Поле Лоренса. Уравнения Клаузиса-Масотти

Электрическое поле в диэлектрике.

Остаточная поляризация

Поляризация ядерного смещения

Электронно-релаксационная поляризация

Миграционная поляризация

Физической основой миграционной поляризации является перемещение слабосвязанных ионов в объеме диэлектрика на значительное расстояние, соизмеримое с толщиной всего диэлектрика. Эти перемещения приводят к образованию пространственных зарядов на границах раздела диэлектрика, поэтому эта поляризация называется межслоевой или вблизи электродов положительного объемного заряда в зоне отрицательного электрода и наоборот. Время на такие перемещения велико, поэтому идет запаздывание (релаксация). И также как и ионно-релаксационная и дипольно-релаксационная поляризация происходит с выделением тепла.

В общем виде процесс миграционной поляризации аналогичен ионно-релаксационной поляризации с тем отличием, что перемещение зарядов происходит на значительно большие расстояния.

Имеет такой же механизм, как ионно-релаксационная поляризация, с той лишь разницей, что слабо связанными зарядами являются электроны, которые перебрасываются на расстояние равное постоянной решетки d или несколько больше. Проявляется в диэлектриках имеющих кристаллическую структуру.

Наблюдается в диэлектриках молекулы которых состоят из нескольких атомов. Под действием электрического поля ядра смещаются на некоторое расстояние от своего первоначального положения, что вызывает асимметрию в распределении –электрических зарядов и, соответственно, поляризацию, которая называется поляризацией ядерного смещения.

Устанавливается мгновенно (t»10^–13 сек). Смещение упругое, не вызывает диэлектрических потерь.

В некоторых веществах с малой проводимостью поляризация остается в течении достаточно длительного времени (месяцы, годы). Такая поляризация называется еще электродной и характерна для особого класса диэлектриков – электретов.

13.Спонтанная поляризация (сегнетоэлектрическая поляризация)

Поляризация возникающая спонтанно в отсутствие электрического поля. Наблюдается у особого класса диэлектриков – сегнетоэлектриков.

При рассмотрении физических процессов в диэлектриках используют понятие внешнего и локального поля.

Внешнее поле – приложенное по всему объему диэлектрика, характеризуется средней напряженностью электрического поля:

. Локальное поле – поле действующее на конкретную данную молекулу диэлектрика:

. Е_вн – поле, созданное молекулами окружающими данную молекулу.

R<<h, R> радиуса молекулы. ,

где Е₁ – поле, действующее на данную молекулу, создаваемое молекулами находящимися за сферой, т.е. поле дальнего окружения;

Е₂ – поле, создаваемое молекулами находящимися внутри сферы поля ближнего окружения.

Определим Е₁. Для этого мысленно извлечем шар с радиусом R из диэлектрика и рассмотрим его отдельно.

В центре рассматриваемая молекула, представляющая точечный диполь, т.е. такой диполь, размеры которого по сравнению с шаром можно считать точкой.

Мысленно удаляем из сферы все заряды кроме точечной диполи.

Выделим на сфере элементарную площадку с шириной d и площадью dS.

s - плотность связанных зарядов.

В целом на площадке заряд dq: .

Этот элементарный заряд создает в точечном диполе элементарную напряженность:

, , .

.

s=Р₂=РcosQ, тогда

.

; .

Для полярных диэлектриков напряженность поля ближнего окружения E₂ практически равна нулю: E₂»0, тогда

,(1) где E¢ - локальное поле Лоренса.

Уравнение (1) устанавливает связь между локальным и внешним полями.

. (2)

Подставим (2) в (1):. (3)

Уравнение (3) показывает, что напряженность локального поля зависит от материала диэлектрика.

. (4) . (5)

Уравнение Клаузиса-Масотти (5) справедливо только для полярных диэлектриков (электронная поляризация). Позволяет устанавливать связь между макроскопическими параметрами, характеризующих весь диэлектрик, а именно e и его микроскопическими параметрами: n – концентрация молекул и поляризуемостью a.

Для инженерных расчетов уравнение (5) используют в модифицированном виде:

, где M – молярная масса вещества; D – плотность вещества при 20 ⁰С.

Тогда , . – молярная поляризация.

Установлено, что для всех неполярных диэлектриков e»n², где n - коэффициент преломления электромагнитной волны (света).

или . – молярная дефракция.