4. Электротехнические материалы

4.13. Диэлектрические материалы

1. Общие сведения о диэлектриках

К диэлектрикам относятся материалы, которые ширину запрещенной зоны ΔW 3 эВ (рис. 1.1).

Рис 1.1. Энергетическая диаграмма диэлектриков: 1 - заполненная электронами зона; 2 – запрещённая зона шириной W; 3 – зона свободных энергетических уровней

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающем при воздействии на него электрического поля, является поляризация.

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

Заряд конденсатора в вакууме (рис.1.2.1)равен

Q_О = C_ОU,

где C_О – ёмкость конденсатора в вакууме;

U – напряжение, приложенное к диэлектрику.

Рис. 1.2.1. Конденсатор в вакууме

Если между пластинами конденсатора поместить диэлектрик (рис.1.2.2), тогда заряд конденсатора равен

Q = CU,

где C – ёмкость конденсатора;

U – напряжение, приложенное к диэлектрику.

Заряд конденсатора Q разобьём на две составляющие:

Q = Q_О + Q_Д,

где Q_O – заряд конденсатора, если бы его пластины разделял вакуум;

Q_Д – дополнительный заряд, обусловленный поляризацией.

Относительная диэлектрическая проницаемость e диэлектрика равна:

e = Q / Q_O

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора в вакууме.

-----------------------------------------------------------------------------------------

Ширина запрещенной энергетической зоны в диэлектриках составляет______эВ.

более 3,0

0,05–3,0

8,0–15,0

0–0,05

Поляризация

Виды поляризации

Все виды поляризации можно разбить на две группы:

• упругую (быструю, мгновенную), совершающаяся в диэлектрике без рассеяния энергии, то есть без выделения тепла;

• неупругую (медленную), сопровождаемую рассеянием энергии в диэлектрике, то есть нагреванием. Её ещё называют релаксационной поляризацией.

. Поляризации без потерь всего два вида: электронная и ионная.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов.

Рис.1.2.3. Электронная поляризация атома:

а) атом вне поля; б) атом в электрическом поле

Ионная поляризация возникает в кристаллических диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов, имеющих плотную упаковку. Сущность её заключается в смещении ионов электрическим полем: положительных – в сторону отрицательного электрода, отрицательных – в сторону положительного электрода (рис.1.2.6).

Рис. 1.2.6. Ионная поляризация в твёрдых диэлектриках ионной структуры с плотной упаковкой:а) диэлектрик вне поля; б) диэлектрик в электрическом поле

Релаксационной (неупругой) поляризации в диэлектриках несколько типов:

• дипольная,

• ионно-релаксационная,

• электронно-релаксационная,

• миграционная,

• спонтанная (самопроизвольная) и др.

Важным параметром процесса релаксационной поляризации является постоянная времени или временем релаксации. Она равна времени, за которое релаксационная поляризованность после снятия электрическго поля уменьшается до 1/е, то есть приблизительно до 37% первоначального уровня.

Рис.1.2.9. Изменение во времени поляризованности при релаксационном характере поляризации: a - при возникновении; б - при исчезновении

Дипольная поляризация. Некоторые молекулы из-за несимметричной структуры поляризованы без воздействия внешнего поля, то есть у них не совпадают центры положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы называются диполями, рис.1.2.10,а (изобразим их для простоты вектором, рис.1.2.10,б).

Рис. 1.2.10. Диполь (а) и его упрощенное изображение (б)

Дипольные молекулы поляризованы без воздействия электрического поля, причиной такой самопроизвольной поляризации является несимметричная структура молекул. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент):

p=q l

Без электрического поля сумма дипольных моментов всех молекул равна нулю, потому что полярные молекул расположены в пространстве неупорядоченно, хаотично вследствие теплового движения молекул диэлектрика; следовательно, отдельные дипольные моменты направлены в разные стороны (рис.1.2.11,а). Если диполь поместить во внешнее поле, то он сориентируется по полю (рис.1.2.11,б), одновременно у него увеличится расстояние ℓ между центрами зарядов. Фактически вследствие теплового движения расположение диполей в пространстве будет постоянно изменяться, но эффект упорядоченности сохраняется.

Рис.1.2.11. Дипольная поляризация:

а) полярный диэлектрик вне поля; б) полярный диэлектрик в электрическом поле

Физическая величина, показывающая, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при замене вакуума между его обкладками на диэлектрический материал, называется …

относительной диэлектрической проницаемостью

абсолютной диэлектрической проницаемостью

поляризованностью диэлектрика

вектором электрического смещения

Поляризация, заключающаяся в преимущественной ориентации полярных молекул вещества, находящихся в непрерывном тепловом хаотическом движении, в направлении внешнего электрического поля, называется …

дипольно-релаксационной

ионно-релаксационной

спонтанной

миграционной

Электропроводность