Механизмы поляризации диэлектриков

Известно, что при помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле (например, при помещении его между обкладками плоского конденсатора) напряжённость поля изменяется. Это объясняется тем, что на поверхностях первоначально незаряженных диэлектриков под действием внешнего электрического поля возникают электрические заряды, ориентированные таким образом, чтобы уменьшить внешнее электрическое поле и препятствовать его проникновению в диэлектрик. При этом, в большинстве случаев, невозможно разделяя диэлектрик в электрическом поле, отделить заряды друг от друга, после прекращения действия электрического поля каждая часть диэлектрика будет электрически нейтральной. В тоже время известно, что при разделении в электрическом поле металлов или других проводников на разделённых частях буду наблюдаться электрический заряд и после прекращения действия электрического поля. В силу невозможности их разделения заряды на поверхности диэлектрика называют связанными зарядами. Отметим, что в данном случае мы рассматриваем диэлектрики с макроскопической точки зрения. При микроскопическом рассмотрении можно провести мысленный эксперимент по выделению даже в идеальном диэлектрике микроскопического объёма, который имел бы электрический заряд.

Рассмотрим причины возникновения связанных зарядов на поверхности диэлектрика. Как известно в диэлектриках отсутствуют (или присутствуют в очень малых количествах) свободные носители заряда. Поэтому, при наличии внешнего электрического поля в диэлектрике всегда существует отличное от нуля внутреннее электрическое поле. Это поле, действуя на заряженные частицы, находящиеся в твердом теле в связанном состоянии, смещает их относительно положения, в котором они находились в отсутствии электрического поля. Напомним, что под действием поля положительные заряды будут смещаться по направлению электрического поля, отрицательные в противоположном направлении.

При смещении зарядов в электрическом поле каждый элемент объёма диэлектрика, в пределах которого произошло смещение, приобретает дипольный момент, направленный вдоль направления действия электрического поля. При этом диэлектрик во внешнем электрическом поле можно рассматривать как состоящий из элементарных областей — диполей или квазидиполей, ориентированных в одном направлении. Возникновение дипольных моментов в объёме диэлектрика под действием внешнего электрического поля называется поляризацией диэлектрика. Если же диэлектрик содержит полярные молекулы, то есть такие молекулы, которые обладают собственным дипольным моментом, то они могут быть переориентированы полем, что также приведет к возникновению дипольного момента в объёме диэлектрика.

Дипольный момент элементарного диполя определяется выражением.

(1),.

где вектор смещения заряда, направленный от «-» к «+». При этом значения будут определяться как значением внешнего электрического поля, так и типом заряженных частиц и механизмами их взаимодействия между собой. Так смещение электронных оболочек атомов под действием поля существенно отличается от смещения ионов в узлах кристаллической решетки под действием поля такой же величины. Поэтому степень поляризации диэлектрика определяется механизмом поляризации, который зависит от типа заряженных частиц, их взаимного расположения, типа химической связи и ряда других факторов, определяющих способность заряженных частиц смещаться под действием электрического поля. С учетом вышесказанного величину дипольного момента можно определить как.

(2),.

где б — поляризуемость диэлектрика, определяемая механизмом поляризации,.

— величина поля, действующего на заряженную частицу в диэлектрике, е₀ — диэлектрическая постоянная.

Степень поляризации диэлектрика определяют вектором поляризации или поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объёма диэлектрика.

(3),.

где — электрический момент единицы объёма V.

Отметим, что при макроскопическом рассмотрении элемент объёма V выбирают малым настолько, что в диэлектрик в его приделах можно считать однородным, в тоже время атомной или молекулярной структурой диэлектрика внутри данного объёма можно пренебречь.

С другой стороны, очевидно, что дипольный момент единицы объёма можно определить как сумму моментов всех элементарных диполей, заключённых в данном объёме.

(4).

Исходя из вышесказанного, поляризацию диэлектриков можно определить как состояние вещества, характеризующееся наличием дипольного момента у любого элемента его объёма. Если значение вектора поляризации одинаково для любого элемента объёма диэлектрика говорят об однородной поляризованности диэлектрика, если значение зависит от того, в какой точке диэлектрика выбран рассматриваемый элемент объёма, то говорят, что диэлектрик поляризован неоднородно.

Если диэлектрик состоит из одного типа частиц, поляризуемость которых определяется одним механизмом тогда значение вектора поляризации можно определить как.

(5),.

где n — число частиц в единице объёма диэлектрика.

Если диэлектрик состоит из нескольких типов частиц, поляризуемость которых определяется несколькими механизмами, тогда.

(6).

где i число механизмов поляризации, наблюдаемых в диэлектрике.

Рассмотрим теперь механизмы поляризации, наблюдаемые в твердых диэлектриках. Как уже говорилось выше, механизм поляризации зависит от типа заряженных частиц и их взаимодействия с другими заряженными частицами. Все частицы диэлектрика, способные смещаться или переориентироваться под действием электрического поля можно разделить на два типа — упруго или сильно связанные и неупруго или слабосвязанные частицы. Соответственно и механизмы поляризации можно разделить на два основных типа — упругие и неупругие. Упруго связанная частица имеет одно положение равновесия, возле которого совершает упругие колебания. Под действием электрического поля частица смещается из положения равновесия, что приводит к возникновению электрического момента и поляризации диэлектрика. После прекращения действия электрического поля упругие (точнее квазиупругие) силы возвращают частицу в положение равновесия. Упруго связанные частицы можно рассматривать как частицы, находящиеся в потенциальной яме с одним энергетическим минимумом (рис. 1). Тепловые колебания или электрическое поле могут переводить частицу на различные энергетические уровни в пределах данной ямы, но не выводят частицу за её пределы.

Рис. 1.

Упруго связанную заряженную частицу можно рассматривать как частицу, помещённую в потенциальную яму с одни минимумом (а). Электрическое поле переводит её на другой энергетический уровень, однако, при этом частица не выходит за пределы потенциальной ямы (б) В отличие от упруго связанных частиц неупруго связанные частицы имеют несколько положений равновесия, в которых могут находиться с определенной вероятностью. Переход из одного положения равновесия в другое осуществляется посредством флуктуаций теплового движения. Такую частицу можно рассматривать как помещенную в потенциальную яму с несколькими локальными минимумами энергии, каждому из которых соответствует положение равновесия (рис 2). Время, которое частица проводит в каком-либо из локальных минимумов, зависит от высоты потенциального барьера между локальными минимумами и энергии частицы в равновесных состояниях, а так же от температуры диэлектрика, определяющей интенсивность тепловых колебаний. Под действием электрического поля энергия частицы в равновесных состояниях изменяется и частица занимает их с другой вероятностью, чем в отсутствии поля. Появляется асимметрия в распределении заряженных частиц. Тогда, при статистическом рассмотрении ансамбля заряженных частиц во внешнем поле будет наблюдаться смещение положительных зарядов относительно отрицательных. Это приводит к возникновению дипольного момента в каждом элементарном объёме диэлектрика, содержащем такие частицы, то есть поляризации диэлектрика.

Основную роль в процессе возникновения вектора поляризации при неупругих механизмах поляризуемости играет тепловое движение частиц, перебрасывающее частицы из одного положения в другое. При этом оно способствует установлению асимметрии в распределении заряженных частиц и при включении электрического поля и возвращает частицы к хаотическому распределению после прекращения действия поля. В тоже время чересчур интенсивное тепловое движение частиц будет препятствовать поляризации диэлектрика, стремясь установить хаотическое распределение заряженных частиц даже при воздействии на них электрического поля.

Из вышесказанного следует, что процесс установления поляризации при неупругих механизмах поляризуемости связан с установлением равновесного состояния в системе, состоящей из множества частиц, находящихся в тепловом движении. Такой процесс, в статистической физике, называют релаксационным процессом, поэтому поляризацию, определяемую неупругими механизмами поляризуемости, часто называют релаксационной поляризацией.

Рис. 2.

Неупруго связанную заряженную частицу можно рассматривать как находящуюся в потенциальной яме с двумя минимумами. В отсутствии электрического поля заряженная частица может находиться в каждом энергетическом минимуме с равной вероятностью (а). Электрическое поле изменяет вероятность нахождения частицы в потенциальном минимуме (б) Поскольку релаксационная поляризация определяется тепловым движением частиц, то время установления равновесного значения релаксационной поляризации должно зависеть от температуры. Время же установления равновесного значения поляризации, определяемой упругими механизмами, не зависит или слабо зависит от температуры, в силу слабой температурной зависимости упругих сил, действующих на заряженные частицы в диэлектрике от температуры. При этом, смещение заряженных частиц, при упругих механизмах поляризации, существенно меньше, чем при неупругих.

Отметим также, что процесс установления как упругой, так и релаксационной поляризации есть инерционный процесс и от начала действия электрического поля до установления равновесного значения поляризации должно пройти некоторое время. Время, необходимое для установления равновесного значения, определяемого упругими механизмами поляризации, не превышает, обычно 10^-11 ч 10^-12 сек. Время же необходимое для установления равновесных значений релаксационной поляризации обычно не менее чем 10^-9 секунд, а в ряде случаев может измеряться минутами или даже часами. Поэтому можно считать, что упругая поляризация устанавливается практически мгновенно, по сравнению с релаксационной поляризацией, поэтому упругую поляризацию называют также и безинерционной поляризацией.

Рассмотрим подробнее упругие и неупругие механизмы поляризации диэлектриков. Среди упругих механизмов поляризации основными являются следующие:

Упруго-электронный механизм поляризации, обусловленный смещением электронных оболочек атомов относительно их ядер под действием электрического поля. Упруго-электронная поляризация наблюдается во всех диэлектриках в любом агрегатном состоянии. Время установления его равновесного значения составляет 10^-14 ч10^-15 секунд.

Упруго-ионный механизм поляризации, наблюдается в веществах с преобладанием ионного типа связи, в которых под действием электрического поля ионы смещаются из положения равновесия на расстояния меньшие, чем расстояния между ними. Время установления равновесного значения упруго-ионной поляризации составляет 10^-11 ч10^-14 секунд.

Упруго-дипольная поляризация, наблюдаемая в молекулярных кристаллах, состоящих из дипольных молекул. Если дипольные молекулы не могут изменять свои первоначальные равновесные ориентации под действием флуктуаций теплового движения, то в электрическом поле на них будет действовать пара сил, упруго поворачивающая её и изменяющая её ориентацию на небольшие углы. Время установления равновесного значения упруго-дипольной поляризации 10^-11ч10^-13 секунд.

Поляризация ядерного смещения наблюдается в органических диэлектриках и молекулярных кристаллах. Если молекула диэлектрика состоит из нескольких атомов, то под действием электрического поля ядра этих атомов могут отклоняться от равновесного положения в молекуле, хотя молекула в целом не отклоняется от положения равновесия. Время установления равновесного значения поляризации ядерного смещения составляет 10^-12ч10^-13 секунд.

Релаксационная поляризация также подразделяется на несколько типов, определяемых тем, какие частицы релаксируют и на какие расстояния. Можно выделить следующие основные механизмы релаксационной поляризации:

Ионно-релаксационная поляризация, обусловленная переходом слабо связанных ионов в диэлектрике из одного равновесного состояния в другое в результате флуктуаций теплового движения. Появление слабосвязанных ионов обычно связано с наличием дефектов в структуре диэлектрика.

Электронно-релаксационная поляризация, которая наблюдается в том случае, если в диэлектрике имеются дефекты, способные захватывать электроны. Захваченный электрон при этом находится в глубокой потенциальной яме, создаваемой полем дефекта. Под действие электрического поля электроны способны переходить из одного устойчивого минимума в другой, не выходя за пределы потенциальной ямы, однако перемещаясь при этом на расстояния порядка межатомных расстояний.

Дипольно-релаксационная поляризация, связанная с переориентацией дипольных моментов молекул диэлектрика во внешнем поле. Наблюдается, в основном, в жидких и газообразных диэлектриках, но может наблюдаться и в твердых диэлектриках, атомы или молекулы которых обладают собственным дипольным моментом в отсутствии электрического поля.

Как уже указывалось выше, время установления равновесного значения релаксационной поляризации зависит температуры. Кроме того, оно зависит от типа дефектов и характера их взаимодействия с заряженными частицами в диэлектрике Какой из вышеперечисленных механизмов будет преобладать в тех или иных диэлектриках зависит от типа связи между атомами строением диэлектриков. Так в неполярных диэлектриках с гомеополярными связями преобладают процессы упруго-электронной поляризации. В веществах с преобладанием ионного типа связи наряду с упруго-электронной будет наблюдаться и упруго-ионная поляризация. В полярных веществах, молекулы которых обладают собственным дипольным моментом, преобладающими могут оказаться упруго-дипольный и дипольно-релаксационный механизмы поляризации. Кроме того, наличие различного рода дефектов и неоднородностей структуры диэлектриков приводит к появлению релаксационной поляризации.

В заключении отметим, что в ряде диэлектриков наблюдается еще один вид релаксационной поляризации, тесно связанный с электропроводностью — это так называемая миграционная или объёмная поляризация, которая связана с образованием в диэлектрике объёмных зарядов. Сущность данного механизма поляризации состоит в перемещении заряженных частиц в диэлектрике под действием электрического поля на макроскопические расстояния. При этом заряженные частицы могут скапливаться у границ диэлектрика или захватываться различными неоднородностями, связанными с наличием структурных несовершенств в объёме диэлектрика. Накопление заряженных частиц у границ диэлектриков и в их объёме ведёт к возникновению объёмных зарядов в диэлектрике. Это единственный вид поляризации, который допускает механическое разделение зарядов в диэлектриках, и который особенно часто наблюдается в сильно неоднородных диэлектриках, содержащих большое количество подвижных заряженных дефектов, а также центров способных захватывать подвижные носители заряда.