Различные виды диэлектриков

      До сих пор мы рассматривали диэлектрики, которые приобретают электрический момент во внешнем электростатическом поле. Но есть и другие диэлектрики, например, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики.

Сегнетоэлектрики

      В 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Сначала её обнаружили у кристаллов сегнетовой соли(NaKC₄H₄O₆·4H₂O), а затем и у других кристаллов. Всю эту группу веществ назвали сегнетоэлектрики (или ферроэлектрики). Детальное исследование диэлектрических свойств этих веществ было проведено в 1930 – 1934 гг. И.В. Курчатовым в ленинградском физическом техникуме. Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). У изотропных диэлектриков поляризация всех молекул одинакова, у анизотропных – поляризация, и следовательно, вектор поляризации  в разных направлениях разные. В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков.

      Рассмотрим основные свойства сегнетоэлектриков:

      1. Диэлектрическая проницаемость ε в некотором температурном интервале велика().

      2. Значение ε зависит не только от внешнего поля E₀, но и от предыстории образца.

      3. Диэлектрическая проницаемость ε (а следовательно, и Р) – нелинейно зависит от напряженности внешнего электростатического поля (нелинейные диэлектрики).

      Это свойство называется диэлектрическим гистерезисом. На рисунке 4.6 изображена кривая поляризации сегнетоэлектрика – петля гистерезиса.

Рис. 4.6

Здесь точка а – состояние насыщения.

      При   это говорит о том, что в кристаллах имеется остаточная поляризованность P_С, чтобы ее уничтожить, необходимо приложить E_С – коэрцитивную силу противоположного направления.

      4. Наличие точки Кюри – температуры, при которой (и выше) сегнетоэлектрические свойства пропадают. При этой температуре происходит фазовый переход 2-го рода. (Например, титанат бария: 133º С; сегнетова соль: – 18 + 24º С; дигидрофосфат калия: – 150º С; ниобат лития 1210º С).

      Причиной сегнетоэлектрических свойств является самопроизвольная (спонтанная) поляризация, возникающая под действием особо сильного взаимодействия между частицами, образующими вещество.

а                                              б

Рис. 4.7

      Стремление к минимальной потенциальной энергии и наличие дефектов структуры приводит к тому, что сегнетоэлектрик разбит на домены (рис. 4.7). Без внешнего поля P – электрический импульс кристалла равен нулю (рис. 4.7, а). Во внешнем электростатическом поле домены ориентируются вдоль поля (рис. 4.7, б).

      Сегнетоэлектрики используются для изготовления многих радиотехнических приборов, например, варикондов – конденсаторов с изменяемой емкостью.

      Среди диэлектриков есть вещества, называемые электреты – это диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электростатического поля

.

      Электреты являются формальными аналогами постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле. Принципиальная возможность получения таких материалов была предсказана Фарадеем. Термин «электрет» был предложен Хевисайдом в 1896 году по аналогии с английским «magnet» – постоянный магнит, а первые электреты получены японским исследователем Егучи в 1922 году. Егучи охладил в сильном электрическом поле расплав карнаубского воска и канифоли. Электрическое поле сориентировало полярные молекулы, и после охлаждения материал остался в поляризованном состоянии. Для уточнения технологии такие материалы называют термоэлектретами.

Пьезоэлектрики

      Некоторые диэлектрики поляризуются не только под действием электростатического поля, но и под действием механической деформации. Это явление называется

пьезоэлектрическим эффектом.

      Явление открыто братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.

      Если на грани кристалла наложить металлические электроды (обкладки), то при деформации кристалла с помощью силы  на обкладках возникнет разность потенциалов. Если замкнуть обкладки, то потечет ток.

      Продемонстрировать пьезоэффект можно рисунком 4.8.

      Сейчас известно более 1800 пьезокристаллов. Все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими свойствами.

      Возможен и обратный пьезоэлектрический эффект. Возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями. Если на пьезоэлектрический кристалл подать напряжение, то возникнут механические деформации кристалла, причем, деформации будут пропорциональны приложенному электростатическому полю

Е₀.

Рис. 4.8

Пироэлектрики

      Кроме сегнетоэлектриков, спонтанно поляризованными диэлектриками являются пироэлектрики (от греч. pyr – огонь). Пироэлектрики – это кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной электрической поляризацией во всей температурной области, вплоть до температуры плавления.

      В отличие от сегнетоэлектриков в пироэлектриках поляризация Р линейно зависит от величины внешнего электрического поля, т.е. пироэлектрики являются линейными диэлектриками.

      Пироэлектричество – появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов при их нагревании или охлаждении. При нагревании один конец диэлектрика заряжается положительно, а при охлаждении он же – отрицательно. Появление зарядов связано с изменением существующей поляризации при изменении температуры кристаллов. Типичный пироэлектрик – турмалин.

      Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Некоторые пироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами. Из сказанного следует, что понятие «пироэлектрик» является более общим, чем «сегнетоэлектрик». Можно сказать, что сегнетоэлектрики есть пироэлектрики с реориентируемой внешним полем поляризацией.

      В пироэлектриках поляризация Р линейно зависит от величины внешнего электростатического поля , т.е. пироэлектрики являются линейными диэлектриками.

      В качестве примеров использования различных диэлектриков можно привести следующие:

     сегнетоэлектрики – электрические конденсаторы, ограничители предельно допустимого тока, позисторы, запоминающие устройства;

           пьезоэлектрики – генераторы ВЧ и пошаговые моторы, микрофоны, наушники, датчики давления, частотные фильтры, пьезоэлектрические адаптеры;

     пироэлектрики – позисторы, детекторы ИК-излучения, болометры (датчики инфракрасного излучения), электрооптические модуляторы.

---

4.6. Классификация диэлектриков

По выполняемым функциям диэлектрики можно подразделить на электроизоляционные и конденсаторные материалы

(пассивные диэлектрики) и управляемые материалы (активные диэлектрики) (рис. 4.5).

Электроизоляционные материалы используют для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга элементы схемы или конструкции, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Рис. 4.5. Классификация диэлектриков

Применение диэлектриков в конденсаторах позволяет получать требуемые значения ёмкости, а в некоторых случаях обеспечивает определённый характер зависимости этой ёмкости от внешних факторов. Диэлектрик конденсатора может запасать, а потом отдавать в цепь электрическую энергию (ёмкостный накопитель). Иногда конденсатор используют для разделения цепей постоянного и переменного токов, для изменения угла фазового сдвига и т.д.

Некоторые диэлектрики применяют как для создания электрической изоляции, так и в качестве конденсаторных материалов (например, слюда, керамика, стекло, полистирольные и другие плёнки). Тем не менее требования к электроизоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Если от электроизоляционного материала требуется невысокая относительная диэлектрическая проницаемость и большое удельное сопротивление, то диэлектрик конденсатора, наоборот, должен иметь повышенную  и малое значение tgδ. Роль диэлектрика в конденсаторе также нельзя считать активной, но конденсатор уже является функциональным элементом в электрической схеме.

Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, датчиков ряда физических процессов и генерации колебаний. В классификационной схеме рис. 4.5 управляемые диэлектрики, в свою очередь, подразделены по принципу управления.

В дальнейшем классификация материалов осуществлена на основе особенностей строения их в тех состояниях, в которых их применяют на практике, а следовательно, на основе особенностей их свойств. К таким особенностям относятся: инертная высокополимерная структура пластичных в технологии материалов – пластмасс, высокоэластичное состояние других полимерных материалов – эластомеров (каучуков), волокнистое строение, монокристалличность, поликристалличность, стеклообразное состояние или многофазность. Из-за разнообразия применяемых на практике диэлектриков, различия их свойств и некоторых, исторически сложившихся традиций подразделения материалов такую классификацию не всегда удаётся строго выдерживать.

4.7. Основные сведения о строении и свойствах полимеров

Реакции образования полимеров. Подавляющее большинство органических материалов, используемых для изготовления электрической изоляции, относится к группе полимеров. Полимерами называют высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев – мономеров.

Реакцию образования полимера из мономеров называют полимеризацией. В процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости или твёрдое. Реакция полимеризации не сопровождается отщеплением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов; при этой реакции полимер и мономер характеризуются одинаковым элементным составом. Полимеризация соединений с двойными связями, как правило, протекает по цепному механизму. Для начала цепной реакции необходимо, чтобы в исходной инертной массе зародились активные частицы. В цепных реакциях одна активная частица вовлекает в реакцию тысячи неактивных молекул, образующих длинную цепь. Первичными активными центрами являются свободные радикалы и ионы.

Радикалы – это части молекулы, образующиеся при разрыве электронной пары и содержащие неспаренный электрон (например, метил СН₃–, фенил С₈Н₆–, этиловая группа С₂Н₅– и т.д.). Образование первоначальных радикалов и ионов может происходить под действием теплоты, света, различных ионизирующих излучений, специально вводимых катализаторов.

Рассмотрим в качестве примера полимеризацию этилена (СН₂= СН₂), который в нормальных условиях находится в газообразном состоянии. Предположим, что инициатором полимеризации является некоторый свободный радикал R–, который, имея свободную валентность, обладает большой реакционной способностью. Такой радикал присоединяется к молекуле этилена, раскрывая двойную связь, и тем самым превращает её в новый радикал со свободной валентной связью на конце:

(R–) + CH₂= CH₂→ R – CH₂– CH₂–.

Образовавшийся комплекс очень активен и, в свою очередь, способен присоединить новую молекулу с образованием более длинного радикала. Реакция полимеризации продолжается до тех пор, пока не произойдёт обрыв полимерной цепочки. В реакционной системе вблизи от растущей полимерной цепи может оказаться другой свободный радикал или другая растущая полимерная цепь. Тогда происходит их соединение друг с другом, и полимерная цепь прекращает дальнейший рост.

Линейные и пространственные полимеры. В зависимости от пространственной структуры макромолекул полимеры делят на два основных типа – линейные и пространственные. В линейных полимерах макромолекулы представляют собой цепочечные последовательности повторяющихся звеньев. При этом отношение длины молекулы к её поперечным размерам очень велико и может быть порядка 1000.

В пространственных полимерах макромолекулы связаны в общую сетку, что приводит к неограниченному возрастанию молекулярной массы, которая характеризует уже не отдельную макромолекулу, а некоторую область полимера. В таких пространственно-структурированных материалах отдельные макромолекулы теряют индивидуальность. Поэтому иногда пространственные полимеры называют полимерными телами.

Между свойствами линейных и пространственных полимеров имеются существенные различия. Как правило, линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны, большинство из них при умеренном повышении температуры легко размягчаются и расплавляются. Пространственные полимеры обладают большей жёсткостью, расплавление их происходит при высоких температурах, а многие из них до достижения температуры плавления разрушаются химически (сгорают, обугливаются и т.п.).

В связи с этими свойствами линейные полимеры в практике называют термопластичными материалами, а пространственные – термореактивными.

Благодаря слабому межмолекулярному взаимодействию линейные полимеры в большинстве случаев обладают способностью набухать и растворяться в подходящих по составу растворителях с образованием вязких растворов, из которых затем получают прочные плёнки и волокна. Пространственные полимеры с трудом поддаются растворению, а значительная часть из них нерастворима. Типичными пространственными полимерами являются фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, сильно вулканизированный каучук (эбонит, эскапон).

Гибкость и химическая связь. Высокая гибкость линейных полимеров определяется двумя одинаково важными факторами – размером макромолекул и природой химической связи между атомами. Например, в полиэтилене, как и в других насыщенных углеводородах, каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи, направленные к углам правильного тетраэдра. Нормальный тетраэдрический угол между связями равен 109°28′, и поэтому выпрямленная цепь макромолекулы полиэтилена выглядит как змейка. Растянуть такую змейку, не разрушив её, нельзя, так как ковалентные связи имеют определённую длину и направленность.

Тепловые толчки не в состоянии вызвать движение всей макромолекулы в структуре полимера. Однако благодаря гибкости молекулярных цепей в тепловом движении могут участвовать отдельные участки макромолекулы, называемые сегментами. Чем меньше размер сегментов, способных к самостоятельному перемещению, тем больше гибкость макромолекулы. У линейных полимеров сегменты обычно состоят из нескольких десятков звеньев. Сегментальная подвижность молекулярных цепей является одной из причин релаксационных диэлектрических потерь в полимерах.

В зависимости от температуры аморфные полимеры могут находиться в трёх физических состояниях.

1. Стеклообразное состояние. Материал в этом состоянии обладает хрупкостью, и при весьма больших механических напряжениях он лишь незначительно деформируется перед разрушением. Температуру, при которой полимер в процессе нагревания перестаёт быть стеклообразным и приобретает высокую эластичность или, наоборот, при которой в процессе охлаждения он переходит в стеклообразное состояние, называют температурой стеклования (Т_с).

2. Высокоэластичное состояние. В этом состоянии материалы при сравнительно небольших механических

напряжениях обладают весьма большой упругой деформацией. Так каучуки могут растягиваться почти в 10 раз. При дальнейшем нагревании и достижении температуры Т_тполимер переходит в состояние текучести.

3. Вязкотекучее состояние. Материал в этом состоянии под влиянием небольших усилий проявляет необратимую

пластическую деформацию, что может быть использовано для его технологической обработки.

При понижении температуры линейные полимеры вновь проходят через все перечисленные стадии. Нахождение в той или иной стадии обусловлено изменением структуры вещества и силами сцепления между макромолекулами линейных полимеров.

Пространственные полимеры на высокой стадии полимеризации полностью инертны к изменениям температуры окружающей среды.

Состав полимерных цепей. По химическому составу полимеры можно разделить на органические и элементоорганические. К органическим полимерам относят такие высокомолекулярные соединения, у которых главная цепь состоит из углерода или комбинации углерода с кислородом, азотом, серой и фосфором.

Элементоорганическими называют такие полимеры, главная цепь которых не содержит атомов углерода, но обрамляется органическими группами. Наиболее распространёнными представителями этих материалов являются кремнийорганические соединения.

Электрические свойства. Строение макромолекул во многом определяет электрические свойства полимеров. Все химические связи углерода с другими элементами в той или иной степени полярны из-за различия электроотрицательностей атомов, участвующих в связи. Суммарный дипольный момент молекулы определяется векторной суммой дипольных моментов отдельных связей. Если молекула имеет симметричное строение, то дипольные моменты отдельных связей могут уравновешивать друг друга, благодаря чему суммарный дипольный момент равен нулю.

Вещества с несимметрично построенными звеньями полимерных молекул являются дипольными и обычно обладают известной гигроскопичностью, невысокими или средними электрическими характеристиками. Высокомолекулярные углеводороды с симметрично построенными молекулами практически неполярны или слабополярны, гигроскопичность их ничтожно мала, и поэтому они имеют малое значение тангенса угла диэлектрических потерь и низкую удельную проводимость.

Нагревостойкость. Большинство органических полимеров может длительно работать лишь при температурах ниже

100°С. Выше этой температуры, как правило, происходит быстрое тепловое старение материала. Поэтому основной проблемой химии высокомолекулярных соединений всегда было создание более нагревостойких материалов при сохранении у них гибкости, эластичности и других характерных для органических веществ свойств. В настоящее время промышленностью производятся и весьма нагревостойкие высокомолекулярные материалы, например, фторсодержащие полимеры, кремнийорганические соединения, полиимиды.

4.2. Виды электропроводности диэлектриков

определяется в первую очередь примесями, содержащимися в аморфной фазе.

В отличие от электронной электропроводности, при которой электроны поступают из катода и переносят заряд через кристалл, в случае ионной проводимости перенос заряда сопровождается переносом вещества, т. е. электролизом. Анионы (носители отрицательного заряда) осаждаются и разряжаются в области анода, а катионы (носители положительного заряда) осаждаются в области катода. По этой причине величина ионного тока должна зависеть от времени, так как концентрация носителей заряда, имеющихся в диэлектрике, постепенно уменьшается: ионы уносятся полем в приэлектродную область.

Таким образом, в материалах с ионной связью основными носителями зарядов являются слабосвязанные ионы, которые нужно рассматривать как примеси. Концентрация подвижных ионов зависит от энергии химической связи и энергии теплового возбуждения. Иначе говоря, концентрация подвижных ионов зависит от физикохимической природы диэлектрика и температуры.

Процесс ионной проводимости можно рассматривать по аналогии с ионной релаксационной поляризацией, учитывая, что ионы не закрепляются в новых положениях, а следуют в направлении, определяемом направлением электрического поля.

Зависимость потенциальной энергии иона от его положения

впространстве можно описать периодической функцией. Для того чтобы перемещаться в диэлектрике, ионы должны преодолевать по-

тенциальные барьеры высотой Ea, т. е. преодолевать силы, связывающие их с соседними частицами. В случае когда энергия системы минимальна, каждый ион находится на дне потенциальной ямы, т. е.

внаиболее устойчивом положении. Вероятность того, что при тепловом хаотическом движении частица сможет преодолеть энергети-

ческий барьер Ea и перемещаться в диэлектрике, пропорциональна exp (– Ea /kT). Повышение энергии системы (например, при нагреве

материала), приводит к тому, что энергия какого-либо иона возрастает настолько, что ион покидает пределы потенциальной ямы и под действием внешнего электрического поля начинает перемещаться. Следовательно, при увеличении температуры вероятность появления свободных носителей заряда растет.

Расчеты показывают, что если в электропроводности принимают участие собственные и примесные ионы, то удельная ионная электропроводность σV ион определяется выражением

Диэлектрики. Классификация

 

Диэлектриками называются материалы, в которых длительно могут существовать электростатические поля и основным свойством которых является способность к поляризации.

При нормальных условиях ( температура близкая к комнатной, давление порядка атмосферного, уровень радиационного воздействия близок по интенсивности к солнечному ) диэлектрики обладают высокими значениями удельного электрического сопротивления (ρ>10⁸Ом·м) и шириной запрещенной зоны порядка 3-8 эВ. При этом электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле они могут лишь смещаться, что приводит к разделению центров положительного и отрицательного зарядов.

Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.

Диэлектрики классифицируют по разным признакам.

1 По функциям, которые диэлектрические материалы выполняют в приборах и устройствах, а также по воздействию, оказываемому на них внешними факторами, они подразделяются на электроизоляционные и конденсаторные материалы (линейные или пассивные) и активные диэлектрики (нелинейные или управляемые).

2 По агрегатному состоянию — на газообразные, жидкие и твердые.

В газообразных — молекулы или атомы находятся на значительном расстоянии друг от друга и слабо взаимодействуют между собой, плотность газов низка, они не имеют собственного объема и подразделяются на:

— неполярные (воздух и входящие в его состав газы: водород, кислород, азот; благородные газы: гелий, аргон и др.), у которых в отсутствии внешнего электрического поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают;

— полярные (СО, Н₂О, HCl, HF, H₂S и др.), у которых центры разноименных зарядов не совпадают, т.е. существуют постоянные диполи.

В жидких — молекулы и атомы расположены ближе чем в газах, и они имеют собственный объем, а их свойства слабо зависят от внешнего давления. К электроизоляционным и конденсаторным материалам относятся нефтяные масла (трансформаторное, кабельное и конденсаторное ) и синтетические фтор-, хлор- и кремнийорганические жидкости.

3 По химическому составу на: органические, неорганические и элементоорганические.

Органические — представляют собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические — те, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержат в своем составе углерода и представляют собой, в основном, неорганические химические соединения и твердые растворы на их основе.

Также возможна классификация по наличию или отсутствию дальнего порядка (аморфные и кристаллические), по количеству фаз (однофазные и многофазные), по области применения (низкочастотные и высокочастотные) и др.

Из многообразия электрических свойств диэлектриков, определяющих их техническое применение, основными являются: электропроводность, поляризация, диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.

При воздействии электрического поля в диэлектрике возникает ряд процессов: смещение связанных зарядов (поляризация), направленное движение зарядов (электропроводность), рассеивание энергии поля, вызывающее нагрев диэлектрика (диэлектрические потери) и, наконец, при достаточно высоких напряженностях поля диэлектрик теряет свои диэлектрические свойства (пробой).

 

1.2 Основные электрические свойства и характеристики диэлектриков

 

1.2.1 Поляризация и электрическое поле в диэлектрике

В диэлектрике положительно и отрицательно заряженные частицы прочно связаны друг с другом. Поэтому, при внесении диэлектрика в электрическое поле наблюдается лишь смещение связанных зарядов относительно друг друга на небольшие расстояния в направлении действующих на них сил. Это явление называется поляризацией.

Электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля.

Свойства диэлектриков, в которых поляризация возникает лишь пол влиянием электрического поля и исчезает после его снятия, не зависит от напряженности приложенного поля. Поэтому такие диэлектрики и называются линейными (пассивными).

Поляризация в диэлектриках может возникать не только под влиянием электрического поля, но и под воздействием различных внешних факторов (механических усилий, света, температуры и др.), а в некоторых диэлектриках-сегнетоэлектриках возникает в определенном интервале температур самопроизвольно. Свойствами таких диэлектриков можно управлять с помощью внешнихвоздействий: напряженностью электрического поля Е (в сегнетоэлектриках), механическим усилием (в пьезоэлектриках) и т.д., причем зависимость эта не линейна. Так, у сегнетоэлектриков диэлектрическая проницаемость

ε = f (Е) , у материалов для варисторов электрическая проводимость γ = f (E). Эти аномальные по своему поведению в электромагнитном поле материалы называют нелинейными (активными).

Таким образом, приложение к диэлектрику внешнего электрического поля напряженностью Е может привести:

— к смещению внутри диэлектрика электрических зарядов (положительные смещаются к “-“, а отрицательные – к”+”), в результате чего образуются диполи;

— к ориентации уже имеющихся в материале постоянных диполей.

Два электрических заряда противоположного знака (±q), находящиеся на расстоянии l друг от друга образуют диполь с моментом m (рисунок 1.1)

 

 

 

Рисунок 1.1 – Диполь в электрическом поле

 

При этом дипольный момент каждого элементарного объема диэлектрика будет пропорционален напряженности электрического поля Е

 

где α- поляризуемость, характеризующая способность частицы диэлектрика (атома, иона, молекулы или другой структурной единицы) к поляризации.

 

1.2.2 Вектор поляризации, поляризованность

Основными количественными характеристиками степени поляризации диэлектриков являются поляризованность (или вектор поляризации) Ри диэлектрическая проницаемость ε. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты диэлектрика или равны нулю (неполярные молекулы) или распределены хаотических образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю.

Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется, т.е. результирующий дипольный момент любого его объема становится отличным от нуля. Тогда вектор поляризации можно определить по формуле

 

,

 

где – χ = к_э·ε₀ – абсолютная диэлектрическая восприимчивость; к_э— диэлектрическая восприимчивость, а ε₀= 8,85·10^-12 Ф/м- электрическая постоянная.

Таким образом,

 

 

 

Пропорциональность между Р и Е в слабых полях наблюдается у линейных диэлектриков. Вектор поляризации может быть представлен в виде

 

,

 

где N- число элементарных дипольных моментов. Скалярная величина Р называется поляризованностью.

 

1.2.3 Диэлектрическая проницаемость

На рисунке 1.2 схематически изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рисунок 1.2 а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рисунок 1.2 б)- диэлектрик.

 

Рисунок 1.2

 

Если электрическое напряжение на электродах U= U₀· exp (jωt) с угловой частотой ω = 2πf, то напряженность электрического поля Е = U/h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q₀ (на рисунке 1.2 а — квадраты) и определяется из выражения

 

,

 

где С₀— емкость конденсатора с вакуумом.

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате, как уже сказано выше , образуются электрические диполи с моментом m= q·l, где q- суммарный положительный (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l- расстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q_д и общий заряд конденсатора возрастает.

При этом полный заряд конденсатора с диэлектриком

 

,

 

где ε_r— относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами

 

.

 

Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами

 

.

 

Из этих формул следует, что

 

,

 

где ε_r и есть относительная диэлектрическая проницаемость.

Емкость плоского конденсатора

 

,

 

где ε₀= 8,85·10^-12 Ф/м- электрическая постоянная, а произведение ε₀·ε_r= ε- абсолютная диэлектрическая проницаемость.

 

1.2.4 Электропроводность диэлектриков

Свойство вещества проводить под действием неизменяющегося во времени электрического поля неизменяющийся во времени электрический ток называется электропроводностью.

Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3…7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации, сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном воздействии на диэлектрик ионизируются основные частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом температуры с большей скоростью, так как число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и примесей. Энергия активации основных частиц больше, эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью поверхности материала адсорбировать загрязняющие компоненты, в частности, влагу, содержащуюся в окружающей атмосфере. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их называют гидрофильными, в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление.

Таким образом, в диэлектрике, находящемся в постоянном электрическом поле, протекает электрический ток, состоящий из тока поляризации или смещения, и тока сквозной электропроводности или тока утечки.

Токи поляризации обусловлены смещением связанных зарядов при установлении поляризации. При постоянном напряжении они возникают лишь в момент включения и выключения напряжения и затем затухает. Токи смещения при электронной и ионной поляризации весьма кратковременны (10^-13-10^-15с) и называются мгновенными токами смещения. У большинства диэлектриков время существования поляризационных токов составляет доли секунды, но у некоторых может достигать несколько дестков секунд, что происходит при замедленных видах поляризации. Токи, возникающие при установлении замедленных видов поляризации, называются токами абсорбции (Iабс). Их надо учитывать при измерении сопротивления диэлектриков. Считается, что процесс установления всех видов поляризации заканчивается через 1 мин. После подачи постоянного напряжения. При постоянном напряжении I_абс протекает лишь в моменты включения и выключения напряжения, при переменном – в течение всего времени. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только током утечки (как при постоянном напряжении), но и активными составляющими поляризационных токов.

Ток утечки может быть измерен через 1 мин. После включения напряжения, когда процесс поляризации закончится и токи смещения исчезнут. Именно ток утечки, или сквозной ток I_ск, и определяет электропроводность диэлектрика (рисунок 1.3).

Количественной мерой электропроводности служит удельная проводимость γ, являющаяся коэффициентом пропорциональности между плотностью тока j и напряженностью E (закон Ома)

 

 

Плотность тока численно равна заряду, проходящему через единицу сечения в единицу времени

,

 

где n₀— концентрация свободных носителей заряда, q — величина заряда, V — скорость дрейфа, т.е. направленного движения заряда в поле Е.

В случае ионной электропроводности

 

,

 

где N₀— полная концентрация ионов в веществе; w- энергия активации, определяющая вероятность перехода иона ьв свободное состояние при температуреТ; к= 1,38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Из этого следует, что

 

,

 

где b — подвижность носителей заряда, т.е. средняя дрейфовая скорость при единичной напряженности поля. В системе СИ подвижность b имеет размерность м²/В·с.

При обычных условиях главным видом носителей зарядов в диэлектриках являются ионы, что объясняется их более низкой энергией активации в сравнении с другими носителями заряда. Так, например, сравним велечины энергий активации (ω) заряженных частиц каменной соли (NaCl) – ионов Na⁺, Сl^— и электронов: ω_Na = 0,85 эВ; ω_Сl = 3 эВ; ω_эл= 6 эВ.

 

 

Рисунок 1.3 – Изменение тока текущего через диэлектрик, во времени после включения его под постоянное напряжение

 

Носителями тока в каменной соли служат ионы натрия, так как для их перевода в свободное состояние затрачивается наименьшая энергия (для перевода электронов в свободное состояние требуется энергия в 7 раз больше). Помимо собственных ионов, электропроводность диэлектрика обуславливают и слабо связанные ионы примесей. В неполярных диэлектриках с ковалентной связью при низких температурах это единственные носители тока. Судить о виде носителей (собственные или примесные ионы) можно на основании рис. 1.3. Снижение I_cк (кривая 1) свидетельствует о том, что электропроводность диэлектрика была обусловлена ионами примесей, количество которых из-за электрической очистки уменьшилось. Рост I_ск (кривая 2) указывает, что носителями тока являются собственные ионы самого диэлектрика, количество которых возрастает из-за необратимого процесса старения. Таким образом, ионная (или электролитическая) проводимость есть результат образования ионов либо за счет диссоциации молекул самого диэлектрика, либо за счет диссоциации молекул примесей под действием теплового движения, электрического поля и др. Этот вид проводимости наиболее часто проявляется в диэлектриках. В этом случае прохождение тока через диэлектрик сопровождается явлением электролиза.

В диэлектриках возможны также электронная и молионная виды проводимости. При электронной основными носителями являются свободные электроны. Этот вид проводимости наблюдается в газообразных диэлектриках, в твердых диэлектриках при высоких температурах и значительных напряженностях поля, а также в тонких слоях.

Молионная или электрофоретическая проводимость появляется в диэлектриках, в которых носителями зарядов служат заряженные группы молекул – молионы. Такой вид проводимости часто имеет место в жидких диэлектриках. При этом наблюдается явление электрофореза – переноса массы вещества к электроду.

 

1.2.5 Поляризация диэлектриков

Состояние электрической поляризации в диэлектриках возникает за счет различных процессов или механизмов, определяемых структурой вещества.

Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и неупругую (медленную, релаксационную) поляризации. Упругая поляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток, при этом процесс поляризации обратим и протекает без рассеивания энергии, т.е. без нагрева диэлектрика. К таким быстрым поляризациям относятся электронная, завершающаяся за время 10^-16…10^-13с, и ионная упругая, завершающаяся за время 10^-14…10^-13с, поляризации.

1.2.5.1 Упругие поляризации

Электронная поляризация. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов или ионов, в результате чего центры тяжести зарядов электронного облака и ядра атома (иона) не совпадают в пространстве (рисунок 1.4) и возникает дипольный момент. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10^-13 м) в пределах своих атомов и молекул. Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков, в любом агрегатном состоянии, в переменном поле она происходит во всем диапазоне частот вплоть до 10¹⁵ Гц, а при более высоких частотах исчезает.

 

 

Рисунок 1.4 Рисунок 1.5 Рисунок 1.6

 

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярны. Неполярными диэлектриками являются газы (гелий, водород, азот, метан), жидкости (бензол, четыреххлористый углерод) и твердые материалы (алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин ).

Диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом температуры из-за теплового расширения диэлектрика и уменьшения числа частиц в единице объема (рисунок 1.7, кривая 1). Кривая зависимости диэлектрической проницаемости от температуры подобна кривой изменения плотности.

Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало отличается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не изменяется с ростом частоты приложенного напряжения до 10¹² … 10¹³ Гц.

Изменение ε при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости

 

.

 

Ионная упругая поляризация. Ионная поляризация происходит в кристаллических диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных кристаллах, слюде, керамике и др. В электрическом поле в таких диэлектриках происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе – электронная поляризация. Смещаются друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов, т.е. происходит упругая ионная поляризация (рисунок 1.5). Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и диэлектрическую проницаемость.

Ионная поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 10¹² – 10¹³ Гц, так как время установления поляризации ничтожно мало по сравнению с периодом изменения этого поля. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи между ионами, и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле (рисунок 1.7, кривая 2).

 

Рисунок 1.7

 

1.2.5.2 Неупругие поляризации (релаксационные)

Дипольно-релаксационная поляризация. Дипольная поляризация наблюдается в полярных газообразных и жидких диэлектриках. Полярные диэлектрики построены из полярных молекул, в которых центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH₃, пары воды и спиртов. Полярными жидкостями являются вода, хлорбензол C₆H₅Cl, нитробензол C₆H₅NO₂. В электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки атомов – происходит электронная поляризация, также происходит и дипольная поляризация (дипольные моменты молекул ориентируются по полю). В твердых полярных диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков – звеньев, сегментов молекул или ориентация отдельных полярных групп молекул (рисунок 1.6).

Дипольно-релаксационная поляризация сводится к повороту (ориентации) в направлении электрического поля частиц полярного диэлектрика, имеющих постоянный дипольный момент. Такими частицами являются полярные молекулы (в полярных газах и жидкостях) и полярные радикалы (группы атомов и ионов в твёрдых полярных диэлектриках). Схематически этот процесс поляризации изображён на рисунке 1.8, на примере полярной молекулы.

 

 

Рисунок 8

 

В электрическом поле на заряды диполя будут действовать силы, равные по величине, но противоположно направленные (рисунок 1.8, а). Разложим каждую силу на 2 составляющие: вдоль и перпендикулярно оси диполя. Силы, действующие в направлении оси диполя, компенсируют друг друга, а силы, действующие перпендикулярно оси, вызывают вращающий момент М, который разворачивает полярную молекулу в электрическом поле

 

 

Так как мы рассматриваем изолированную полярную молекулу, то никаких препятствий для разворота её вдоль поля нет, и направление электрического момента её совпадает с направлением поля (рисунок 1.8, б). В реальном же диэлектрике полярные молекулы связаны друг с другом внутренними силами и в то же время находятся в непрерывном хаотическом движении, которое препятствует ориентации их вдоль поля. Поэтому полярные молекулы разворачиваются в диэлектрике на углы 0 < Θ < π. Поворот полярных частиц в направлении поля происходит замедленно 10^-12-10^-2, связан с затратами энергии и сопровождается её рассеиванием.

Если на полярный диэлектрик поле не воздействует, то в любой момент времени проекция электрического момента всех молекул на любое направление равна нулю. При воздействии электрического поля проекция электрического момента всех молекул на направление поля становится отличной от нуля, и диэлектрик приобретает поляризованность. После снятия электрического поля ориентация частиц постепенно ослабевает, система из неравновесного состояния, вызванного воздействием поля, переходит к более равновесному состоянию (рисунок 1.9). При этом поляризованность во времени изменяется в соответствии с формулой

 

,

где Р₀ — начальная поляризованность ориентированных частиц; τ- время, прошедшее после снятия поля; τ₀— постоянная времени (время релаксации).

 

 

Рисунок 1.9 – Изменение поляризованности во времени

 

Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого поляризованность (упорядоченность) ориентированных полем диполей, после снятия поля, из-за теплового хаотического движения уменьшается в 2,7 раза от первоначального значения. При этом 37% диполей ещё сохраняет поляризованность. Время релаксации поляризации экспоненциально убывает с температурой

 

,

 

где τ₀*- время релаксации при абсолютной температуре Т→∞.

При повышении температуры поляризованность частиц при дипольно-релаксационной поляризации, а следовательно, и диэлектрическая проницаемость, обусловленная ею, вследствие ослабления молекулярных сил (вязкость диэлектрика экспоненциально уменьшается), вначале растёт, достигает максимума, а затем, при достаточно высоких температурах, падает в связи с возрастающим дезориентирующим влиянием теплового движения (рисунок 1.10).

При воздействии на полярный диэлектрик переменного поля до тех пор, пока полярные частицы успевают следовать за изменением поля, частота не влияет на величину диэлектрической проницаемости. Начиная с некоторой критической частоты f_р (частоты релаксации), полярные частицы, являющиеся инерционными, не успевают следовать за изменением поля, дипольно-релаксационная поляризация прекращается, и диэлектрическая проницаемость резко падает до величины, обусловленной электронной поляризацией (рисунок 1.11). Частота релаксации зависит от природы и структуры диэлектрика. При повышении температуры частота релаксации растёт из-за уменьшения молекулярных сил и вязкости.

 

 

Рисунок 1.10 Рисунок 1.11

 

Ионно-релаксационная поляризация. Этот вид поляризации наблюдается в ионных диэлектриках неорганического происхождения с неплотной упаковкой ,например, в неорганических стёклах с рыхлой структурой и низким показателем преломления, и состоит в дополнительных (наряду с хаотическим тепловым движением) перебросах слабо связанных ионов под воздействием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие постоянную решётки. Эти перебросы ионов, совершаемые из одного равновесного состояния в другое, необратимы и сопровождаются заметным рассеиванием энергии.

Время установления ионно-релаксационной поляризации велико, колеблется в широких пределах у разных диэлектриков – от 10^-6 с до 1 минуты.

В таких диэлектриках возможно несколько релаксаторов-ионов с различной массой, имеющих из-за этого разные периоды релаксации. Поэтому с ростом частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость, обусловленная ионно-релаксационной поляризацией, постепенно уменьшается. При повышении температуры диэлектрическая проницаемость растёт из-за увеличения числа ионов, участвующих в этом виде поляризации.

Электронно-релаксационная поляризация. Этот вид поляризации возникает в некоторых диэлектриках с плотной структурой и высоким показателем преломления (например, в двуокиси титана, загрязнённой примесями). Возникает она из-за наличия в них слабо связанных электронов. В отсутствие электрического поля под влиянием теплового движения эти электроны совершают равновероятные перемещения вблизи дефекта, с которым они связаны, и не создают электрического момента. При наложении же электрического поля большинство таких электронов перемещается против поля на расстояние порядка одного или нескольких междуатомных расстояний. Это приводит к возникновению электрического момента в объёме диэлектрика и его поляризации. Так как эта поляризация устанавливается в течение некоторого времени, она называется электронно-релаксационной.

Спонтанная поляризация. Сегнетоэлектрики. Эта поляризация, возникающая самопроизвольно в определённом интервале температур, лежащих ниже температуры Θ_к , называемой точкой Кюри. Выше точки Кюри наблюдается лишь электронная, ионная и ионно-релаксационная поляризация. Характерные для сегнетоэлектриков свойства впервые были обнаружены у сегнетовой соли, поэтому сегнетоэлектриками стали называть вещества, свойства которых подобны свойствам сегнетовой соли.

В сегнетоэлектриках даже в отсутствии электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение частиц – ионов в ионных кристаллах или полярных радикалов молекул, которое приводит к несовпадению положительного и отрицательного зарядов в объеме диэлектрика, то есть поляризации. Такая поляризация называется спонтанной (самопроизвольной). В диэлектрике образуются области — домены. В каждом домене частицы, обусловливающие самопроизвольную поляризацию, смещены в одном направлении. В этом же направлении ориентирован и вектор спонтанной поляризованности (P_s) домена. В соседних доменах направление P_s может быть противоположным или перпендикулярным (рисунок 1.12, а), (механизм поляризации на примере титаната бария будет рассмотрен ниже в разделе 2 свойства активных диэлектриков).

В электрическом поле в сегнетоэлектриках происходят упругие электронная поляризация и ионная поляризация, а также неупругая доменная. В процессе доменной поляризации векторы Р_s доменов ориентируются по направлению электрического поля (рисунок 1.12, б). Переориентацией направлений Р_s доменов объясняются характерные для сегнетоэлектриков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис и зависимость их диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рисунок 1.12, в,г). Поляризованность кристалла с ростом напряженности электрического поля увеличивается благодаря ориентации Р_s доменов и достигает поляризованности насыщения. С уменьшением напряженности при Е = 0 наблюдается остаточная поляризованность, так как сохраняется ориентация доменов. Уменьшить поляризованность до нуля можно приложив к образцу электрическое поле напряженностью Е_с, которое называется коэрцитивной силой.

Для сегнетоэлектриков характерны: большая диэлектрическая проницаемость (до нескольких тысяч) и ее сильная зависимость от температуры (рисунок 1.12, д). Увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации доменов. Поляризованность диэлектрика, вызванная доменной поляризацией, увеличивается, а диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения при температуре точки Кюри. Спонтанная поляризованность при температуре Кюри исчезает, сегнетоэлектрик теряет свои сегнетоэлектрические свойства и переходит в параэлектрическое состояние, при котором сохраняется нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

 

 

Рисунок 1.12

 

Миграционная поляризация. При миграционной поляризации происходит смещение свободных зарядов (положительных и отрицательных ионов и электронов) и их закрепление на дефектах и поверхностях раздела различных диэлектриков в диэлектрическом материале. Величина миграционной поляризации Р_м

 

,

 

где N – количество положительных зарядов q, сместившихся на расстояние l относительно отрицательных зарядов в единице объема диэлектрика.

Миграционная поляризация чаще всего наблюдается в неоднородных диэлектриках, состоящих из частиц с различными диэлектрическими проницаемостями и проводимостями. В таких неоднородных диэлектриках свободные заряды могут собираться на поверхности раздела различных диэлектриков, приводя к частному виду миграционной поляризации, называемой межслойной.

Миграционная поляризация может возникать и в однородных диэлектриках, в которых свободные электрические заряды могут захватываться чужеродными ионами примесей, дислокациями и трещинами в различных частях объема диэлектрика.

Миграционная поляризация связана с появлением объемных зарядов в приэлектродных слоях или в самом диэлектрике при воздействии постоянного поля и с электропроводимостью диэлектрика. На образование этой поляризации затрачивается значительное время, измеряемое иногда десятками минут. Такая поляризация, как и другие замедленные виды поляризации, сопровождается потерями в диэлектрике.

 

1.2.6 Диэлектрические потери

При помещении любого вещества в электрическое поле с напряженностью Е в этом веществе наблюдается поглощение части энергии электрического поля. Поглощенная часть энергии превращается в тепловую, которая и является диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери обычно пропорциональны Е².

Диэлектрическими потерями называется мощность, поглощаемая диэлектриком при воздействии на него электрического поля и вызывающая нагревание диэлектрика.

Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными поляризациями. Диэлектрические потери могут привести к увеличению удельной электропроводности вследствие миграции примесных и собственных ионов,а в полях высокой напряженности – к пробою. Возможны также потери, связанные с ионизацией газовых включений, которые могут вызвать ионизационный пробой.

Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь δ, тангегс угла диэлектрических потерь tg δ

и мощность потерь или активную мощность Р_а.

Диэлектрические потери наблюдаются как в постоянном, так и в переменном поле.

В постоянном поле диэлектрические потери невелики. Они оцениваются сопротивлением изоляции ,то есть током сквозной проводимости I_ск, возникающим вследствие миграции свободных носителей заряда, и определяются выражением

 

,

 

где U – напряжение, а I_ск — ток сквозной проводимости.

В общем случае, при включении на постоянное напряжение возникает ток, спадающий во времени

 

 

Ток смещения (емкостной ток) I_с вызван смещением электронных оболочек в атомах, ионах и молекулах, т.е. процессом установления быстрых, упругих поляризаций, и спадает в течение 10^-15-10^-16с, поэтому не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции I_абс обусловлен смещением связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызывает рассеяние энергии в диэлектрике и диэлектрические потери (рисунок 1.13, а).

 

 

Рисунок 1.13

Сквозной ток утечки I_ск, вызванный перемещением свободных зарядов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем (если не происходит электроочистка диэлектрика или его старение, деградация) и вызывает потери аналогичные джоулевым потерям в проводниках. Следовательно, при постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т.е. в период включения.

Диэлектрические потери в переменном поле значительно выше, чем в постоянном поле.

Рассмотрим потери в переменном поле с частотой f = 2π·ω, напряжение которого изменяется синусоидально U(t) = U_max·Sinωt.

Общий ток, протекающий через диэлектрик, является суммой токов различной природы

Виды пробоя твердых диэлектриков

Электрический (электронный) пробой

Пробой протекает в результате ударной ионизации молекул или ионов диэлектрика электронами, движущимися с высокой скоростью под действием электрического поля. В результате ударной ионизации в диэлектрике между электродами создается сплошной плазменный канал (стример) с высокой электропроводностью, состоящий из электронов и положительных ионов. Электрический пробой возникает при следующем условии:

W_э= e λ E ≥ W_и, (2.3)

где W_э – энергия электрона; e – заряд электрона; λ – средняя длина свободного пробега электрона – расстояние, которое проходит электрон от одного соударения с нейтральными ионом или молекулой диэлектрика до другого соударения; W_и – энергия ионизации молекул или ионов диэлектрика.

Для твердых диэлектриков при электрическом пробое Е_пр ≈ 10³ МВ /м и более, время выдержки диэлектрика под напряжением τ_выд < 10^-2 c.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

Электротепловой (тепловой) пробой

Пробой имеет место, если количество тепла, выделяющегося в диэлектрике в результате диэлектрических потерь (q_выд), превышает количество тепла обводимого от элемента диэлектрика в окружающую среду (q_{отв )}:

q_выд > q_отв.. (2.4)

В результате диэлектрик нагревается до температур, при которых происходит его проплавление, обугливание или растрескивание.

При постоянном напряжении:

q_выд = Е²/ρ_v, вт/м³, (2.5)

где Е – напряженность электрического поля, Е = U / h, U — напряжение, h – толщина диэлектрика, ρ_v – удельное объемное сопротивление диэлектрика.

При переменном напряжении:

q_выд = ε tgδ f Е² / 1,8∙10¹⁰, вт/м³, (2.6)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, δ – угол диэлектрических потерь, f – частота приложенного напряжения.

Количество тепла, обводимого от элемента диэлектрика:

q_отв= k S ( T – T₀ ), вт/м³, (2.7)

где k – коэффициент теплопередачи от системы диэлектрик – электроды в окружающую среду;

k ≈ η / h; (2.8)

η – коэффициент теплопроводности диэлектрика; S – площадь элемента диэлектрика; T – температура диэлектрика; T₀ – температура окружающей среды.

При тепловом пробое Е_пр рассчитывают, исходя из условия:

q_{выд =} q_отв. (2.9)

C учетом (2.5 и 2.7) для постоянного напряжения получим:

_. (2.10)

а для переменного напряжения, учитывая (2.6 и 2.7):

‭

_. (2.11)

Для твердых диэлектриков при тепловом пробое Е_пр ≈ 10 ÷ 10² МВ /м, время выдержки под напряжением τ_выд ≈ 10^-2 ÷ 10⁶ c.

Электрохимический пробой (электрическое старение)

Пробой включает два этапа: предпробойный период и собственно пробой. В первый период происходит медленное изменение химического состава и структуры диэлектрика под действием электрического поля, сопровождающееся уменьшением его электрического сопротивления. При уменьшении сопротивления до критического уровня происходит тепловой или электрический пробой диэлектрика. Для твердых диэлектриков при электрохимическом пробое Е_пр ≈ 10 МВ/м и менее, время выдержки под напряжением τ_выд > 10⁶ c.

Время жизни диэлектрика – период времени то начала эксплуатации диэлектрика до его пробоя в результате электрохимического старения. Время жизни диэлектрика уменьшается при увеличении напряженности электрического поля и температуры.

Ионизационный пробой

Этот вид пробоя является разновидностью электрического пробоя. Возникает в результате ионизации и пробоя газовых пор в твердом диэлектрике (частичных разрядов). В результате частичных разрядов в пористом твердом диэлектрике из воздуха, содержащегося в порах, образуются сильные окислители — озон и оксиды азота, которые химически разрушают диэлектрик. Электроны и ионы, бомбардирую стенки пор, разрушают диэлектрик механически. Нагрев диэлектрика под действием частичных разрядов вызывает его термическое разрушение.

Электропроводность диэлектриков. Виды диэлектриков, их свойства и применение

Электропроводность диэлектриков является важной физической характеристикой. Информация о ней позволяет выявлять сферы применения материалов.

Термины

По проводимости электрического тока вещества подразделяют на группы:

• диэлектрики;
• полупроводники;
• проводники.

Отлично проводят ток металлы — величина их удельной электропроводимости достигает 106-108 (Ом · м)^-1.

А диэлектрические материалы не способны проводить электрический ток, поэтому они применяются в качестве изоляторов. Они не имеют свободных носителей зарядов, отличаются дипольным строением молекул.

Полупроводниками же являются твердые материалы, имеющие промежуточные значения проводимости.

Классификация

Все диэлектрические материалы подразделяют на полярные и неполярные виды. У полярных изоляторов центры положительных и отрицательных зарядов смещены от центра. Молекулы таких веществ по своим электрическим параметрам аналогичны жесткому диполю, имеющему свой дипольный момент. В качестве полярных диэлектриков можно привести воду, аммиак, хлороводород.

Неполярные диэлектрики отличаются совпадением центров положительных и отрицательных зарядов. Они сходны по электрическим характеристикам упругому диполю. Примерами таких изоляторов являются водород, кислород, тетрахлорметан.

Электропроводность

Электропроводность диэлектриков объясняется присутствием в их молекулах незначительного числа свободных электронов. При смещении зарядов внутри вещества за некоторый промежуток времени, наблюдается постепенное установление равновесного положения, что и является причиной появления тока. Электропроводность диэлектриков существует в момент выключения и включения напряжения. Технические образцы изоляторов имеют максимальное количество свободных зарядов, поэтому в них появляются незначительные сквозные токи.

Электропроводность диэлектриков в случае постоянного значения напряжения вычисляется по сквозному току. Данный процесс предполагает выделение и нейтрализацию на электродах имеющихся зарядов. В случае переменного напряжения на величину активной проводимости влияет не только сквозной ток, но и активные компоненты поляризационных токов.

Электрические свойства диэлектриков зависят от плотности тока, сопротивления материала.

Твердые диэлектрики

Электропроводность твердых диэлектриков подразделяют на объемную и поверхностную. Для проведения сравнения этих параметров у различных материалов применяют значения объемного удельного и поверхностного удельного сопротивления.

Полная проводимость суммируется из двух этих величин, ее величина зависит от влажности среды и температуры окружающего воздуха. В случае продолжительной работы под напряжением, наблюдается уменьшение сквозного тока, проходящего через жидкие и твердые изоляторы.

А в случае увеличения тока через некоторый промежуток времени, можно вести речь о том, что внутри вещества будут протекать необратимые процессы, ведущие к разрушению (пробой диэлектрика).

Особенности газообразного состояния

Газообразные диэлектрики имеют незначительную электропроводность в том случае, если напряженность поля принимает минимальные значения. Возникновение тока в газообразных веществах возможно только в тех случаях, когда в них присутствуют свободные электроны либо заряженные ионы.

Газообразные диэлектрики являются качественными изоляторами, поэтому используются в современной электронике в больших объемах. Ионизация в таких веществах обуславливается внешними факторами.

Из-за соударений ионов газа, а также при термическом воздействии, ультрафиолетовом или рентгеновском действии, наблюдается и процесс образования нейтральных молекул (рекомбинация). Благодаря этому процессу ограничивается увеличение количества ионов в газе, устанавливается определенная концентрация заряженных частиц через короткий временной промежуток после воздействия внешнего источника ионизации.

В процессе возрастания напряжения, прикладываемого к газу, увеличивается движение ионов к электродам. Они не успевают рекомбинироваться, поэтому осуществляется их разряжение на электродах. При последующем повышении напряжения ток не возрастает, его именуют током насыщения.

Рассматривая неполярные диэлектрики, отметим, что воздух является совершенным изолятором.

Жидкие диэлектрики

Электропроводность жидких диэлектриков объясняется особенностями строения молекул жидкости. В неполярных растворителях существуют диссоциированные примеси, включая и влагу. В полярных молекулах проводимость электрического тока объясняется также процессом распада на ионы самой жидкости.

В этом агрегатном состоянии ток также вызывается движением коллоидных частиц. Из-за нереальности полного выведения из такого диэлектрика примесей, возникают проблемы получения жидкостей с незначительной проводимостью тока.

Все виды изоляции предполагают поиск вариантов снижения удельной проводимости диэлектриков. Например, удаляют примеси, корректируют температурный показатель. Повышение температуры вызывает снижение вязкости, возрастание подвижности ионов, рост степени тепловой диссоциации. Данные факторы воздействуют на величину удельной проводимости диэлектрических материалов.

Электропроводность твердых тел

Она объясняется перемещением не только ионов самого изолятора, но и заряженных частиц примесей, содержащихся внутри твердого материала. По мере прохождения через твердый изолятор происходит частичное удаление примесей, что постепенно сказывается на проводимости тока. Учитывая особенности строения кристаллической решетки, перемещение заряженных частиц обусловлено флуктуацией теплового движения.

При невысоких температурах происходит движение положительных и отрицательных ионов примесей. Такие виды изоляции характерны для веществ с молекулярной и атомной кристаллической структурой.

Для анизотропных кристаллов величина удельной проводимости меняется в зависимости от его осей. К примеру, в кварце в направлении, расположенном параллельно основной оси, она превышает в 1000 раз перпендикулярное положение.

В твердых пористых диэлектриках, где практически нет влаги, незначительное повышение электрического сопротивления приводит к повышению их электрического сопротивления. У веществ, которые содержат примеси, растворимые в воде, наблюдается существенное уменьшение объемного сопротивления из-за изменения влажности.

Поляризация диэлектриков

Данное явление связано с изменением положения частиц изолятора в пространстве, которое приводит к приобретению каждым макроскопическим объемом диэлектрика некоторого электрического (индуцированного) момента.

Существует поляризация, которая возникаем под воздействием внешнего поля. Также выделяют самопроизвольный вариант поляризации, появляющейся даже при отсутствии действия внешнего поля.

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризуется:

• емкостью конденсатора с этим диэлектриком;
• ее величиной в вакууме.

Сопровождается этот процесс возникновением на поверхности диэлектрика связанных зарядов, которые уменьшают внутри вещества величину напряженности.

В случае полного отсутствия внешнего поля отдельный элемент объема диэлектрика не обладает электрическим моментом, поскольку сумма всех зарядов равна нулю и наблюдается совпадение отрицательных и положительных зарядов в пространстве.

Варианты поляризации

При электронной поляризации происходит смещение под воздействием внешнего поля электронных оболочек атома. В ионном варианте наблюдается смещение узлов решетки. Для дипольной поляризации характерны потери на преодоление внутреннего трения и сил связи. Структурный же вариант поляризации считается самым медленным процессом, он характеризуется ориентацией неоднородных макроскопических примесей.

Заключение

Электроизоляционные материалы представляют собой вещества, которые позволяют получать надежную изоляцию некоторых составных частей электрического оборудования, находящегося под определенными электрическими потенциалами. В сравнении с проводниками тока, у многочисленных изоляторов значительно большее электрическое сопротивление. Они способны создавать сильные электрические поля и накапливать дополнительную энергию. Именно это свойство изоляторов применяют в современных конденсаторах.

В зависимости от химического состава, их подразделяют на природные и синтетические материалы. Самой многочисленной является вторая группа, поэтому именно эти изоляторы применяют в разнообразных электрических приборах.

В зависимости от технологических характеристик, структуры, состава, выделяют пленочные, керамические, восковые, минеральные изоляторы.

При достижении величины пробивного напряжения, наблюдается пробой, приводящий к резкому возрастанию величины электрического тока. Среди характерных признаков подобного явления можно выделить незначительную зависимость прочности от напряжения и температуры, толщины.