Электротехническое материаловедение. Диэлектрики

11

В связи с этим любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости.

Рис. 7. Диэлектрик в электрическом поле

Заряд конденсатора, как известно, равен:

Q C U ,

(3)

где С – емкость конденсатора, U – приложенное напряжение. Заряд Q при заданном значении приложенного напряжения

обусловлен зарядом Qо, который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и зарядом Qд, возникшем вследствие поляризации диэлектрика, фактически разделяющем электроды:

Q Qo Qд

(4)

Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость – r . Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду Qо, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

	r	Q		Qo Qд	1	Qд	(5)
		Qo		Qo		Qo

12

Из выражения (5) следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого диэлектрика больше единицы и равна единице только для вакуума.

С учетом формулы (3) соотношение (5) может быть представлено в виде

Q Qo r C U CoU r

(6)

где Со – емкость вакуумного конденсатора (геометрическая емкость).

	Следовательно, из выражения (6)
	r	C		(7)
		Co
	Величина относительной диэлектрической			проницаемости

(далее ) показывает во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора такой же геометрической конфигурации, у которого между обкладками находится вакуум. Следовательно, величина диэлектрика определяет величину емкости электро- и радиотехнических конструкций:

С о ,

(8)

где о – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85¶10–12 Ф/м; – геометрический фактор.

Вернуться к содержанию

2.2. Основные виды поляризации

Различают два механизма поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла, за время 10–15–10–13 с; поляризация, совершаемая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называется релаксационной (время от 10–8 до 102 с).

В схемах замещения диэлектрики обозначают конденсатором определенной емкости С, если в них не происходит рассеяния энергии (рис.8, а). Если происходит рассеяние энергии, то в

13

схему замещения добавляется активное сопротивление r, эквивалентное нагреву диэлектрика (рис.8, б).

а) б)

Рис. 8. Схемы замещения диэлектрика: а) без потерь; б) с потерями

К мгновенным относятся электронная и ионная поляризации. Электронная поляризация (Cэ , Qэ) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием внешнего электрического поля (рис. 9).

Рис. 9. Электронная поляризация диэлектрика. Положение орбит электронов при отсутствии (а) и при наличии (б) электрического поля

При отсутствии электрического поля центр положительного заряда ядра и центр отрицательного заряда совпадают. Атом нейтрален. Под действием внешнего электрического поля орбиты, по которым движутся отрицательные электроны, смещаются к положительному электроду. Центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Нейтральный атом превращается в диполь (так называемый упругий диполь). Наблюдается такая поляризация во всех видах диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n2.

Ионная поляризация (Cи , Qи) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки (рис. 10). С повышением температуры смещение усиливается в

14

результате ослабления упругих сил между ионами. Это происходит из-за увеличения расстояния между ионами вследствие теплового расширения.

Время установления ионной поляризации больше, чем электронной, но оно также очень мало и имеет порядок 10–13 с.

Рис. 10. Механизм ионной поляризации

Все остальные виды поляризации являются релаксационны-

ми.

Дипольно-релаксационная поляризация (Cдр , rдр , Qдр) отличается от электронной и ионной тем, что она связана с потерями энергии при поляризации, т.е. с нагреванием диэлектрика. Этот вид поляризации наблюдается в полярных диэлектриках. В таких веществах молекулы или радикалы являются диполями даже при отсутствии электрического поля (рис. 11).

Рис. 11. Механизм дипольно-релаксационной поляризации (ориентация диполей в направлении электрического поля:

а) поле отсутствует; б) при наличии поля)

При отсутствии электрического поля они находятся в хаотическом тепловом движении, дипольные моменты их направлены

15

в разные стороны и результирующий электрический момент всех этих диполей равен нулю. Под действием сил электрического поля диполи поворачиваются, ориентируясь вдоль линий электрического поля, т.е. положительным полюсом к отрицательному электроду.

Кроме ориентации диполи еще растягиваются электрическим полем, и величина дипольного момента при этом возрастает. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, рассеивается энергии в виде тепла (rдр). Время релаксации здесь порядка 10–8–10–6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация (Cир, rир, Qир) наблюдается в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов (например, неорганических стеклах). Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений ограниченно смещаются в направлении электрического поля. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры за счет ослабления сил межионного взаимодействия. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации происходит в течение 10–6–10–4 секунд с рассеянием энергии.

Электронно-релаксационная поляризация (Cэр, rэр, Qэр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или ®дырок¨ за время 10–8–10–6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, ряд соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута.

Миграционная поляризация (Cм, rм, Qм) протекает в твердых диэлектриках неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях или наличии примесей за время порядка 102 с. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляриза-

16

ции являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д.

При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, образуя большие поляризованные области (рис. 12). В слоистых материалах на границах раздела слоев и в приэлектродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации.

Рис. 12. Механизм миграционной поляризации

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация (Cсп, rсп, Qсп),

– это вид поляризации возникает в диэлектриках, имеющих доменную структуру. Доменами называют отдельные области, обладающие электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации (рис. 13).

В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и

17

дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастание интенсивности поляризации.

Рис. 13. Механизм спонтанной поляризации

Резонансная поляризация (Cрез, rрез, Qрез) проявляется в диэлектриках под воздействием высокочастотного электрического поля (f = 106 Гц), когда частота собственных колебаний электронов или ионов совпадает с частотой внешнего поля. Резонансные явления увеличивают амплитуду колебаний (вектор смещения) связанных заряженных частиц в материале.

Технические диэлектрики обладают, как правило, не одним, а одновременно несколькими видами поляризации. Следовательно, емкость конденсатора с диэлектриком обусловливается суммой различных видов поляризации.

Рис. 14. Эквивалентная схема замещения диэлектрика с различными механизмами поляризации

18

На рис. 14 приведена эквивалентная схема замещения диэлектрика, в котором присутствуют все виды поляризации.

Все емкости эквивалентной схемы шунтированы резистором Rиз, представляющим собой сопротивление изоляции сквозному току через диэлектрик.

Вернуться к содержанию

2.3. Классификация диэлектриков по видам поляризации

Все диэлектрики по видам поляризации подразделяются на несколько групп.

Первая группа – диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол, полиэтилен и др.), а также неполярные и слабополярные жидкости (бензол и др.) и газы (азот, водород и др.).

Вторая группа – диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризацией – это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества: маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и др.

Третья группа – твердые диэлектрики ионной структуры с плотной упаковкой ионов, для которых характерны электронная

иионная поляризации: кварц, слюда, корунд, рутил, каменная соль и др.

Четвертая группа – твердые диэлектрики ионной структуры с неплотной упаковкой ионов с электронной и ионно-релаксаци- онной поляризацией: неорганические стекла, фарфор, микалекс

идр.

Пятая группа – сегнетоэлектрики, для которых характерны спонтанная, электронная, ионная, электронно-релаксационная и ионно-релаксационная поляризация: сегнетова соль, титанат бария и др.

Шестая группа – неоднородные диэлектрики, способные, в зависимости от состава, к разным видам поляризации.

Вернуться к содержанию

2.4. Диэлектрическая проницаемость диэлектриков

Так как газы имеют молекулярную структуру, то в них возможна электронная или дипольная поляризации, если молекулы

19

полярны. Но и для полярных газов преимущественное значение имеет электронная поляризация. Газообразные диэлектрики характеризуются весьма малой плотностью вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому поляризация всех газов незначительна, и относительная диэлектрическая проницаемость их близка к единице. Относительная диэлектрическая проницаемость газов тем выше, чем больше радиус молекулы.

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры t и давления P определяется изменением числа молекул в единице объема газа. С увеличением давления возрастает число молекул в единице объема, следовательно, диэлектрическая проницаемость газа увеличится. При повышении температуры, напротив, из-за расширения газа число молекул в единице объема уменьшится, что приведет к снижению диэлектрической проницаемости. При повышении влажности воздуха при нормальных температуре и давлении относительная диэлектрическая проницаемость незначительно увеличивается. При повышенной температуре это увеличение становится более заметным. Зависимостьот температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости.

:

TK	1		d r	, К–1	(9)
	r
			dt

Формула дает возможность вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при повышении температуры на один градус.

Диэлектрическая проницаемость жидкостей зависит от их структуры.

Жидкие диэлектрики состоят из неполярных или полярных молекул. Значение относительной диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелико и обычно не превышает значения 2,5. Например, для трансформаторного масла εr = 2,1– 2,4. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры для неполярной жидкости связана с уменьшением числа молекул в единице объема. От частоты приложенного напряжения для неполярной жидкости εr не зависит (рис. 15).

20

Рис. 15. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости неполярных жидких диэлектриков от температуры (а) и частоты электрического поля (б)

Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, которые используются в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5, что заметно выше, чем у неполярных жидкостей. Это объясняется тем, что в них происходит одновременно электронная и дипольно-релаксационная поляризации.

Сильнополярные жидкости, характеризуются высоким значением εr, например, для дистиллированной воды εr=80.

Зависимости диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков от температуры и частоты внешнего электрического поля приведены на рис.16.

а) б)

Рис. 16. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости полярных жидких диэлектриков от температуры (а) и частоты электрического поля (б)