1. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

1.7. Релаксационные виды поляризаций

Замедленные или релаксационные виды поляризаций проявляются в газах, жидкостях и твёрдых диэлектриках, если они состоят из полярных молекул, диполей или молекул, имеющих отдельные радикалы или части (сегменты), обладающие собственными электрическими моментами (дипольная, дипольно-релаксационной, дипольно-радикальная поляризации). В твердых телах возможны также разновидности релаксационных поляризаций, связанные, главным образом, с химическим составом, структурой и типом дефектов (электронно-релаксационная, ионно-релаксационная, миграционная, спонтанная поляризации).
Дипольно-релаксационная поляризация часто называется ориентационной, так как она проявляется в появлении некоторой упорядоченности в расположении полярных молекул, совершающих хаотические тепловые движения под действием электрического поля. При дипольно-радикальной или дипольно-сегментальной поляризации в некоторых полярных полимерах под действием поля происходит определенное упорядочение полярных радикалов или более крупных частей макромолекул-сегментов. Релаксационная поляризованность при дипольно-релаксационной поляризации после приложения поля к диэлектрику нарастает во времени до установления значения Р0 согласно выражению
P(t) = Р0[1-e-t/τ]    (1.10)
где P(t)-поляризованность в момент времени t, а после снятия внешнего поля уменьшается по закону
P(t) = Р0 • e-t/τ    (1.11)
В этих выражениях τ постоянная времени процесса, называется временем релаксации - она равна времени, за которое поляризация уменьшается в "е" раз, т. е. приблизительно в 2,7 раза (е-основание натуральных логарифмов). Для полярных диэлектриков величина поляризуемости α = αэ + αдр. Дипольно - релаксационная поляризуемость может быть определена по формуле
αдр = μ2 / 3kT    (1.12)
где μ - электрический дипольный момент, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Зависимость ε от температуры для полярной жидкости показана на рис. 1.5.
рис. 1.5
По Дебаю, если жидкость состоит из сферических молекул, обладающих дипольным моментом, то время релаксации процесса поляризации определяется по формуле
μ = 4π η a3 / kT     (1.13)
где η - вязкость, a - радиус молекулы. При низких температурах ориентация молекул электрическим полем затруднена, поэтому αдр невелика. При повышении температуры время релаксации уменьшается из-за уменьшения вязкости, ориентация молекул облегчается, что приводит к увеличению интенсивности дипольно-релаксационной поляризации и резкому росту ε, которая после достижения максимума уменьшается, приблизительно обратно пропорционально температуре за счет роста теплового движения молекул, препятствующего упорядочению полярных молекул (диполей).

Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для полярных диэлектриков

С увеличением частоты в области низких частот ε полярных диэлектриков остается постоянной до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул остается меньше полупериода электрического поля (1/2f), т. е. за это время диполи успевают полностью упорядочиться в направлении поля. При дальнейшем росте частоты, когда время полупериода становится меньше времени релаксации, которое от частоты не зависит, ε начинает уменьшаться вплоть до значений, определяемых электронной поляризацией. Следовательно, на высоких частотах дипольная поляризация отсутствует (τ << 1/2f), так как диполи не успевают следовать за электрическим полем. Область уменьшения ε в ее частотной зависимости называется дисперсией диэлектрической проницаемости (рис. 1.6).
рис. 1.6
В диэлектриках сложной структуры при наличии в них нескольких физических механизмов поляризации, например, за счет различных полярных групп молекул или нескольких компонентов смешанного диэлектрика с различными временами релаксации в зависимости от частоты, может наблюдаться несколько областей дисперсии.

Ионно-релаксационная поляризация

В диэлектриках с ионным типом химических связей, например в неорганических стеклах, имеющих неплотную упаковку ионов, возможна ионно-релаксационная поляризация. Слабо связанные ионы вещества под действием приложенного электрического поля среди хаотических тепловых смещений получают избыточные перебросы в направлении поля, и смещаются на расстояния, существенно превышающие величину смещения ионов при упругой ионной поляризации. После исчезновения внешнего поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия, при этом наблюдается необратимое рассеяние энергии в виде тепла. Поляризация этого типа наблюдается при низких частотах. ε с увеличением температуры возрастает так же, как и для ионных кристаллов с плотной упаковкой, но несколько более резко.

Спонтанная поляризация

В некоторых классах полярных ионных кристаллов и веществах, относящихся к жидкокриссталлическим, в определенном температурном интервале наблюдаются фазовые переходы без изменения агрегатного состояния, в процессе которых происходит существенная перестройка их структуры. Такая перестройка, не нарушая физически и химически однородное состояние вещества, приводит к существенному изменению электрических свойств диэлектриков (проводимости, диэлектрической проницаемости), оптической активности и др. Вблизи фазовых переходов, возникающих при изменении параметров окружающей среды, данные параметры могут изменяться резко, иногда на несколько порядков по величине. Такие фазовые переходы, при которых неполярные вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят в полярное состояние называют сегнетоэлектрическими, а сам процесс перехода в новое состояние спонтанной поляризацией. Неполярная фаза, как правило, является более высокотемпературной, чем полярная, но в каждом сегнетоэлектрическом веществе фазовые переходы имеют свои особенности.
Для сегнетоэлектриков характерны зависимости ε от температуры с резко выраженным максимумом, который наблюдается вблизи точки перехода (точки Кюри Тк). Сегнетоэлектрики характеризуются необычайно высокими значениями ε (до 103-105), хотя некоторые водорастворимые сегнетоэлектрики имеют ε = 5-6. Характерные свойства сегнетоэлектриков обусловлены наличием у них доменной структуры - взаимосвязанных микрообластей, в пределах которых векторы поляризации структурных ячеек имеют одинаковое направление. Температурная и частотная зависимости ε для наиболее изученного сегнетоэлектрика титаната бария BaTiO3 показана на рис. 1.7.
рис. 1.7
Для сегнетоэлектрических материалов характерно нелинейное изменение ε от напряженности электрического поля, поэтому они относятся к нелинейным диэлектрикам.