Диэлектрики - уникальные вещества, обладающие способностью поляризовываться в электрическом поле. Это свойство широко используется на практике и позволяет управлять электрическими и оптическими характеристиками материалов. Давайте разберемся, что же происходит с диэлектриками в электрическом поле.
Строение и типы диэлектриков
В основе строения любого диэлектрика лежит его молекула. Молекулу диэлектрика можно рассматривать как электрический диполь, состоящий из положительного и отрицательного зарядов. Величина этих зарядов одинакова, но они разнесены в пространстве на некоторое расстояние:
- Положительный заряд формируется ядрами атомов.
- Отрицательный заряд складывается из всех электронов молекулы.
Такой диполь характеризуется дипольным моментом p , равным произведению заряда q на расстояние l между ними:
p = q · l
По строению молекул различают три основных типа диэлектриков:
- Полярные. Имеют несимметричное строение молекулы и постоянный дипольный момент.
- Неполярные. Обладают симметричным строением молекулы. Дипольный момент в отсутствие поля равен нулю.
- Кристаллические. Имеют ионное строение с положительными и отрицательными ионами в узлах кристаллической решетки.
Поведение диэлектриков в электрическом поле (поляризация диэлектриков)
Любой диэлектрик, помещенный в электрическое поле, испытывает характерное воздействие, называемое поляризацией . Оно заключается в том, что под действием поля происходит смещение положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в противоположных направлениях.
У полярных диэлектриков это выражается в упорядоченном выстраивании хаотично ориентированных до этого диполей.
В неполярных диэлектриках возникает наведенный дипольный момент за счет отклонения электронов от ядер атомов.
А в кристаллических диэлектриках происходит упругая деформация решетки из-за смещения положительных и отрицательных ионов в узлах.
Поляризация носит обратимый характер. Как только электрическое поле исчезает, заряды возвращаются в исходное положение.
Механизмы поляризации разных типов диэлектриков
В зависимости от природы носителей заряда, участвующих в поляризации диэлектриков, выделяют несколько механизмов этого явления:
- Электронная поляризация - смещение электронных оболочек атомов относительно ядер под действием электрического поля.
- Ионная поляризация - смещение положительных ионов как целого в кристаллической решетке диэлектрика.
- Дипольная (ориентационная) поляризация - поворот постоянных электрических диполей молекул в направлении приложенного поля.
- Резонансная поляризация - смещение электронов на более высокие энергетически уровни под действием переменного электрического поля оптического диапазона.
Рассмотрим более детально механизм поляризации неполярного диэлектрика, как одного из наиболее распространенных на практике.
В отсутствие электрического поля электроны в атомах такого диэлектрика находятся симметрично вокруг ядер. При включении поля электроны смещаются в сторону, противоположную направлению поля. Положительно заряженные ядра остаются на месте. В результате возникает электрический дипольный момент.
После выключения поля электроны возвращаются в первоначальное положение и диполь исчезает. Такой механизм называется электронной поляризацией и является преобладающим для большинства органических диэлектриков.
Вектор поляризации и его физический смысл
Суммарный эффект воздействия электрического поля на все молекулы диэлектрика, находящиеся в единичном объеме, описывается вектором поляризации (P). Он количественно характеризует степень поляризации диэлектрика.
Физический смысл вектора поляризации - это результирующий дипольный момент, отнесенный к единице объема поляризованного диэлектрика.
Другими словами, если дипольный момент описывает состояние отдельно взятой молекулы диэлектрика, то вектор поляризации показывает, что в среднем происходит в единичном объеме этого вещества под действием электрического поля.
Направление вектора P совпадает с направлением вектора напряженности приложенного внешнего электрического поля E.
Для количественной оценки поляризации диэлектриков используют различные подходы, основанные на связи векторов P и E. Рассмотрим один из наиболее простых и наглядных способов.
Связь между поляризацией и напряженностью электрического поля
В слабых электрических полях справедлива линейная зависимость между векторами поляризации P и напряженности E:
P = ε0χE
Здесь ε0 - электрическая постоянная, а χ - безразмерная величина, называемая восприимчивостью (или поляризуемостью ) диэлектрика. Она количественно характеризует степень поляризации диэлектрика в данном электрическом поле.
Другим важным параметром диэлектрика является его диэлектрическая проницаемость (ε). Она связана с восприимчивостью соотношением:
ε = 1 + χ
Таким образом, диэлектрическая проницаемость тоже характеризует способность вещества к поляризации. Чем больше ее значение, тем сильнее поляризуется диэлектрик в данном электрическом поле.
Нелинейность поляризации в сильных полях
Описанная выше линейная зависимость между векторами поляризации и напряженности электрического поля справедлива лишь в слабых полях. По мере увеличения напряженности поля характер этой связи постепенно меняется.
Для электронной и ионной поляризации при высоких значениях напряженности E наблюдается резкое возрастание наклона кривой P(E). Это приводит к электрическому пробою диэлектрика.
В случае дипольной поляризации происходит насыщение - поляризация перестает зависеть от дальнейшего повышения напряженности поля. Это связано с тем, что все диполи оказываются полностью ориентированы по направлению поля.
Частотная зависимость поляризации диэлектриков
Помимо амплитудной характеристики в виде зависимости P(E), для поляризации диэлектриков важна также частотная зависимость.
В переменных электрических полях из-за инерционности движения зарядов вектор поляризации P отстает по фазе от вектора E. Это выражается в комплексном характере поляризуемости и диэлектрической проницаемости.
Каждый механизм поляризации имеет свой диапазон частот, в котором он доминирует. На высоких частотах оптического диапазона начинает проявляться резонансная поляризация.
Поляризация в переменных электрических полях
Рассмотрим подробнее поляризацию диэлектриков в частном, но важном на практике случае гармонически изменяющегося электрического поля.
При наложении на диэлектрик переменного электрического поля E = E0 sin(ωt) процессы поляризации не успевают следовать мгновенным значениям E(t).
В результате вектор поляризации P также оказывается гармонической функцией того же периода (частоты), что и E, но с отставанием по фазе на некоторый угол δ:
P = P0 sin(ωt - δ)
Этот фазовый сдвиг δ и определяет инерционность поляризации при переменных воздействиях.
Ток поляризации и его отличие от тока проводимости
Процесс поляризации диэлектрика, вызываемый изменением электрического поля во времени, сопровождается возникновением характерного тока, который называют током смещения или током поляризации.
Он обусловлен синхронными перемещениями ионов и электронов под действием переменного электрического поля. Но в отличие от тока проводимости в металлах здесь нет дрейфа носителей заряда на макроскопические расстояния.
Диэлектрическая релаксация
Существует явление диэлектрической релаксации - запаздывания установления поляризации после включения постоянного электрического поля. Это также обусловлено инерцией перемещения носителей заряда в диэлектрике.
Поляризация при зарядке и разрядке конденсатора
Рассмотрим процессы, происходящие в диэлектрике конденсатора при его зарядке и разрядке. Для определенности возьмем конденсатор с неполярным органическим диэлектриком, в котором доминирует электронная поляризация.
При подаче напряжения на обкладки конденсатора электрическое поле в диэлектрике нарастает. Электроны смещаются все дальше от положительных ионов. Формируется поляризация, которая усиливается по мере роста напряженности поля.
В момент максимального заряда вектор поляризации P достигает наибольшего значения. При разрядке конденсатора поле и, соответственно, поляризация диэлектрика ослабевают.
Причины нелинейности поляризации при высоких напряженностях
Нелинейный характер поляризации в сильных электрических полях обусловлен различными физическими причинами для каждого механизма.
- Для электронной поляризации - приближением электронов к ядрам на расстояния порядка размеров атома.
- Для ионной поляризации - нарушением связей в кристаллической решетке, приводящим к ее разрушению.
- Для дипольной поляризации - полным упорядочиванием хаотически ориентированных до этого молекул-диполей.
Особенности поляризации сегнетоэлектриков
Сегнетоэлектрики обладают способностью к спонтанной поляризации без внешнего электрического поля. Это связано с их нецентросимметричной кристаллической структурой с встроенными постоянными диполями.
Под действием внешнего поля направление спонтанной поляризации в сегнетоэлектриках может меняться. Это явление используется в различных устройствах памяти и переключателях.
Практическое использование эффекта поляризации
Явление поляризации диэлектриков широко применяется на практике. Например, в производстве конденсаторов с высокой емкостью на основе полярных полимерных пленок.
Поляризационные оптические фильтры используют вращение плоскости поляризации света в поляризованном диэлектрике для управления световыми потоками и визуализации напряженности электрических полей.
Причины частотной дисперсии диэлектрической проницаемости
Диэлектрическая проницаемость является комплексной частотно-зависимой величиной. Действительная часть ее ε' характеризует способность вещества к поляризации, а мнимая часть ε'' - потери энергии.
Физически это связано с тем, что на разных частотах вклад в поляризацию диэлектрика вносят разные механизмы явления с различной инерционностью. Каждому механизму соответствует своя резонансная частота.
Влияние поляризации на оптические свойства диэлектриков
При распространении света в диэлектрике под действием электрического поля электромагнитной волны возникает его поляризация. Это приводит к следующим эффектам:
- Изменение показателя преломления и коэффициента отражения света на границе диэлектрика.
- Вращение плоскости поляризации проходящего света (эффект Фарадея).
- Двойное лучепреломление в оптически анизотропных диэлектриках.
Применение в фотонике и оптоэлектронике
Высокая степень и скорость поляризации ряда диэлектриков в оптическом диапазоне используется в фотонных и оптоэлектронных устройствах:
- Модуляторы и переключатели света
- Оптическая память
- Преобразователи ЭОМ, акустооптика
Перспективы применения сегнетоэлектриков
Активно ведутся разработки различных устройств на основе тонких сегнетоэлектрических пленок, использующих явления спонтанной поляризации и переполяризации:
- Энергонезависимая память большой емкости
- Датчики электрического поля, давления, температуры
