Поляризация диэлектрика — это явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля. Это смещение или поворот приводит к тому, что в диэлектрике возникает макроскопический дипольный момент, который характеризуется векторной величиной, называемой поляризованностью или вектором поляризации.
Чтобы понять один из главных процессов, происходящих в конденсаторе, — поляризацию, необходимо углубиться в микромир и вспомнить, что все вещества состоят из атомов, молекул или ионов (смотрите - Чем отличаются между собой проводники, диэлектрики и полупроводники).
Допустим, что каким-либо образом воздушный конденсатор зарядили до определенного напряжения. Это значит, что на одной из его обкладок, имеющей больший потенциал, скопился положительный заряд, а на другой — точно такой же, но отрицательный.
Между обкладками существует электрическое поле, направленное от положительно заряженной обкладки к отрицательной. Отношение величины заряда к напряжению называется статической емкостью конденсатора.
Емкость его определяется размерами обкладок, веществом, находящимся между ними, и расстоянием между ними.
Электрический ток в цепи, содержащей конденсатор, связан с перемещением зарядов и, следовательно, с изменением напряжения на обкладках. При синусоидальном напряжении на конденсаторе ток, протекающий через него, опережает по фазе напряжение на угол в 90 градусов.
Майкл Фарадей обнаружил, что емкость конденсатора увеличивается, если пространство между обкладками конденсатора вместо воздуха частично или полностью занять твердым или жидким изолирующим веществом — диэлектриком. Кратность увеличения емкости равна относительной диэлектрической постоянной (или диэлектрической проницаемости) этого вещества.
Причиной увеличения емкости является поляризация диэлектрика, т. е. изменение электрического состояния вещества под воздействием внешнего электрического поля, заключающееся в перемещении связанных зарядов диэлектрика на ограниченные расстояния.
Электрическое поле, образованное этими зарядами, направлено навстречу внешнему и ослабляет его. Таким образом, при той же величине заряда на обкладках напряжение между ними при наличии поляризующегося диэлектрика оказывается меньше, а емкость конденсатора больше.
Существуют вещества, у которых центр тяжести положительных зарядов (ядра) совпадает с центром тяжести отрицательных зарядов (электронной оболочки). Такие вещества называют неполярными, они имеют симметричные структуры молекул. Это прежде всего все одноатомные молекулы (инертные газы, пары металлов), а также химические соединения с симметричным расположением атомов.
В полярных веществах положительные и отрицательные заряды расположены асимметрично, атомы образуют так называемые диполи. В неполярных диэлектриках наблюдается упругая поляризация, связанная:
- со смещением электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра;
- смещением атомов, образующих молекулу, у которых электронные оболочки несимметричны, — при образовании молекул они смещаются в сторону атома с более сильными связями (атомная поляризация);
- смещением друг относительно друга положительных и отрицательных ионов, образующих решетку ионных кристалов.
Если внешнее электрическое поле в полярных диэлектриках отсутствует, то все диполи в любой момент времени в результате тепловых колебаний хаотично ориентированы в пространстве. При этом макроскопическое электрическое поле в среднем по объему вещества равно нулю.
При воздействии внешнего электрического поля происходит частичная ориентация диполей по полю, что и является причиной поляризации.
Процессу ориентации препятствует хаотичное тепловое колебание диполей. В твердых телах с неоднородной структурой, а также при наличии примесей электроны, ионы или более крупные образования перемещаются в пределах отдельных включений под влиянием электрического поля.
Такая поляризация называется структурной, или миграционной. Это она наблюдается, например, в материалах, абсорбирующих (поглощающих) влагу, в растительных клетках, неоднородных диэлектриках.
Кроме названых, наиболее часто встречающихся видов поляризации, имеются и другие виды:
- ионно-релаксационная (смещение слабосвязанных ионов на большие расстояния),
- электронно-релаксационная (обусловленная избыточными "дефектными" электронами или ионами),
- спонтанная (существует у группы твердых диэлектриков, называемых сегнетодиэлектриками) и т. д.
Поляризация как процесс перемещения зарядов в диэлектрике сопровождается двумя основными явлениями.
При первом — смещение зарядов ослабляет результирующее поле (это явление наблюдал Фарадей). Количественно поляризация определяется вектором поляризации, равным сумме дипольных моментов в единице объема диэлектрика. Тогда относительная диэлектрическая проницаемость очевидно, будет тем больше, чем сильнее вещество способно поляризоваться.
Второе явление — это рассеяние электрической энергии при поляризации, которое различно для разных видов поляризации. Оно практически отсутствует при электронной, атомной и ионной поляризациях и достигает значительных величин при релаксационной и миграционной поляризациях.
Рассеяние энергии, проявляющееся в нагреве поляризуемого вещества, связано с преодолением некоторого сопротивления перемещению зарядов. Разумеется, потери энергии связаны с приложением к диэлектрику изменяющегося во времени электрического поля, под действием которого происходит смещение зарядов.
Способность диэлектрика превращать энергию переменного электрического поля в тепло количественно характеризуется величиной тангенса угла диэлектрических потерь и электрической проницаемости, существенно зависящих от температуры и частоты.
Эти различия основных электрических характеристик зависят от особенностей строения вещества и соответственно интенсивности и характера видов поляризации полярных и неполярных диэлектриков.
В области "слабых" электрических полей величина смещения электрических зарядов пропорциональна приложенному полю. Здесь можно провести аналогию с законом Гука в теории упругости, выражающим пропорциональность между деформацией и силой.
Нарушение пропорциональности у несегнетоэлектриков, которое можно ожидать вследствие "насыщения" диэлектрика (например, в результате 100% ориентации всех дипольных молекул), почти не наблюдается.
Это связано с тем, что величины электрических полей, при которых может быть заметно отклонение от пропорциональности, значительно превосходят электрическую прочность диэлектрика. Поэтому большинство диэлектриков считаются линейными, их диэлектрическая проницаемость, определяющая степень поляризации, — величина постоянная, не зависящая от воздействующего на диэлектрик электрического поля.
При снятии электрического поля поляризация исчезает: смещенные заряды возвращаются на место, преимущественная ориентация полярных молекул нарушается вследствие теплового движения частиц, вещество становится неполяризованным, каким было до приложения электрического поля. Происходит процесс деполяризации.
Смотрите также: Диэлектрики в электрическом поле и Свободные и связанные электрические заряды, токи проводимости и смещения