Ионно-релаксационная поляризация (запаздывание)

Ионно-релаксационная поляризация проявляется в диэлектрике ионного строения (керамика, стекло и т.д.) Из-за дефектов кристаллической решетки существует определенное количество слабо связанных ионов, которые в результате теплового колебания могут хаотически перемещаться в различных направлениях на расстояние превышающее размеры ионов, но не превышающие размеров решетки. При помещении таких диэлектриков в электрическое поле перемещение ионов становится упорядоченным и происходит преимущественно в направлении электрического поля. В результате в диэлектрике возникает асимметрия в распределении электрических зарядов создающая электрический момент. Для перемещения ионов требуется определенное время. Поэтому поляризация происходит с некоторым запаздыванием релаксацией по отношению к изменению поля. Это явление ионно-релаксационной поляризации.

Время установления t=(0,1 ¸ несколько секунд).

При установлении затрачивается энергия. Энергия рассеивается в виде тепла, т.е. указанный вид поляризации вызывает диэлектрические потери.

Математическое описание.

Допустим в некотором объеме диэлектрика имеет несколько слабосвязанных ионов. Допустим, каждый ион может занимать только два положения равновесия.

В отсутствие электрического поля ионы совершают тепловые колебания. При этом существует вероятность того, что энергия таких колебаний превысит величину потенциального барьера и ион может перейти в другое положение равновесия. Вероятность такого перехода равна:

, где Т – температура по Кельвину; k – постоянная Больцмана.

.

Количество ионов перебрасываемых в любом из направлений пространства определяется как, (1) где n - частота собственных тепловых колебаний.

В отсутствие n_1-2=n_2-1=n.

Накладываем электрическое поле.

Приложение электрического поля приводит к тому, что ионы, движущиеся в направление оси Х, получают дополнительное количество энергии DU (рис.), а это приводит к тому, что вероятность перехода из 1 в 2 становится больше перехода из 2 в 1, т.е. П_1-2>П_2-1.

По истечении некоторого длительного времени в положении 1 окажется , а в положении 2 - , где Dn – дополнительное количество перебрасываемых электрон.

Процессы поляризации происходят в слабых электрических полях, при этом энергия электрического поля много меньше энергии теплового движения, т.е. DU<<kT.

В конечном итоге получаем формулу для поляризации:

, где d - расстояние между узлами решетки.

Таким образом, поляризация при ионно-релаксационном характере зависит от величины зарядов ионов, участвующих в поляризации, от структуры решетки. Т.е. чем более рыхлая решетка, тем больше поляризация. Также поляризация зависит от температуры – чем выше температура, тем меньше поляризация, и чем ниже температура, тем больше поляризация.