Главная Физика Сообщение поляризация диэлектриков. Основные виды поляризации диэлектриков

Сообщение поляризация диэлектриков. Основные виды поляризации диэлектриков

Поляризация диэлектриков поляриза́ция диэле́ктриков

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

ПОЛЯРИЗА́ЦИЯ ДИЭЛЕ́КТРИКОВ,
1) Процесс образования объемного дипольного электрического момента (смещение электрических зарядов) в диэлектрике (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) .
Поляризацией диэлектрика называют состояние, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема. Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствии поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков проявляется под действием механических напряжений. Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью (см. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ) . Осуществляется благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных атомов, молекул, ионов, либо ориентации электрических диполей, существовавших в диэлектрике и в отсутствие электрического поля. Существует несколько видов поляризации, отличающихся своим механизмом и свойствами.
Электронная поляризация
Представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Центр орбиты электрона смещается на расстояние, которое зависит от напряженности поля E и резонансной частоты атома. Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около10 -15 с), поэтому электронную поляризацию условно называют мгновенной: запаздывания поляризации по отношению к изменению электрического поля не наблюдается. Электронная поляризация происходит без потерь энергии (как бы упругая деформация), в диэлектрике имеется только емкостная составляющая тока. Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема.
Ионная поляризация
Характерна для твердых тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов на расстояния в пределах кристаллической решетки. Наблюдается в твердых телах с ионной кристаллической решеткой. Смещение токов происходит по малым расстояниям за счет упругой деформации решетки. Смещению ионов под действием поля препятствуют упругие силы химической связи. Смещение двух разноименно заряженных ионов приводит к появлению элементарного электрического момента. Сумма таких элементарных моментов, приходящихся на единицу объема, определяет ионный вклад в поляризованность диэлектрика. С повышением температуры расстояния между ионами вследствие теплового расширения материала увеличиваются. В большинстве случаев это сопровождается ослаблением сил упругой связи и возрастание поляризованности диэлектрика. Время установления ионной поляризации - порядка 10 -13 с.
Ионно-релаксационная поляризация .
Наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, например, в неорганических стеклах и в некоторых кристаллических веществах. Ионно-релаксационная поляризация это переброс в твердом диэлектрике на другое место слабо закрепленных в решетке ионов. Это происходит при достаточной тепловой подвижности ионов, когда они отрываются от своего места в решетке и закрепляются в другом, недалеко от своего места. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия, т.е. этот механизм можно отнести к релаксационной поляризации, при которой имеет место необратимое рассеяние энергии. Свойства ионно-релаксационной поляризации близки к свойствам дипольной поляризации.
Дипольная поляризация .
Отличается от электронной и ионной тем, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль электрического поля. У симметричных неполярных молекул (H 2 , O 2 , N 2)под действием электрического поля возникает упругая поляризация. У некоторых несимметричных полярных молекул (CO, HCl, NH) центры зарядов сдвинуты друг относительно друга, так что такая молекула имеет собственный постоянный момент. Так как векторы дипольных моментов в отсутствии электрического поля ориентированы хаотически, суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю. Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекул параллельно вектору Е (тепловое движение этому противодействует), так что вещество в целом приобретает отличный от нуля дипольный момент. Такая поляризуемость называется ориентационной. С увеличение температуры молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать поляризацию, однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому температурное изменение диэлектрической проницаемости при дипольно-релаксационной поляризации характеризуется наличием максимума. Такая поляризация свойственна полярным жидкостям, может наблюдаться и в твердых полярных органических веществах. Но в этом случае поляризация обычно обусловлена уже поворотом не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной (например, в целлюлозе (см. ЦЕЛЛЮЛОЗА (полисахарид)) полярность объясняется наличием гидроксильных групп –ОН и кислорода). В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми ван-дер-ваальсовыми связями возможна ориентация и более крупных частиц.
Миграционная поляризация
Имеет место в двух- и многослойных диэлектриках, обладающих разными значениями диэлектрической проницаемости. Характеризуется большой инертностью и потерями. В граничных слоях слоистых материалов и в приэлектродных слоях может быть накопление зарядов медленно движущихся ионов, что создает эффект медленно движущейся поляризации.
Остаточная поляризация
Характерна для веществ, называемых электретами (см. ЭЛЕКТРЕТЫ) . Эти вещества способны сохранять поляризованное состояние и при снятии электрического поля.
2). Электрический дипольный момент единицы объема диэлектрика.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "поляризация диэлектриков" в других словарях:

1) смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием приложенного электрического поля. Может осуществляться благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных атомов, молекул, ионов либо ориентации… … Большой Энциклопедический словарь - смещение электрич. зарядов под действием приложенного электрич. поля и, как следствие, образование в диэлектрике электрич. дипольного момента. Может осуществляться благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек… … Естествознание. Энциклопедический словарь

1) смещение положительных и отрицательных электрических зарядов в диэлектриках (См. Диэлектрики) в противоположные стороны. П. д. происходит под действием электрического поля или некоторых др. внешних факторов, например механических… … Большая советская энциклопедия

Поляризация диэлектриков явление, связанное с поляризацией связанных зарядов в диэлектрике и поворотом электрических диполей под воздействием внешнего электрического поля. Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации.… … Википедия

- (франц. polarisation, перво

Отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков , и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация - состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е 1 , направленное против внешнего поля с напряженностью Е 0 . Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е 0 -Е 1 .

Типы поляризации

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

Электронная - смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10 −15 с). Не связана с потерями.
Ионная - смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки . Время протекания 10 −13 с, без потерь.
Дипольная (Ориентационная) - протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
Электронно-релаксационная - ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
Ионно-релаксационная - смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
Структурная - ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
Самопроизвольная (спонтанная) - благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса . Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10 −2)
Резонансная - ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты. В связи с этим вводится понятие дисперсии диэлектрической проницаемости.

Зависимость вектора поляризации от внешнего поля

В постоянном поле

В слабых полях

В постоянном или достаточно медленно меняющемся от времени внешнем электрическом поле при достаточно малой величине напряженности этого поля, вектор поляризации P , как правило (исключение составляют сегнетоэлектрики), линейно зависит от вектора напряженности поля E :

(в системе СГС), (в системе СИ ; дальше формулы в этом параграфе приводятся только в СГС, формулы СИ и дальше отличаются лишь электрической постоянной )

где - коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром - диэлектрической восприимчивостью) данной среды. Для однородной среды фиксированного состава и структуры в фиксированных условиях ее можно считать константой. Однако в связи со всем сказанным выше вообще говоря зависит от точки пространства, времени (явно или через другие параметры) и т. д.

Для изотропных жидкостей, изотропных твердых тел или кристаллов достаточно высокой симметрии - просто число (скаляр). В более общем случае (для кристаллов низкой симметрии, под действием механических напряжений и т. д.) - тензор (симметричный тензор второго ранга, вообще говоря невырожденный), называемый тензором поляризуемости . В этом случае можно переписать формулу так (в компонентах):

где величины со значками соответствуют компонентам векторов и тензора, соответствующим трем пространственным координатам.

Можно заметить, что поляризуемость - одна из наиболее удобных физических величин для простой иллюстрации физического смысла тензоров и применения их в физике.

Как и для всякого симметричного невырожденного тензора второго ранга, для тензора поляризуемости можно выбрать (если среда неоднородная - то есть тензор зависит от точки пространства - то по крайней мере локально, если же среда однородная, то и глобально) т. н. собственный базис - прямоугольные декартовы координаты, в которых матрица становится диагональной, а тогда - только в этих координатах(!) - запись немного упрощается:

где - три собственных числа тензора поляризуемости.

Если все эти три собственных числа равны друг другу, значит умножение на тензор эквивалентно умножению на число, а среда изотропна (в отношении поляризуемости). (Отсюда ясно, почему кристалл с высокой симметрией не может давать анизотропии: требованиям симметрии могут удовлетворить только три одинаковых собственных числа).

В сильных полях

В достаточно сильных полях всё описанное выше осложняется тем, что по мере роста напряженности электрического поля рано или поздно теряется линейность зависимости P от E .

Характер появляющейся нелинейности и характерная величина поля, с которой нелинейность становится заметной, тоже, конечно, зависит от индивидуальных свойств среды, условий итп.

Можно выделить их связь с , описанными выше.

Так для электронной и ионной поляризации при полях, приближающихся к величинам порядка отношения потенциала ионизации к характерному размеру молекулы U 0 /D , характерно сначала ускорение роста вектора поляризации с ростом поля (увеличение наклона графика P(E) ), затем плавно переходящее в пробой диэлектрика.

Дипольная (Ориентационная) поляризация при обычно несколько более низких значениях напряженности внешнего поля - порядка kT/p (где p - дипольный момент молекулы, T - температура, k - константа Больцмана) - то есть когда энергия взаимодействия диполя (молекулы) с полем становится сравнимой со средней энергией теплового движения (вращения) диполя - наоборот начинает достигать насыщения (при дальнейшем росте напряженности поля должен рано или поздно включиться сценарий электронной или ионной поляризации, описанный выше, и кончающийся пробоем).

В зависящем от времени поле

Зависимость вектора поляризации от быстро меняющегося во времени внешнего поля достаточно сложна. Она зависит от конкретного вида изменения внешнего поля со временем, быстроты этого изменения (или, скажем, частоты колебаний) внешнего поля, превалирующего поляризации в данном веществе или среде (который тоже оказывается разным для разных зависимостей внешнего поля от времени, частот и т. д.).

При достаточно медленном изменении внешнего поля поляризация в целом происходит как в постоянном поле или очень близко к этому (впрочем то, насколько медленным должно быть для этого изменение поля, зависит, и зачастую крайне сильно, от превалирующего типа поляризации и других условий, например температуры).

Одним из наиболее распространенных подходов к изучению зависимости поляризации от характера меняющегося во времени поля является исследование (теоретическое и экспериментальное) случая синусоидальной зависимости от времени внешнего поля и зависимости вектора поляризации (также меняющегося в этом случае по синусоидальному закону с той же частотой), его амплитуды и сдвига фазы от частоты.

Каждому механизму поляризации в целом соответствует тот или иной диапазон частот и общий характер зависимости от частоты.

Диапазон частот, в котором имеет смысл говорить о поляризации диэлектриков как таковой, простирается от нуля где-то до ультрафиолетовой области , в которой становится интенсивной ионизация под действием поля.

Количественной мерой поляризации диэлектрика служит вектор поляризации (поляризованности) , равный отношению электрического дипольного момента малого объема диэлектрика
к этому объему:

, (2.8)

где
– электрический дипольный моментi -ой молекулы; N – общее число молекул в объеме
. Этот объем должен быть достаточно малым, чтобы в его пределах поле можно было считать однородным. В то же время число молекул в таком объеме должно быть достаточно велико, чтобы к ним можно было применить статистические закономерности. Таким образом, поляризованность диэлектрика численно равна дипольному электрическому моменту единицы объема вещества.

В пределах малого объема
все молекулы диэлектрика имеют одинаковые дипольные моменты
, поэтому с учетом (2.6) и (2.7) получаем

где n – концентрация молекул диэлектрика.

Величина
называетсядиэлектрической восприимчивостью вещества. Из рассмотрения механизма поляризации неполярных диэлектриков следует, что их диэлектрическая восприимчивость не зависит явно от температуры (см. 2.5). Температура может влиять на значение только косвенно – через концентрацию молекул.

Диэлектрическая восприимчивость полярных диэлектриков обратно пропорциональна температуре (рис. 2.3). Из (2.7) получаем, что

. (2.10)

Тепловое движение мешает выстраивать электрические моменты полярных молекул по направлению .

В очень сильном электрическом поле и при достаточно низкой температуре электрические моменты всех молекул располагаются практически параллельно напряженности внешнего поля

. При этом поляризованность полярного диэлектрика достигает максимального значения. Поэтому линейная зависимость модуля поляризованности от модуля напряженности поля наблюдается только в достаточно слабых полях (рис.2.4).

Введем еще одну физическую величину – вектор электрической индукции

(часто его называют вектором электрического смещения):

где  – относительная диэлектрическая проницаемость вещества . Это безразмерная величина, причем
.

8. Связанные заряды на поверхности диэлектрика

В ходе поляризации диэлектрика в тонких слоях у его поверхностей возникают нескомпенсированные связанные заряды, называемые поверхностными поляризационными зарядами . Поверхностную плотность связанных зарядов

можно найти следующим образом.

На рис. 2.5 показан слой неполярного диэлектрика, помещенного во внешнее электрическое поле напряженностью

. Электрические моменты и оси всех диполей диэлектрика ориентированы одинаково – вдоль направления поляризованности. Внешняя нормаль к границе диэлектрика составляет некоторый угол с направлением векторов

. Выделим в слое некоторый объем диэлектрика в виде косого цилиндра с площадью основанияdS и длиной образующей l . Суммарный электрический момент диполей, попавших в этот объем, определится произведением модуля связанного заряда на поверхности диэлектрика

иl :

. (2.12)

С другой стороны, в соответствии с (2.8),

где – проекция вектора поляризации на нормаль к границе диэлектрика. Сравнение (2.12) и (2.13) дает

. (2.14)

Таким образом, поверхностная плотность связанных зарядов на границе диэлектрика с другой средой (с другим веществом) равна проекции вектора поляризации диэлектрика на нормаль к выбранной поверхности.

Отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков , и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле c напряжённостью E 1 {\displaystyle \mathbf {E} _{1}} , направленное против внешнего поля с напряжённостью E 0 {\displaystyle \mathbf {E} _{0}} . В результате напряжённость поля E {\displaystyle \mathbf {E} } внутри диэлектрика будет выражаться равенством:

E = E 0 − E 1 . {\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}-\mathbf {E} _{1}.}

Энциклопедичный YouTube

1 / 5
В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:
- Электронная - смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10 −15 с). Не связана с потерями.
- Ионная - смещение узлов кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки . Время протекания 10 −13 с, без потерь.
- Дипольная (Ориентационная) - протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
- Электронно-релаксационная - ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
- Ионно-релаксационная - смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
- Структурная - ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
- Самопроизвольная (спонтанная) - возникает в отсутствие внешнего электрического поля. Наблюдается в материалах, состоящих из отдельных доменов (областей). В каждом из доменов имеет своё, отличное от других доменов, направление, в результате чего суммарный дипольный момент материала равен нулю. При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются вдоль поля. Возникающая при этом поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля; наблюдается явление гистерезиса . Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики).
- Резонансная - ориентация частиц, собственные частоты колебания которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
- Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объёмных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения; имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.
Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты.

Зависимость вектора поляризации от внешнего поля

В постоянном поле

В слабых полях

В постоянном или достаточно медленно меняющемся от времени внешнем электрическом поле при достаточно малой величине напряженности этого поля, вектор поляризации P , как правило (исключение составляют сегнетоэлектрики), линейно зависит от вектора напряженности поля E :
P = χ E {\displaystyle \mathbf {P} =\chi \mathbf {E} } (в системе СГС), P = ε 0 χ E {\displaystyle \mathbf {P} =\varepsilon _{0}\chi \mathbf {E} } (в Международной системе единиц (СИ) ; дальше формулы в этом параграфе приводятся только в СГС, формулы СИ и дальше отличаются лишь электрической постоянной ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} )
где χ {\displaystyle \chi } - коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром - диэлектрической восприимчивостью) данной среды. Для однородной среды фиксированного состава и структуры в фиксированных условиях её можно считать константой. Однако в связи со всем сказанным выше вообще говоря χ {\displaystyle \chi } зависит от точки пространства, времени (явно или через другие параметры) и т. д.
Дипольная (Ориентационная) поляризация при обычно несколько более низких значениях напряженности внешнего поля - порядка kT/p (где p - дипольный момент молекулы, T - температура, k - константа Больцмана) - то есть когда энергия взаимодействия диполя (молекулы) с полем становится сравнимой со средней энергией теплового движения (вращения) диполя - наоборот начинает достигать насыщения (при дальнейшем росте напряженности поля должен рано или поздно включиться сценарий электронной или ионной поляризации, описанный выше, и кончающийся пробоем).

В зависящем от времени поле

Зависимость вектора поляризации от быстро меняющегося во времени внешнего поля достаточно сложна. Она зависит от конкретного вида изменения внешнего поля со временем, быстроты этого изменения (или, скажем, частоты колебаний) внешнего поля, превалирующего поляризации в данном веществе или среде (который тоже оказывается разным для разных зависимостей внешнего поля от времени, частот и т. д.).
При достаточно медленном изменении внешнего поля поляризация в целом происходит как в постоянном поле или очень близко к этому (впрочем то, насколько медленным должно быть для этого изменение поля, зависит, и зачастую крайне сильно, от превалирующего типа поляризации и других условий, например температуры).
Одним из наиболее распространенных подходов к изучению зависимости поляризации от характера меняющегося во времени поля является исследование (теоретическое и экспериментальное) случая синусоидальной зависимости от времени внешнего поля и зависимости вектора поляризации (также меняющегося в этом случае по синусоидальному закону с той же частотой), его амплитуды и сдвига фазы от частоты.
Каждому механизму поляризации в целом соответствует тот или иной диапазон частот и общий характер зависимости от частоты.
Диапазон частот, в котором имеет смысл говорить о поляризации диэлектриков как таковой, простирается от нуля где-то до ультрафиолетовой области , в которой становится интенсивной ионизация под действием поля.

Основные понятия

Электрической поляризацией называют процесс смещения упруго связанных электрических зарядов или ориентацию диполей в направлении приложенного электрического поля. Другими словами, электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля.

При описании электрических явлений (в том числе и поляризации) обычно рассматривают систему, состоящую из электродов, между которыми находится диэлектрик. К указанным электродам подводится напряжение, т.е. рассматривается некоторый участок конструкции, которой может быть электрический конденсатор, кабель, обмотка электрической машины или трансформатора и т.п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его параметров в лаборатории. В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов (носителей заряда), всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, ионы.

Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные заряды — в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные заряды — в обратном направлении (рис. 4.8). В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика (dV) приобретает индуцированный электрический момент (dP). Образование индуцированного электрического момента (Р) в диэлектрике и представляет собой явление поляризации.

Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованностъ, интенсивность поляризации), который равен отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремиться к нулю:

Для однородного диэлектрика с неполярными молекулами, находящимися в однородном электрическом поле, вектор поляризации равен:

где – индуцированный момент одной молекулы (атома); N 0 – число молекул (атомов) в единице объема.

Значение индуцированного электрического момента () зависит от напряженности внешнего электрического поля:

где Ф/м – диэлектрическая постоянная; – поляризуемость частицы (характеризует способность частицы к поляризации), м 3 .

Используя выражения (4.20) и (4.21) получим:

, (4.22)

где – безразмерный параметр – диэлектрическая восприимчивость вещества, или поляризуемость единицы объема диэлектрика.

Для однородного диэлектрика с полярными молекулами, помещенного в однородное электрическое поле:

где – среднее значение составляющей вдоль поля вектора постоянного дипольного момента молекулы; вычисляется с использованием распределения Больцмана для частиц в силовом поле:

, (4.24)

где – классическая функция Ланжевена .

При а << 1 имеем . Но в этом случае вычисляется по формуле Дебая-Ланжевена:

где К – постоянная Больцмана ( Дж/К при K); N 0 – число молекул в единице объема; µ =3∙10 29 Кл∙м – электрический (дипольный) момент молекулы Дебая.

Собственный электрический момент молекулы равен:

где q – суммарный положительный (или численно равный ему суммарный отрицательный) электрический заряд молекулы; l – расстояние между центрами тяжести суммарных положительных (+q) и отрицательных (-q) зарядов (плечо диполя) (рис. 4.9).

Одной из важнейших характеристик диэлектрика, имеющей особое значение для техники, является его относительная диэлектрическая проницаемость (ε). Значение ε представляет отношение заряда (Q), полученного при некотором напряжении на конденсаторе с данным диэлектриком, к заряду (Q 0), который можно получить в конденсаторе тех же геометрических размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

. (4.27)

Из выражения (4.27) следует, что значение ε не может быть меньше 1 .

Значение относительной диэлектрической проницаемости любого диэлектрика не зависит от выбора системы единиц. В дальнейшем для оценки свойств диэлектриков используется именно относительную диэлектрическую проницаемость, причем слово «относительная» для краткости опускается.

Величина заряда (Q) может быть найдена из выражения:

где С – емкость конденсатора; U – приложенное к нему напряжение.

Выражение (4.28) может быть представлено в виде:

где С 0 – емкость вакуумного конденсатора (геометрическая емкость).

Анализируя выражение (4.29), можно дать следующее определение относительной диэлектрической проницаемости. Величина относительной диэлектрической

проницаемости (ε) показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора такой же геометрической конфигурации, у которого между обкладками находится вакуум .

Следовательно, величина ε диэлектрика определяет величину емкости (С) электро- и радиотехнических конструкций:

где Δ – геометрический фактор.

Между диэлектрической проницаемостью (ε), поляризуемостью (α) и диэлектрической восприимчивостью () существует следующая зависимость:

но так как

Поведение диэлектрика в электрическом поле может также характеризоваться абсолютной диэлектрической проницаемостью:

где — абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м; Д – электрическое смещение (электрическая индукция). Для вакуума Д = Е; для диэлектрика .

В настоящее время общепринято разделение большей части диэлектриков на два класса:

1)неполярные диэлектрики;

2)полярные диэлектрики.

У неполярных молекул l = 0 в выражении (4.26) следовательно, и µ = 0, т.е. неполярные молекулы не обладают собственным электрическим моментом. В то же время у полярных молекул . О наличии у молекул собственного электрического момента можно судить по химическому строению этих молекул.

Постоянный электрический момент полярной молекулы, как и всякий электрический момент, является векторной величиной. Будем принимать за направление вектора направление от отрицательного заряда к положительному (см. рис. 4.9).

Независимо от результатов, которые могут быть получены при изучении электрических свойств вещества, о наличии у молекул этого вещества собственного электрического момента можно судить по химическому строению его молекул. И, наоборот, экспериментальное определение дипольного момента (µ) дает возможность делать весьма важные заключения о структуре молекул вещества. Очевидно, что молекулы, которые построены симметрично (при наличии центра симметрии), являются неполярными, так как в этом случае центры тяжести как положительных, так и отрицательных зарядов молекулы совпадают с центром симметрии молекулы, а следовательно, и друг с другом (при этом можем даже не интересоваться знаком заряда отдельных атомов и ионов, из которых построена молекула). Наоборот, несимметричные молекулы являются жесткими диполями.

Так, одноатомные молекулы (Не, Ne, Ar, Кг, Хе) и молекулы, состоящие из двух одинаковых атомов, соединенных друг с другом гомеополярной связью (H 2 , N 2 , Cl 2 и т.п.), неполярны. А молекулы такого типичного ионного (с гетерополярной связью) соединения, как йодистый калий KI (рис. 4.10, а), полярны и имеют весьма большой по

стоянный электрический момент Кл·м. Направлен этот момент от отрицательно заряженного иона () к положительно заряженному иону ().

Чем больше отличаются друг от друга электроотрицательности атомов, образующих двухатомную молекулу, т. е, чем сильнее смещена в сторону одного из атомов их общая электронная пара, тем больше электрический момент такой молекулы. Например, по мере уменьшения электроотрицательности галогенов в ряду от фтора к йоду уменьшается дипольный момент молекул галогеноводородов:

Очень важно заметить, что при суждении о полярности молекулы по ее строению необходимо учитывать не только условное написание химической формулы вещества, но и фактическое расположение зарядов в пространстве. Так, формулы угольного ангидрида и воды в записях СО 2 и Н 2 О похожи, но в действительности, молекула угольного ангидрида имеет симметричное строение с центром симметрии (рис. 4.10, 6) и потому угольный ангидрид неполярен. А молекула воды имеет вид равнобедренного треугольника (рис. 4.10, в) и потому вода имеет резко выраженные полярные свойства (для молекулы воды µ = 6,1·10 30 Кл·м).

Все углеводороды представляют собой вещества неполярые или слабополярные (µ = 0 или весьма мало). Однако при замене отдельных атомов водорода атомами галогенов F, Cl, Вr или I либо группами -ОН, -N0 2 и пр. (т.е. диэлектрофорами Вальдена) образуются несимметричные молекулы, обладающие µ > 0.

Рассмотрим простейший углеводород – метан СН 4 и продукты замещения в нем водорода хлором: хлористый метил (СН 3 С1), двуххлористый метилен (CH 2 Cl 2), хлороформ (СНС1 3) и четыреххлористый углерод (тетраформ) (СС1 4). Молекула метана в пространстве имеет вид тетраэдра, в центре которого расположен атом С, а по вершинам атомы Н (см. рис. 4.10, г).Очевидно, что для метана µ = 0.

Молекулы СНС1 3 , СН 2 С1 2 и СНС1 3 асимметричны и для них соответственно ; 5,17·10 -30 и 3,8·10 -30 Кл·м. Но молекула ССl 4 вновь симметрична и имеет µ= 0.

Бензол С 6 Н 6 – вещество неполярное; при замещении одного атома водорода в бензоле другим элементом или группой получаем полярные вещества:

1) монохлорбензол (µ = 5,17·10 -30 Кл·м);

2) монойодбензол (µ = 4,3·10 -30 Кл·м);

3) фенол (µ = 5,2·10 -30 Кл·м);

4) анилин (µ = 5,1·10 -30 Кл·м);

5) нитробензол (µ = 13,2·10 -30 Кл·м) и т.д.

Ацетон вследствие наличия в молекуле группы СО полярен; для него, µ = 9,7·10 -30 Кл·м.

К неорганическим веществам с высоким значением µ относятся:

· йодид алюминия АlI 3 (µ = 16,5·10 -30 Кл·м);

· хлорид олова SnCl 4 (µ = 17,0·10 -30 Кл·м).

Из числа применяемых в электроизоляционной технике органических материалов практически неполярными являются такие вещества углеводородного состава, как полиэтилен – полимер, имеющий следующее строение (упрощенно):

,

а также парафин, церезин, полиизобутилен, полипропилен, полистирол, невулканизированный каучук, эскапон, нефтяные электроизоляционные масла и др.

Сильно полярными являются: поливинилхлорид, который имеет следующее строение:

,

поливиниловый спирт и его производные, целлюлоза и ее производные, фенолформальдегидные смолы и т.п.

Политетрафторэтилен (фторлон-4), имеющий следующее строение:

,

можно рассматривать как полимерный углеводород (полиэтилен), в котором атомы водорода полностью замещены атомами фтора, благодаря симметричной структуре каждого звена молекулярной цепочки неполярен; но политрифторхлорэтилен (фторлон-3) имеет несимметричное строение и потому полярен.

Основные виды поляризации

В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектриков различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную, ионно-релаксационную, дипольно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную.

Индуцированный под действием приложенного электрического поля суммарный электрический заряд обусловливается суммой различных видов поляризации. Механизмы поляризации могут наблюдаться в различных диэлектриках, однако несколько механизмов поляризации могут наблюдаться одновременно у одного диэлектрика. Гипотетический диэлектрик, обладающий всеми механизмами поляризации, может быть

представлен эквивалентной схемой, в которой каждому механизму поляризации соответствует включенная параллельно источнику напряжения (U) емкость (С) (рис. 4.11).

Емкость С 0 и заряд Q 0 соответствуют геометрической емкости и заряду т.е., если между электродами находится вакуум. Емкость С э и заряд Q э (рис. 4.11) характеризуют электронную поляризацию . Электронная поляризация представляет собой смещение центра заряда электронного облака относительно положительно заряженного ядра атома под действием внешнего электрического поля (рис. 4.12). Смещению противодействует кулоновское притяжение электронов к ядру. Время установления электронной поляризации очень мало (около 10 -15 с), поэтому она практически не зависит от частоты электромагнитного поля (рис 4 13), но связана с потерей энергии и не зависит от температуры. Однако величина ε диэлектриков, обладающих только электронной поляризацией, уменьшается с ростом температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа поляризованных частиц в единице объема (рис. 4.14).

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. При увеличении размеров атомов электронная поляризуемость увеличивается, так как ослабевает связь внешних электронных оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки (l), но и возрастает заряд (q).

Для удобной и наглядной оценки электронной поляризуемости атома или иона (α) введено понятие геометрической поляризации , равной отношению α к диэлектрической постоянной (ε 0), измеряемой в единицах объема. Геометрическая поляризуемость (α/ε 0) имеет порядок объема атома, т.е. 10 -30… 10 -29 м3 . Например, значения α/ε 0 атомов галогенов (в порядке возрастания их атомной массы) равны:

· для F – 0,4·10 -30 ;

· для Сl – 2,4·10 -30 ;

· для Br – 23,6·10 -30 ;

· для J – 5.8·10 -30 м3 .

Для веществ ионного строения существенна поляризация не атомов, а ионов. Различные ионы обладают заметно различающимися значениями отношения электронной геометрической поляризуемости () к кубу радиуса иона ().

Например, отношение для следующих ионов равны:

4) для Zr ++++

5) для Са ++

6) для Рb ++

7) для Ti ++++

Наличие ионов с большим значением способствует поляризации. Некоторые вещества, содержащие такие ионы, имеют весьма высокое значение , например, у рутила (TiO 2) ε = 110.

Емкость С и и заряд Q u (рис. 4.15) характеризуют ионную поляризацию. Ионная поляризация возникает вследствие упругого смещения связанных ионов из положения равновесия на расстояния, не превышающие постоянную кристаллической решетки. С повышением температуры поляризованность возрастает, за счет теплового поля ослабевают силы межионного взаимодействия, тепловое расширение удаляет ионы друг от друга (рис. 4.14). Время установления ионной поляризации около 10 -13 с. Она так же, как и электронная, не связана с потерями энергии и не зависит от частоты, вплоть до частот инфракрасного диапазона (рис. 4.13). Ионная поляризация характерна для кристаллических диэлектриков ионного строения с плотной упаковкой ионов (NaCl и др.).

Емкость С др и заряд Q др (см. рис. 4.11) характеризуют дипольно-релаксационную поляризацию. Дипольно-релаксационная поляризация заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего электрического поля, создавая эффект поляризации диэлектрика (рис.4.16).

Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать дипольно-релаксационную поляризацию; однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. В связи с этим дипольно-релаксационная поляризация с увеличением температуры вначале возрастает, пока ослабление сил межмолекулярного взаимодействия преобладает над возрастанием хаотического теплового движения молекул. Затем, когда интенсивность теплового движения молекул будет преобладать (тепловая энергия «разбрасывает» диполи), дипольно-релаксационная поляризация будет уменьшается (рис. 4.14). При снятии приложенного электрического поля дипольно-релаксационная поляризация нарушается хаотическим тепловым движением молекул, а поляризованность (Р) спадает по экспоненциальному закону:

где Р 0 – поляризованность в момент снятия напряжения; – постоянная времени этого процесса, называемая временем релаксации дипольной поляризации.

Время релаксация – это промежуток времени, в течение которого поляризованность диэлектрика после снятия поля уменьшается вследствие теплового движения молекул в раза от первоначальной. Между временем релаксации (), энергией активации (W) и частотой собственных колебаний релаксирующей частицы (f) существует следующая зависимость:

(4.34)

Обычно имеет порядок 10 -6 …10 -10 с, следовательно, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах ниже 10 6 …10 10 Гц. Дипольно-релаксационная поляризация связана с потерей энергии, поскольку поворот диполей в направление поля требует преодоления некоторого сопротивления. Это отражено (см. рис. 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С др активного сопротивления R д p . При увеличении частоты значение ε др снижается, поскольку проявляется инерционность процесса ориентации, т.е. дипольные молекулы за ионизационный полупериод изменения напряжения не успевают полностью переориентироваться по направлению поля.

Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных газах, жидкостях. Поляризация этого вида может наблюдаться также и в твердых диэлектриках. Однако в некоторых твердых, в большинстве своем органических, диэлектриках дипольно-релаксационная поляризация обычно обусловлена уже не ориентацией самой молекулы, а ориентацией имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию называют дипольно-радикальной. Примером веществ с поляризацией этого вида является целлюлоза, полярность которой объясняется наличием гидроксильных групп (ОН) и кислорода. В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми Ван-Дер-Вальсовскими связями возможна ориентация и более крупных частиц.

Емкость С ир и заряд Q up (см. рис 4.11) характеризуют ионно-релаксационную поляризацию. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабосвязанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие амплитуду ангармонических тепловых колебаний. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры (см. рис. 4.14) за счет ослабления сил взаимодействия. При увеличении частоты значение ε ир снижается за счет инерционности процесса переориентации (см. рис. 4.13). Поляризация этого вида связана с потерями энергии, что отраженно (см. рис. 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С ир активного сопротивления R up .

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках аморфного строения (стекле, керамике и т.д.), а также в неорганических кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (рыхлого строения).

Емкость С эр, и заряд Q э p (см. рис. 4.11) характеризуют электронно-релаксационную поляризацию. Электронно-релаксационная поляризация возникает в связи с ориентацией возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или «дырок». Электронно-релаксационная поляризация характерна главным образом для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним электрическим полем и наличием электронной составляющей проводимости. Характерным представителем этой группы материалов являются: двуокись титана «загрязнения» с примесью Nb +5 ; Ca +2 ; Ва +2 ; двуокись титана с анионными вакансиями и примесью ионов Ti +3 . а также ряд соединений на основе окислов металлов с переменной валентностью – титана, ниобия, висмута.

Эти диэлектрики могут обладать исключительно высоким значением диэлектрической проницаемости (CaTiO 2 – титанит кальция имеет ε = 150; и т.д.). Кроме того, у этих диэлектриков наблюдается максимум ε в температурной зависимости. Этот вид поляризации связан с потерями энергии, что отражено на рис. 4.11 в виде последовательно включенного с емкостью С эр активного сопротивления R э p .

Емкость С m и заряд Q m (рис. 4.11) характеризуют миграционную поляризацию. Миграционная (структурная ) поляризация обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью и т.п., а также в композиционных диэлектриках. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящихся и полупроводящих включений начинают перемещаться в пределах каждого включения, образуя поляризованные области на границе раздела сред (рис. 4.17). Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поляризация этого вида обычно возможна лишь на низких частотах.

Поляризация этого вида связана с потерями энергии, что отражено (см. рис 4.11) в виде последовательно включенного с емкостью С m активного сопротивления R m .

Емкость С рез и заряд Q pe з (см. рис. 4.11) характеризуют резонансную поляризацию. Резонансная поляризация проявляется в диэлектриках при оптических частотах. Она зависит от физико-химических особенностей диэлектриков, может относиться к собственной частоте электронов или ионов (при очень высоких частотах) или к характеристической частоте дефектных электронов (при более низких частотах). Резонансные изменения показаны на рис. 4.18.

Резонансная электронная поляризация связана с аномальной дисперсией света и еще недостаточно изучена. При аномальной дисперсии показатель преломления вещества для определенной частоты возрастает вследствие того, что за счет резонанса с собственными колебаниями частиц уменьшается фазовая скорость распространения колебаний, и материал для данной волны становится «вязким»:

где – показатель преломления для определенной частоты; – фазовая скорость распространения колебаний этой частоты в диэлектрике; с = 3·10 8 м/с – скорость волн всех частот в вакууме.

При резонансе сильно возрастает поглощение энергии волны. С увеличением

частоты значение ε резко падает ввиду «выключения» данного механизма поляризации.

Все емкости эквивалентной схемы (см. рис.4.11) шунтированы R из и представляют собой сопротивление диэлектрика току сквозной проводимости. Емкость С с n и заряд Q cn и активное сопротивление R cn (см. рис.4.11) характеризуют спонтанную поляризацию. Спонтанная (самопроизвольная ) поляризация – поляризация, возникающая под влиянием внутренних процессов в диэлектриках без внешних воздействий. Поляризация этого типа нелинейно зависит от напряженности электрического поля (рис. 4.19) и при циклическом изменении ε имеет вид характерной замкнутой кривой — петли гистерезиса (рис. 4.20).

Диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, получили название сегнетоэлектриков (сегнетова соль NaKC 4 H 4 O 6 ·4H 2 O; титанат бария BaTiO 3 , нитрит натрия NaNO 2 и т.д.). Особенностью строения сегнетоэлектриков является наличие в них доменной структуры (подобно структуре ферро- и ферримагнетиков). Следовательно, наложение внешнего электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации.

Одним из основных параметров сегнетоэлектриков является сегнетоэлектрическая точка Кюри (в отличие от магнитной). Это температура, при которой возникает (при охлаждении) или исчезает (при нагреве) спонтанная поляризация. После достижения точки Кюри, при подъёме температуры или снижении, происходит фазовый переход вещества из сегнетоэлектрического состояния в пароэлектрическое (рис.4.21). Спонтанная поляризация сопровождается значительным рассеянием энергии.

Как и другие электрические параметры диэлектриков, диэлектрическая проницаемость (ε) зависит от изменяющихся внешних факторов: частоты приложенного к диэлектрику электрического поля, температуры, давления, влажности и т.п.

Зависимость ε от частоты

Как уже отмечалось, время установления электронной или ионной поляризации весьма мало по сравнению со временем изменения знака напряжения (т.е. с полупериодом изменения напряжения) даже для наиболее высоких практически применяемых в электротехнике и радиотехнике частот. Поэтому поляризация диэлектриков, для которых характерен лишь деформационный механизм поляризации, успевает полностью установиться за время, чрезвычайно малое по сравнению с полупериодом напряжения, и нет оснований для того, чтобы появилась практически существенная зависимость ε от частоты у таких диэлектриков.

Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты в чрезвычайно широких пределах (рис. 4.22). Иначе обстоит дело в случае дипольной поляризации. При повышении частоты переменного напряжения значение ε полярного диэлектрика сначала также остается неизменным, но, начиная с некоторой критической частоты (f 0), когда поляризация уже не успевает полностью установиться за один полупериод, ε снижается, приближаясь при весьма высоких частотах к значениям, характерным для неполярных диэлектриков. Значение f 0 может приближенно получено из выражения:

где – динамическая вязкость жидкости; r – радиус молекулы.

Так, для воды, для которой было найдено с, значение f 0 , должно быть примерно 10 11 Гц, т.е. 100 ГГц. При повышении температуры, помимо увеличения Т в числителе формулы (4.36) уменьшается и в знаменателе, поэтому f 0 должно возрастать. Это иллюстрирует рис. 4.24.

В резко неоднородных диэлектриках, в частности в диэлектриках с включением воды, наблюдается явление миграционной поляризации. Миграционная поляризация (другие, нестандартные ее названия: высоковольтная, междуслоевая, объемная) представляет собой накопление электрических зарядов на границах раздела различных диэлектриков (в случае увлажненного диэлектрика – на поверхности включений воды). Процессы установления миграционной поляризации сравнительно весьма медленны и могут протекать на протяжении минут и даже часов. Поэтому увеличение емкости изоляции вследствие увлажнения последней тем больше, чем ниже частота приложенного к изоляции переменного напряжения.

Сказанное дает основание к оценке степени увлажнения некоторых видов изоляции, в частности волокнистой, по способу «емкость – частота»: емкость изоляции измеряется при одной и той же температуре, но при разных частотах – очень низкой (2Гц) и обычной промышленной (50 Гц). Отношение этих двух значений емкости (рис. 4.25) является критерием увлажненности изоляции: у вполне сухой изоляции это отношение близко к единице, а чем больше отношение, тем больше влажность изоляции. Способ «емкость – частота» не всегда может считаться надежным способом оценки увлажненности изоляции, но сам факт наличия различных частотных зависимостей ε диэлектрика при различных влажностях представляет значительный интерес.

Как правило, мы не рассматриваем здесь явления резонансной поляризации, которое вызывает появление максимумов в зависимостях при очень высоких значениях частоты (f), при повышении f может наблюдаться или практическая независимость ε от частоты или снижение её, но не повышение.

При одновременном наличии в диэлектрике нескольких физических механизмов медленной (релаксационной) поляризации (дипольных – за счет ориентации различных групп молекул или ориентации молекул разных компонентов смешанного диэлектрика, миграционных и т, п.) с различными временами релаксации τ (набор времен релаксации) картина зависимости может быть усложненной. Так, в этом случае при повышении f в графике может наблюдаться не одно, а несколько снижений.

Зависимость по аналогии с дисперсией света, т.е. наличием зависимости показателя преломления ν от частоты колебаний , называется дисперсией диэлектрической проницаемости . Разность значений диэлектрической проницаемости, определяемых (при повышении f) до начала спада, вызванного тем или иным механизмом релаксационной поляризации, и по окончании этого спада называется глубиной релаксации для данного механизма поляризации. Очевидно, что наибольшее значение ε диэлектрика есть ε , измеренное на постоянном напряжении (или при инфранизкой частоте); это – так называемая статическая диэлектрическая проницаемость (ε с), а наименьшее – ε, измеренное на чрезвычайно высокой частоте, приближающейся к частоте световых колебаний; это – оптическая диэлектрическая проницаемость (). Разность этих значений называется инкрементом диэлектрической проницаемости.