диэлектрической проницаемости (рис.3.7).

Рис.3.7. Дисперсия диэлектрической проницаемости.

3.1.3. Электропроводность диэлектриков

Электропроводностью называется способность вещества проводить электрический ток под действием постоянного электрического поля.

В реальном диэлектрике за счет несовершенства структуры и наличия примесей имеется незначительное число свободных носителей зарядов, перемещение которых под действием электрического поля создает ток сквозной проводимости или же ток утечки (Iск).

Смещение связанных зарядов обусловливает поляризационные токи или токи смещения, называемые токами абсорбции (Iаб). Они возникают только в момент включения и выключения внешнего электрического поля. В переменном электрическом поле токи смещения имеют место при изменении фазы напряженности внешнего поля, т.е. все время, пока приложено это поле.

Количественной мерой электропроводности является удельная проводимость σ, равная заряду, протекающему в единицу времени через единичное сечение образца при единичной напряженности поля.

Согласно закону Ома, плотность тока j пропорциональна напряженности электрического поля Е. Коэффициентом пропорциональности является удельная проводимость, т.е.

j= σЕ.

(3.10)

С другой стороны j = qnv где п - концентрация носителей заряда, а v - скорость направленного движения зарядов в электрическом поле напряженности Е. Следовательно, можно записать σЕ = qnv, откуда

	σ = qn	v	= qnu	(3.11)
		E

31

Величина и называется подвижностью носителей заряда. Она равна скорости направленного движения носителя в электрическом поле единичной напряженности.

Носителями зарядов могут быть электроны (дырки), ионы и молионы - заряженные группы молекул (коллоидные частицы). В связи с этим различают электронную, ионную и молионную электропроводности.

Электронная электропроводность характерна для проводников (металлов), полупроводников и относительно реже встречается у диэлектриков.

Ионная электропроводность наблюдается у кристаллических диэлектриков за счет ионов самого вещества или ионов примесей. Однако она особенно характерна для аморфных веществ – смол, лаковых пленок, компаундов, стекол, а также для жидких диэлектриков. Прохождение ионных токов сопровождается явлением электролиза, т.е. переносом вещества с образованием вблизи электродов новых химических веществ. Это явление используется при нанесении различных покрытий.

Молионная электропроводность по своей физической сущности довольно близка к ионной и наблюдается в коллоидных системах, представляющих собой смесь двух веществ (фаз), одно из которых в виде макроскопических частиц находится во взвешенном состоянии в другом веществе. Из коллоидных систем наиболее часто в электроизоляционной технике используются эмульсии (обе фазы - жидкости) и суспензии (одна фаза - твердое вещество, другая - жидкость). При приложении внешнего поля молионы приходят в движение, и процесс сопровождается явлением электрофореза, который отличается от электролиза тем что не происходит образование новых веществ, а лишь меняется концентрация одной фазы в другой за счет осаждения молионов на электродах. Примером практического использования электрофореза является покрытие металлических предметов каучуком, смолами из их суспензий.

Молионная электропроводность наблюдается у жидких лаков и компаундов, увлажненных масел и т.д.

Практической мерой электропроводности является не удельная проводимость, а величина, ей обратная, — удельное сопротивление ρ. В технике различают удельное объемное ρV и удельное поверхностное ρS сопротивления.

В системе СИ удельное объемное сопротивление ρV численно равно сопротивлению куба вещества с ребром 1 м, если ток проходит через объем между противоположными гранями куба и имеет размерность

[Ом·м].

Удельное поверхностное сопротивление ρS численно равно сопротивлению квадрата любого размера на поверхности диэлектрика, если ток проходит между противоположными сторонами этого квадрата, и

имеет размерность [Ом], [Ом/квадрат], [Ом/□]. Последняя форма записи

32

размерности характерна для проводниковых и полупроводниковых пленок, используемых в микроэлектронике, формируемых как на полупроводниковых, так и на диэлектрических подложках.

Величина поверхностного сопротивления сильно зависит от состояния поверхности, т.е. влажности, степени загрязнения, окисления. Неполярные диэлектрики слабо адсорбируют влагу, и ρS мало зависит от влажности. Ионные диэлектрики - керамика, стекло - гигроскопичны, поэтому для них ρS во влажной среде мало. Для устранения влияния влажности и повышения ρS керамические и стеклянные детали покрывают влагостойкими кремнийорганическими лаками.

3.1.4. Потери в диэлектрике

Потерями в диэлектрике или диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике, помещенном в электрическое поле,

т.е. энергию электрического поля, затрачиваемую на нагрев диэлектрика в течение одной секунды.

Существует две причины необратимых потерь энергии электрического поля в диэлектрике:

нагрев за счет протекания тока сквозной проводимости; потери энергии за счет замедленных видов поляризации.

Наличие тока сквозной проводимости, согласно закону ДжоуляЛенца, приводит к выделению теплоты в диэлектрике, т.е. к необратимым потерям энергии внешнего поля.

Поляризационные процессы, которые принято характеризовать поляризованностью P , также приводят к необратимым потеем энергии

внешнего r поля. Поляризованность моменту μ единицы объема диэлектрика.

Если поляризационные процессы успевают следовать за изменением внешнего поля, то сдвига

фаз между напряженностью поля E

и поляриванностью P нет (рис.3.8). В этом случае в течение первой четверти периода поле ориентирует связанные заряды по направлению поля, совершая определенную работу, или затрачивая энергию

(см. рис.3.5).

P численно равна электрическому

Рис.3.8. Поляризация диэлектрика на низких частотах и при быстрых видах поляризации.

33

Направления поля

E и электрического момента μr совпадают.

Кинетическая энергия связанных зарядов растет, равносильно повышению их температуры, т.е. нагреву диэлектрика.

Во вторую четверть периода направление поля E остается прежним, а поляризованность P уменьшается, т.е. связанные ряды за счет

уменьшения E начинают возвращаться в исходное состояние, отдавая накопленную кинетическую энергию, что означает понижение их температуры, т.е. охлаждение диэлектрика.

Втечение периода нагрев компенсируется охлаждением и, таким образом, необратимых потерь энергии нет. Такой процесс характерен для быстрых видов поляризации.

Вслучае медленных видов поляризации наблюдается отставание поляризации от изменения внешнего поля (рис.3.9).

Рис.3.9. Поляризация диэлектрика на высоких частотах (при медленных видах поляризации)

За счет сдвига фаз между напряженностью E и поляризованностью

P время нагрева диэлектрика оказывается большим нежели время его охлаждения, т.е. время накопления кинетической энергии связанными зарядами больше времени ее отдачи. Следовательно, диэлектрик нагревается или в диэлектрике есть необратимые потери энергии внешнего поля. Потери энергии на ориентацию связанных зарядов равносильны тому, что в диэлектрике как бы протекает активный ток, обусловленный поляризационными процессами, отстающими от изменений поля.

Для инженерных расчетов диэлектрические потери характеризуются

34