции суммарного дипольного момента на направление поля (другие проекции заведомо равны нулю ввиду осевой симметрии задачи). Проекция дипольного момента одной молекулы равна рcosa, следовательно полный дипольный момент Р всех молекул в единице объема равен

Интеграл по равен , а интеграл по вычисляется с помощью замены переменной

Находим тогда

Из (3.21) вытекает, что и в случае дипольной ориентационной поляризации вещества поляризованность пропорциональна напряженности электрического поля. Более того, мы нашли зависимость поляризованности от температуры. Это закон Кюри, который подтверждается на опыте (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Зависимость поляризованности полярного диэлектрика от температуры (точное решение)

Подводя итоги данного раздела, мы вкратце повторим основные выводы. Внешнее электрическое поле либо создает дипольные моменты, ориентированные по полю, либо ориентирует дипольные моменты отдельных молекул, и диэлектрик приобретает определенный макроскопический дипольный момент. Вектор называется поляризованностью диэлектрика. Он пропорционален напряженности внешнего электрического поля, и эту связь можно представить в виде
то вектор поляризации в СИ измеряется в Кл/м 2 . Его размерность совпадает с размерностью поверхностной плотности зарядов. Это наводит на мысль, что вектор поляризованности связан с плотностью поляризационных зарядов, возникающих на поверхности и в объеме диэлектрика, помещенного во внешнее поле (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Вектор поляризованности и плотность поляризационных зарядов

Пропорциональность между поляризованностью Р и напряженностью Е внешнего электростатического поля объясняется в случае электронной и ионной поляризации тем, что с увеличением Е растут дипольные моменты отдельных атомов p i . При дипольной поляризации пропорционально увеличению напряженности внешнего электростатического поля увеличивается степень ориентации векторов p i . Выше мы нашли общие формулы для диэлектрической восприимчивости при различных видах поляризации. Следует подчеркнуть, что они справедливы для газов: мы не учитывали влияния молекул друг на друга, что допустимо для систем, где частицы не слишком плотно упакованы. Но общий вывод остается справедливым и для конденсированных сред (жидкостей и твердых тел): под действием внешнего электрического поля единица объема диэлектрика приобретает дипольный момент Р ; в простейших случаях имеет место линейная зависимость

В полную диэлектрическую восприимчивость диэлектрика дают вклад все три рассмотренных механизма:

Обычно редко бывает, чтобы все доли диэлектрической восприимчивости были одинаково велики. Скажем, в ионных кристаллах дипольная часть вообще отсутствует. Экспериментально вклад каждой доли можно найти, измеряя диэлектрические проницаемости при разных частотах электромагнитной волны. При низких частотах (статическое поле, которым мы сейчас занимаемся) вклад дают все три доли диэлектрической восприимчивости (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Зависимость полной диэлектрической восприимчивости диэлектрика
от частоты электромагнитной волны. Указаны диапазоны частот:
I - область радио- и микроволн, II - инфракрасная область, III - ультрафиолетовая область

При повышении частоты первым исчезнет вклад дипольной части: молекулы не будут успевать поворачиваться, следуя быстро изменяющемуся электрическому полю волны. Переход к новому режиму осуществляется обычно при частотах радиодиапазона. При дальнейшем росте частоты исчезнет вклад ионной части: ионы более инерционны, нежели электроны. В диапазоне оптических частот доминирует электронная доля поляризации. При переходе к еще более высоким частотам - за ультрафиолетовой областью - даже электронные облачка не будут успевать следовать за изменениями электрического поля и поляризуемость диэлектрика исчезнет.

Приведем пример: у поваренной соли NaCl диэлектрическая проницаемость в статическом поле равна 5,62, а в поле электромагнитной волны оптического диапазона - всего лишь 2,25. Дипольная поляризуемость в таких кристаллах отсутствует, и различие следует приписать ионной поляризуемости.

Дополнительная информация

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/index.html - электромагнитные волны, шкала электромагнитных волн;

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/radio.html - радиоволны;

http://www.nrao.edu/index.php/learn/radioastronomy/radiowaves - радиоволны, источники радиоволн.