Физические величины - Бабичев А.Н.
ISBN 5-283-04013-5
Скачать (прямая ссылка):
Диэлектрики, в силу того, что свободных носителей заряда в них мало, состоят по сути из связанных заряженных частиц: положительно заряженных ядер и обращающихся вокруг них электронов в атомах, молекулах и ионах, а также упруго связанных разноименных ионоз, расположенных в узлах решетки ионных кристаллов. Поляризация диэлектриков — упорядоченное смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля (положительные заряды смещаются по направлению вектора напряженности поля Е, а отрицательные— против него). Смещение I невелико и прекращается, когда сила электрического поля, вызывающая движение зарядов относительно друг друга, уравновешивается силой взаимодействия между ними. В результате поляризации каждая молекула или иная частица диэлектрика становится электрическим диполем — системой двух связанных одинаковых по значению и противоположных по знаку зарядов q, Кл, расположенных на расстоянии I, м, друг от друга, причем q — это либо заряд иона в узле кристаллической решетки, либо эквивалентный заряд системы всех положительных или системы всех отрицательных зарядов поляризующейся частицы. Считают, что в результате процесса поляризации в частице индуцируется электрический момент р=gl, Кл-м. У линейных диэлектриков (их большинство) между индуцируемым моментом и напряженностью электрического поля Е, действующей на частицу, существует прямая пропорциональность: р= аЕ. Коэффициент пропорциональности а, Ф-м2, называют поляризуемостью данной частицы. Количественно интенсивность поляризации определяется поляризованно-стью P диэлектрика, которая равна сумме индуцированных электрических моментов всех N поляризованных частиц, находящихся в единице объема вещества:
P= pN или P = aNE, где Р—в Кл/м2; N — в м~3; E—в В/м. Следовательно, чем больше поляризуемость отдельной частицы а и выше концентрация частиц N, т. е. чем больше произведение aN, тем интенсивнее процесс поляризации. Из уравнения, связывающего P и вг, следует:
543 Sr= I+ Nal4.
(Эта формула пригодна для газообразных, но в ряде случаев с большим или меньшим приближением может быть применена также для жидких и твердых диэлектриков.) Таким образом, по физическому смыслу диэлектрическая проницаемость — количественная мера интенсивности процесса поляризации диэлектриков. Концентрация N поляризующихся частиц невелика в газах и намного выше в жидких и твердых диэлектриках. Поляризуемость частицы а зависит от механизма поляризации, определяемого природой диэлектрика.
Основными видами поляризации являются электронная. ионная и дипольная.
Электронная поляризация — упругое смещение электронных орбит относительно ядер в атомах, молекулах и ионах под действием внешнего электрического поля. Таким образом, электронная поляризация происходит во всех диэлектриках независимо от существования в них других видов поляризации. Это быстрая поляризация, совершающаяся за время порядка Ю-14—-Ю-15 с, сравнимое с периодом световых колебаний. В неполярных диэлектриках существует только электронная поляризация и поэтому а=аа (электронная поляризуемость). Неполярные молекулы имеют симметричное строение и поэтому центры тяжести эквивалентных положительного и отрицательного зарядов у них совпадают, так что в отсутствие внешнего поля неполярные молекулы не имеют собственного электрического момента (ц = 0).
Ионная поляризация — упругое смещение противоположно заряженных ионов в узлах кристаллической решетки ионных кристаллов под действием внешнего поля. Это тоже быстрый вид поляризации, устанавливающийся за время порядка IO-12—10~13 с, Поскольку в ионных кристаллах существует еще и электронная поляризация, 4=4:, + 4,, (аи — ионная поляризуемость) и такие диэлектрики отличаются большим значением ег, чем неполярные.
Быстрые виды поляризации происходят без потерь энергии.
Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Полярные молекулы имеют несимметричное строение. Центры тяжести эквивалентных разноименных зарядов у них не совпадают, и поэтому в отсутствие внешнего поля эти молекулы обладают собственным электрическим моментом H=JfeO, т. е. являются жесткими (постоянными) диполями. Сущность дипольной поляризации состоит в повороте (ориентации) этих жестких диполей в направлении электрического поля. Поскольку в полярной молекуле существует также и электронная поляризация, а=аа + а„, где а„ — дипольная поляризуемость, и поэтому полярные диэлектрики имеют Br больше, чем неполярные. Дипольная поляризация относится к замедленным (релаксационным) видам поляризации. Для ее завершения требуется время порядка Ю-2—IO-10 с. Поляризации релаксационного вида запаздывают во времени от изменения вызывающего их внешнего электрического поля н сопровождаются потерями энергии
К замедленным видам относится ионно-релаксацион-ная поляризация, происходящая в неорганических стеклах и кристаллах с неплотной упаковкой ионов, и миграционная, свойственная твердым диэлектрикам прн наличии макроскопических неоднородностей.
Нелинейным диэлектрикам — сегнетоэлектрикам наряду с электронной и ионной свойственна спонтанная (самопроизвольная) поляризация, относящаяся к числу релаксационных видов. Спонтанная поляризация возникает в определенном температурном интервале, ограниченном сегнетоэлектрическими точками Кюри, под влиянием внутренних процессов самопроизвольно. При этом структура элементарной ячейки кристалла становится несимметричной, приобретая электрический момент. В пределах
