Поляризация диэлектриков

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
1. Относительная диэлектрическая проницаемость
Поляризация представляет собой обратимое смещение электрически заряженных частиц, входящих в состав диэлектрика, при приложении к нему электрического поля.
Емкость конденсатора, имеющего на пластинах заряд Q и заполненного вакуумом, C0 = Q / U0, где U0 – разность потенциалов. После того, как в зазор будет вставлен диэлектрик, C = Q / U = εС0.
Величину ε = E0 / E (E – напряженность электрического поля ) называют относительной диэлектрической проницаемостью, она зависит от свойств диэлектрика и характеризует уменьшение силы взаимодействия электрических зарядов в диэлектрике по сравнению с вакуумом.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
2. Вектор поляризации
При наложении электрического поля в диэлектрике возникают элементарные электрические дипольные моменты pj.
Вектор поляризации представляет собой объемную плотность электрического дипольного момента диэлектрика: P = (Σpj) / V.
При поддержании постоянной разности потенциалов и введении в конденсатор изотропного диэлектрика возрастает электрическая индукция (электрическое смещение) D: D = ε0E + P = ε0εE = εD0.
ε0 = 8,854⋅10–12 Кл / (В⋅м) – электрическая постоянная.
Вектора E и D направлены от положительного заряда к отрицательному. Вектор P направлен от отрицательного заряда к положительному. Векторы E, D и P в изотропных диэлектриках имеют одно и то же направление.
P = χeε0E = αE, χe = ε – 1, где χe – диэлектрическая восприимчивость; α – поляризуемость.
В анизотропных диэлектриках диэлектрическая проницаемость является симметричным тензором второго ранга εij (i, j = 1, 2, 3).

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
3. Механизмы поляризации

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
4. Упругая и тепловая поляризации
Если частицы в диэлектрике связаны достаточно жестко, то силы, стремящиеся возвратить в исходное положение смещенные электрическим полем заряды, носят квазиупругий характер. Возникающие смещения обычно невелики. Такая поляризация называется упругой (деформационной) (τr = 10–12÷10–16 с).
В случае слабой связи между частицами на поляризации сказывается их тепловое движение. Под действием электрического поля за счет тепловой энергии при смещении частицы преодолевают потенциальные барьеры. Возникающие смещения достаточно велики: ~0,5 нм. После выключения поля вследствие дезориентирующего влияния теплового движения система возвращается (релаксирует) в исходное положение более медленно (τr ~10–6÷10–10 с), чем при упругой поляризации. Такая поляризация называется тепловой (прыжковой, релаксационной).

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
5. Спонтанная поляризация
В некоторых диэлектриках происходит самопроизвольная ориентация диполей (спонтанная поляризация), наблюдаемая внутри отдельных областей (доменов) в отсутствие электрического поля. Спонтанная поляризация имеет место у материалов, называемых сегнетоэлектриками. В отсутствие электрического поля электрические моменты доменов направлены беспорядочно и компенсируют друг друга. При наложении внешнего поля моменты ориентируются по полю, приводя к аномально большим значениям диэлектрической проницаемости.
При релаксационной и спонтанной поляризациях имеют место затраты энергии, рассеиваемой в диэлектриках в виде тепла.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
6. Миграционная поляризация
К макроскопической поляризации относят миграционную, или объемно-зарядную, поляризацию. Она характерна для неоднородных диэлектриков. Накопление электрических зарядов на границах неоднородностей (слоев, пор, включений) приводит к объемно-зарядной поляризации. Эта поляризация существенно повышает электрическую емкость конденсатора, содержащего неоднородный диэлектрик. Величина смещения зарядов при миграционной поляризации может составлять макроскопическую величину: примерно 1 мкм.
τr = 10–5÷10–4 с

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
7. Виды упругой поляризации
7.1. Электронная
Электронная упругая поляризация наблюдается во всех диэлектриках независимо от их агрегатного состояния. Под действием электрического поля ядра атомов и электронные оболочки смещаются друг относительно друга.
Время установления электронной упругой поляризации очень мало: 10–17÷10–16 с, поэтому она успевает устанавливаться в высокочастотных полях вплоть до оптических частот.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
7.2. Ионная упругая поляризация
Ионная упругая поляризация имеет место в диэлектриках с ионным типом химической связи, например, в кристаллах поваренной соли.
Время установления ионной поляризации составляет ~10–15÷10–14 с, т. е. такая поляризация успевает устанавливаться и в сверхвысокочастотных полях (1010÷1011 Гц). Однако в инфракрасной области спектра наблюдается запаздывание в установлении ионной поляризации.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
7.3. Дипольная упругая поляризация
Когда диполи связаны достаточно жестко (полярные кристаллы), при наложении внешнего электрического поля происходят упругие изменения в их направлении (τr = 10–12÷10–14 с).
Поляризуемость зависит от электрического момента каждой молекулы, энергии межмолекулярных связей и направления электрического поля. Она максимальна при β = 90° и 270°. Когда внутреннее и внешнее поля параллельны, поляризуемость равна нулю. Поэтому вклад упругой дипольной поляризации может обусловливать анизотропию диэлектрической проницаемости.
Упругий поворот диполя на угол γ во внешнем электрическом поле E, образующем угол β с внутренним полем кристалла Eвн.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
8. Виды тепловой поляризации
8.1. Ионная
Ионная тепловая поляризация возможна только в твердых диэлектриках и преобладает в веществах с выраженной нерегулярностью структуры и слабосвязанными ионами: стеклах, ситаллах и диэлектрической керамике, из-за высокой концентрации структурных дефектов.
В зависимости от особенностей структуры диэлектрика и типа дефектов время релаксации ионной тепловой поляризации при комнатной температуре составляет ~10–8÷10–4 с. Поэтому ионная тепловая поляризация может быть основной причиной диэлектрических потерь на радиочастотах.
Слабосвязанные ионы в результате тепловых флуктуаций могут переходить из одного положения равновесия в другое, преодолевая потенциальные барьеры.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
8.2. Дипольная тепловая поляризация
Слабосвязанные диполи в полярных диэлектриках под действием внешнего электрического поля могут относительно легко поворачиваться. В отсутствие поля в результате теплового движения диполи ориентированы хаотично, и поляризация равна нулю. При наличии поля в процессе хаотического теплового движения часть диполей ориентируется по полю. Вследствие этого возникает новое равновесное состояние – поляризованное. С одной стороны, тепловое движение способствует ориентации диполей по полю, а с другой – препятствует ориентации по полю всех диполей.
Время релаксации дипольной тепловой поляризации экспоненциально зависит от температуры, уменьшаясь при нагревании диэлектрика. При комнатной температуре для различных диэлектриков оно лежит в пределах ~10–10÷10–4 с.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
8.3. Электронная тепловая поляризация
Электронная тепловая поляризация характерна для твердых диэлектриков, имеющих определенного рода дефекты. Она играет существенную роль в таких технически важных диэлектриках, как рутил TiO2, перовскит CaTiO3, подобных им сложных оксидах титана, циркония, ниобия, тантала, свинца, церия, висмута. Для этих поликристаллических веществ характерна высокая концентрация дефектов кристаллической структуры.
Пример: в стехиометрическом TiO2 атомы Ti имеют валентность 4. При наличии вакансий кислорода, возникают слабосвязанные электроны, и часть атомов Ti становится трехвалентной. В результате теплового движения такие электроны хаотически переходят от одного близко лежащего к вакансии атома Ti к другому, преодолевая определенный потенциальный барьер. При наложении внешнего электрического поля возникает преимущественная направленность перескоков электронов и результирующий дипольный момент.
Для электронной тепловой поляризации τr~10–7÷10–2 с.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
9. Диэлектрическая проницаемость
Для газов, неполярных жидкостей и кубических кристаллов связь между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью описывается уравнением Клаузиуса–Мосотти: 3ε0(ε – 1) = α(ε + 1).
В постоянном электрическом поле все виды поляризации, присущие данному веществу, успевают установиться. В переменном электрическом поле с ростом частоты ν начинают запаздывать наиболее медленные виды поляризации, а затем и другие виды. Это приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости с ростом частоты, вплоть до ε = 1 в полях с частотой ν = 1017÷1018 Гц.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
10. Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией до определенной температуры TC, нелинейной зависимостью поляризации от напряженности электрического поля и способностью к переполяризации.
Сегнетоэлектрики получили свое название от сегнетоэлектрической соли NaKC4H4O6⋅4H2O – минерала, для которого впервые наблюдалась нелинейность зависимости P(T).
Характерной особенностью сегнетоэлектриков является наличие петли гистерезиса на зависимости P(T).
Существование сегнетоэлектрического гистерезиса связано с наличием сегнетоэлектрических доменов – объемных областей, в каждой из которых дипольные моменты ориентированы одинаково.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
11. Пьезоэлектрики
Пьезоэлектрики – вещества (диэлектрики и полупроводники), в которых при определенных упругих деформациях (напряжениях) возникает вынужденная электрическая поляризация даже в отсутствие электрического поля – прямой пьезоэффект.
Следствие прямого пьезоэффекта – обратный пьезоэффект – появление механических деформаций под действием электрического поля.
При упругой деформации происходит смещение положительных и отрицательных ионов друг относительно друга, что приводит к возникновению электрического момента. Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Смещение частиц в кристаллах, обладающих центром симметрии, не приводит к появлению поляризованного состояния, а происходит электрическая компенсация моментов.
К пьезоэлектрикам относятся, например, кварц, кристаллы дигидрофосфата калия KH2PO4, различные виды пьезокерамики и др. Пьезоэлектрики находят применение в качестве мощных излучателей, приемников и источников ультразвука, стабилизаторов частоты, электрических фильтров высоких и низких частот, трансформаторов напряжения и тока.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
12. Пироэлектрики
Пироэлектрики – кристаллические диэлектрики, у которых при нагревании или охлаждении происходит изменение поляризации. Пироэлектрики обладают спонтанной поляризацией вдоль полярной оси. При наличии полярной оси отсутствует центр симметрии. Поэтому любой пироэлектрик является пьезоэлектриком, но не наоборот.
Повышение температуры приводит к разупорядочению диполей за счет теплового движения, а следовательно, к изменению спонтанной поляризации – первичный пироэффект. С увеличением температуры изменяются линейные размеры кристалла (тепловое расширение), что также приводит к изменению спонтанной поляризации – вторичный (ложный) пироэффект.
Примеры пироэлектриков: турмалин Li2SO4⋅H2O; LiTaO3, LiNbO3, Pb5Ge3O11; керамические: BaTiO3, титанат-цирконат свинца; полимеры: поливинилфторид [–CH2–CHF–]n, полиакрилонитрил [–CH2CH(CN)–]n. На основе пироэлектриков изготавливают высокочувствительные теплодатчики, термоэлектрические преобразователи, детекторы инфракрасного излучения малой мощности.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
13. Фотополяризация
Фотополяризация – изменение поляризации под действием интенсивных световых потоков. Фотополяризация наблюдается, например, в кристаллах ниобата лития LiNbO3.
Ниобат лития обладает широкой запрещенной зоной ~3,6 эВ. В этом случае носители заряда могут генерироваться в запрещенной зоне только за счет фотоионизации примесей. Неравномерное освещение образца приводит к тому, что в освещенной области генерируются носители, которые под действием внутреннего электрического поля перемещаются в неосвещенные области, где захватываются ловушками. В результате возникает перераспределение заряда, приводящее к электрическому полю объемного заряда. Конфигурация такого поля определяется распределением интенсивности светового потока.
Явление фотополяризации может быть использовано при записи голограмм.

*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
14. Электреты
Электреты – диэлектрики, длительное время сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию. Они являются источниками электрического поля (аналоги постоянных магнитов).
Электреты могут быть получены практически из любых полярных диэлектриков: органических полимерных (политетрафторэтилен, он же фторопласт-4, фторлон-4, тефлон [–CF2–CF2–]n, полипропилен [–CH2CH(CH3)–]n, поликарбонаты [–ORO–C(O)–]n, где R – аромати-ческий или алифатический остаток; полиметилметакрилат, он же плексиглас [–CH2–CH3(COOCH3)–]n и др.); неорганических монокристаллических (кварц, корунд и др.), поликристаллических (керамики, ситаллы и др.), стекол. Наиболее стабильны электреты из пленочных фторсодержащих полимеров.