С точки зрения Зонной теории твёрдого тела, в диэлектриках ближайшие свободные уровни зоны проводимости отделены от заполненных уровней валентной зоны запрещённой зоной. Ширина запрещённой зоны у диэлектриков превышает 3 эВ, поэтому электроны под действием обычных не слишком сильных электрических полей не могут её преодолеть (рисунок 1).
Рисунок 1 – Энергетические диаграммы диэлектриков, проводников и полупроводников
Однако, под воздействием внешнего электрического поля в диэлектриках наблюдается явление поляризации – такого состояния вещества, при котором электрический момент данного объёма этого вещества имеет значение, отличное от нуля. Явление поляризации в диэлектриках может возникать как под воздействием внешнего электрического поля, так и, в отдельных случаях, спонтанно. Различают электронную, ионную, дипольную, миграционную, спонтанную, доменную, пьезоэлектрическую и остаточную поляризацию в диэлектриках.
Электронная поляризация обусловлена упругим смещением и деформацией электронных оболочек относительно ядер в диэлектрике. Электронная поляризация наблюдается во всех типах диэлектриков, состоящих из не полярных атомов или молекул, в которых центры положительно заряженных ядер совпадают с центрами соответствующих суммарных отрицательных зарядов (рисунок 2, слева). Под действием внешнего электрического поля происходит смещение центров отрицательных зарядов относительно центров положительных ядер атомов (рисунок 2, справа). В результате такого смещения атом становится электрическим диполем.
Рисунок 2 – Электронная поляризация в диэлектрике
Ионная поляризация представляет собой поляризацию, обусловленную упругим смещением разноимённо заряженных ионов относительно положения равновесия в диэлектрике (рисунок 3). Ионная поляризация свойственна для твёрдых диэлектрических материалов, выполненных из веществ с ионной кристаллической решёткой или аморфных веществ, состоящих из ионов. Например: кварц, керамика, стекло, слюда и др.
Рисунок 3 – Ионная поляризация в диэлектрике на примере фрагмента условной кристаллической решётки
Дипольная поляризация, соответственно, обусловлена ориентацией диполей в одном направлении, например, в направлении вектора напряжённости приложенного электрического поля (рисунок 4). Дипольная поляризация характерна для жидких и твёрдых диэлектрических материалов имеющих молекулярную структуру, например, компаундов, полярных полимеров и др.
Рисунок 4 – Дипольная поляризация в диэлектриках
В неоднородных (слоистых) диэлектриках и диэлектриках с включениями (содержащими микроскопические участки, обладающие свойствами проводников или полупроводников) наблюдается миграционная поляризация, обусловленная перераспределением свободных зарядов в объёме диэлектрика, т.е. между слоями или участками с разной проводимостью.
В некоторых диэлектриках имеет место спонтанная поляризация – это поляризация, возникающая в диэлектрике самопроизвольно без внешних воздействий. Такой вид поляризации наблюдается, в частности, в сегнетоэлектриках: в сегнетовой соли, титанате бария, нитрите натрия и других. С точки зрения энергетической структуры сегнетоэлектрики представляют собой совокупность доменов, в каждом из которых дипольные моменты молекул одинаково направлены, а в объёме всего диэлектрика – направлены хаотически.
В случае, если сегнетоэлектрик поместить в электрическое поле, то будет иметь место ещё один вид поляризации в диэлектриках, свойственный только сегнетоэлектрикам – доменная поляризация. Это поляризация диэлектрика обусловленная, преимущественно, ориентацией доменов в одном направлении.
Поляризация в диэлектриках может возникать не только под действием электрического поля или спонтанно, но и в результате механических напряжений. Такая поляризация получила название пьезоэлектрической поляризации. Во всех случаях поляризация является обратимым явлением. Однако, после прекращения внешних воздействий на диэлектрик поляризация в нём может сохраниться (остаточная поляризация). Поляризация диэлектрика может быть полностью устранена с помощью механизмов деполяризации – процесса устранения остаточной поляризации в диэлектрике. Кроме того, можно изменить направление поляризации (переполяризация).
Рассмотрев в достаточно общем виде явление поляризации в диэлектриках можно перейти к определению диэлектрика и диэлектрического материала.
В соответствии с ГОСТ Р 52002-2003 диэлектрик – это материал, обладающий способностью поляризоваться в электрическом поле.
В соответствии с ГОСТ 21515-76, диэлектрический материал – это материал, предназначенный для использования его диэлектрических свойств. При этом под диэлектрическими свойствами материала понимается совокупность свойств диэлектрика, связанных с явлением поляризации.