ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Физическая сущность поляризации диэлектриков из "Физика диэлектрических материалов " Как уже было указано выше, поляризация представляет собой сопровождающееся некоторым упорядочением в пространстве леремещение в пределах диэлектрика электрически заряженных частиц последнего под действием сил внешнего электрического поля, вызывающее образование некото рого электрического момента как у всего объема диэлектрика, так и у каждой отдельной поляризующейся частицы (атома, иона, молекулы) диэлектрика. [c.102] Коэффициент пропорциональности а в (2-34) называется поляризуемостью данной частицы. [c.102] В системе СГС а выражается в см . [c.102] Поляризуемость отображает свойства отдельной частицы вещества, а не некоторого весьма большого его объема, и представляет собой важнейший микроскопический электрический параметр диэлектрика. [c.102] Так как поляризация, как и электропроводность, обусловлена передвижением в пространстве электрически заряженных частиц диэлектрика, между этими двумя явлениями существует известное сходство. Полезно установить некоторые характерные различия этих двух явлений. [c.102] Таким образом, мы можем представить себе физическую картину поляризации диэлектрика как перемещение в пространстве весьма большого количества заряженных частиц вещества, но на ничтожно малые расстояния, а физическую картину электропроводности диэлектрика — как перемещение относительно малого количества заряженных частиц, но на относительно большие расстояния. [c.103] Существует несколько видов поляризации, каждый из которых объясняется собственным физическим механизмом явления. Из числа этих видов поляризации мы рассмотрим здесь лишь три, наиболее типичных электронную, ионную и дипольную поляризацию. [c.104] Электронная оля/7Ызац я—смещение электронов относительно ядра атома. Более точно следует говорить о смещении (под действием внешнего электрического поля) орбит, по которым движутся отрицательно заряженные электроны вокруг положительно заряженного атомного ядра. [c.104] Электронная поляризация происходит во всех атомах или ионах и, таким образом, независимо от возможности наличия в диэлектрике других видов поляризации наблюдается 1во всех диэлектриках. Характерной особенностью электронной поляризации является то, что при наложении внешнего электрического поля она совершается за чрезвычайно короткое время (порядка — с), сравнимое с периодом световых колебаний. [c.104] Гомеополярные (т. е. не обладающие ионной структурой) нейтральные диэлектрики, в которых имеется только один вид поляризации, а именно электронная поляризация, удовлетворяют вышеприведенному уравнению (2-29) v=V s или г= , являющемуся следствием теории Максвелла. [c.104] В (2-29) V — коэффициент пре.вдм.чения световых лучей не — диэлектрическая проницаемость. Теория Максвелла не учитывает явления дисперсии света, т. е. изменяемости коэффициента преломления V при изменении длины волны. Поэтому при более строгом рассмотрении вопроса в (2-29) следует подставлять значения V и е, измеренные при одной и той же длине электромагнитной волны, или, во всяком случае, величину V, измеренную на сравнительно коротких световых волнах. Впрочем, в связи с тем, что изменения V и (как мы увидим далее) е у неполярных диэлектриков от частоты электромагнитных колебаний выражены незначительно, этим обстоятельством на практике часто пренебрегают и в расчет вводят, например, коэффициент преломления гв, измере1г-ный при желтом свете, соответствующем спектральной волне Р натрия. [c.104] Поскольку коэффициент преломления измеряется значительно проще и с гораздо большей степенью точности, чем диэлектрическая проницаемость е, в ряде случаев измерение электрических свойств вещества может быть заменено измерением коэффициента преломления. [c.105] То ЧТО соотношение (2-29) действительно соблюдается для тех диэлектриков, которые мы практически можем считать неполярными, легко видеть из табл. 2-3, в которой собраны данные для некоторых неполярных диэлектриков в различных агрегатных состояниях твердом, жидком и газообразном. [c.105] Ионная поляризация — смещение друг относительно друга ионов, составляющих гетерополярную (ионную) молекулу. Процесс ионной поляризации для своего установления требует также малого времени, но все же большего, чем для электронной поляризации, а именно 10 з—10-12 с. Уравнение Максвелла при наличии ионной поляризации уже не соблюдается в этом случае что иллюстрирует табл. 2-4, представляющая сводку значений v, и е для некоторых ионных кристаллов, т. е. веществ, для которых особенно характерна ионная поляризация рассматриваемого здесь вида ( поляризация ионного смещения ). [c.105] Найдем величину сдвига а, пользуясь элементарными представлениями о силах, действующих внутри атома (квантовомеханические соображения дают уточнение расчета, которое мы здесь не будем рассматривать). [c.107] Для веществ, построенных из ионных решеток, важна оценка электронной поляризуемости не отдельных атомов, а ионов. Вообще говоря, электронная поляризуемость ионизированного атома того же порядка, что и ненонизированного при ионизации поляризуемость атома может как увеличиваться, так и уменьшаться. Различные ионы обладают заметно различными отношениями электронной поляризуемости а к кубу радиуса г . Так, для иона натрия Na+ мы имеем (в единицах СГСЭ) а= 1,97-10-25 см при / = =9,9-10- см, так что а/г составляет всего 0,21 для иона калия К+ а/г =0,38 для иона кальция Са++ а/л =0,44 для иона хлора С - -а// =0,58 и т. д. В то же время для некоторых ионов отношение а/г больше единицы. Так, для иона кислорода О оно составляет 1,20, для иона титана TI++++ — 1,04, для иона циркония Zr++++ — 1,21, для иона свинца РЬ++ — 1,89 и пр. Для веществ, содержащих такие ионы, можно ожидать повышенной величины е (сравните табл. 2-4, где на двух последних местах помещены имен-ао вещества, содержащие ионы с большим отношением а/г ). [c.108] Величина поляризуемости иона при ионном смещении примерно того же порядка, как и электронная поляризуемость атома или иона. Естественно, что при одном и том же порядке плотности вещества у ионных диэлектриков диэлектрическая проницаемость е, вообще говоря, больше, чем у неполярных, так как в ионных диэлектриках, помимо механизма электронной поляризации, дополнительно действует и механизм ионного смещения, усиливающий общую поляризацию. Это легко видеть из сопоставления данных табл. 2-3 (для твердых веществ) и табл. 2-4. [c.108] Ионное смещение в ионных кристаллах должно быть выражено (особенно сильно в тех случаях, когда ионы сравнительно слабо 1 связаны друг с другом и несут большие электрические заряды (т. е. являются многовалентными). В частности, к таким ионам относятся уже упоминавшиеся нами ионы Т1++++, РЬ++, О—. [c.109] Процесс установления (после включения диэлектрика под напряжение) дипольной поляризации или же процесс ликвидации состояния дипольной поляризации (после снятия напряжения с диэлектрика) требует относительно большого (по сравнению с практически почти безынерционными явлениями деформационной поляризации) времени. Уто время в разных случаях может быть различным в частности, очевидно, что оно тем больше, чем больше размеры молекул и чем больше абсолютная (динамическая) вязкость (коэффициент внутреннего трения) вещества. Во всяком случае, приходится считаться с тем, что это время может быть уже того же порядка, что и время полупериода переменных напряжений, применяемых в современной радиотехнике и даже в низкочастотной электротехнике, или больше этого времени. Поэтому ориентационная поляризация должна быть отнесена к числу медленных или релаксационных видов поляризации. [c.110] Вернуться к основной статье