8. Диэлектрики.

Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры, стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно 10¹²-10²⁰Омм. Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения, при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры. Характерной особенностью диэлектрика является способность поляризоваться в электрическом поле. Сущность поляризации заключается в смещении связанных электрических зарядов под действием поля. Смещенные заряды создают собственное внутреннее поле, которое направлено противоположно внешнему. Мерой поляризации является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрической проницаемостью называется величина, показывающая во сколько раз емкость конденсатора, между пластинами которого находится диэлектрик (С_д), больше емкости такого же конденсатора с воздухом или вакуумом (С_о), т.е. = С_д/С_о. Диэлектрическая проницаемость есть мера поляризации диэлектрика в электрическом поле. Поляризация представляет собой смещение связанных зарядов под влиянием электрического поля. Наибольшее значение имеют следующие виды поляризации: электронная поляризация, ионная, дипольно-релаксационная и самопроизвольная (спонтанная).

Электронная поляризация вызывается упругими смещениями и деформацией электронных оболочек. Электроны смещаются к положительно заряженному электроду почти мгновенно, время установления поляризации очень мало (10^-15с) и поэтому диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты. Ионная поляризация обусловлена упругими смещениями ионов на расстояния меньше межионных. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные в сторону отрицательного. Время установления ионной поляризации мало (10^-13с) итакже не зависит от частоты.

В структуре диэлектриков имеются постоянные диполи. Постоянный диполь представляет собой пару зарядов противоположных знаков, которые взаимно уравновешены и находятся на некотором расстоянии друг от друга. Величина диполя характеризуется дипольным моментом =q1 - произведением заряда (q) на расстояние между ними (1). Диэлектрики подразделяют на полярные и неполярные. В полярных диэлектриках диполи имеют достаточную величину, расположены беспорядочно и их присутствие отражается на свойствах. У неполярных диэлектриков диполи либо попарно уравновешены, либо малы по величине. В полярных диэлектриках наблюдается так называемая дипольно-релаксационная поляризация, которая состоит в частичной ориентации диполей по направлению поля. Повороты диполей требуют преодоления некоторого сопротивления межмолекулярных сил, поляризация устанавливается значительно медленнее электронной или ионной. При нагреве молекулярные силы ослабляются, что облегчает ориентацию диполей в электрическом поле. В тоже время усиливается тепловое движение частиц, мешающее этой ориентации. Под влиянием этого дипольно-релаксационная поляризация при нагреве сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается.

Самопроизвольная поляризация наблюдается только у одного класса диэлектриков—сегнетоэлектриков, имеющих доменную структуру.

Диэлектрические потери в материалах. Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика. Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока. У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током I и напряжениемUравен 90 градусов, поэтому активная мощностьP=IUcos90равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90 градусов на угол. Этот угол называется углом диэлектрических потерь. Тангенс углаи диэлектрическая постояннаяхарактеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), [Вт/м³]:P= kE²ftg, гдеk- коэффициент; Е- напряженность электрического поля;f- частота поля, Гц. Произведение диэлектрической проницаемости на тангенс угла диэлектрических потерьtgназываетсякоэффициентом диэлектрических потерь. По величинеtgдиэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg=0,10,001) и высокочастотные (tg< 0,001). К основным источникам потерь диэлектрика относится его поляризация и электропроводность, ионизация газов имеющихся в порах и неоднородностях структуры из-за примесей и включений.

У

Рис.8.1. Кривая поляризации сегнетоэлектрика и петля диэлектрического гистерезиса.

величением напряженности электрического поля можно значительно повысить поляризацию, однако существует пороговое значение напряженности, при которой происходит пробой диэлектрика, т.е. его разрушение. Отношение напряжения, при котором наступает пробой диэлектрика (U_пр), к толщине слоя диэлектрика (h) называется электрической прочностью (Е_пр): Е_пр=U_пр/h.

Различают активные и пассивные диэлектрики. Диэлектрические характеристики первых зависят от внешних энергетических воздействий таких, как электрическое поле, температура, механические воздействия и т.д. Пассивные диэлектрики не изменяют своих свойств и используются в качестве электроизоляторов. К пассивным диэлектрикам относятся большинство полимерных материалов, неорганические стекла, многие виды керамики. К активным диэлектрикам относятся такие материалы, как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, жидкие кристаллы и др.