Диэлектрики

Этот класс веществ столь многообразен, что его трудно как либо классифицировать, если полупроводники и проводники – это вещества в основном кристаллические, что определяет однородность физических процессов и свойств этих материалов, то диэлектрики в технике используются самые разные, это и кристаллические, аморфные, органические, неорганические, твердые, жидкие, газообразные и т.д.

Электропроводность диэлектриков.

При подаче постоянного напряжения электропроводность диэлектриков можно представить следующим образом:

На участке 1-2 при подаче напряжения течет очень небольшой по величине так называемый остаточный ток, на участке 2-3 через диэлектрик течет ток, обусловленный процессом заряда емкости и поляризацией диэлектрика.

, где L – длина диэлектрика, S – площадь поперченного сечения, U₀ – приложенное напряжения, формула не учитывает напряжение поляризации, которое может достигать больших величин, например, для слюды U_пол ~ 0,99 U₀. Поэтому истинную электропроводность определяют .

Из зонной теории известно, что ширина запрещенной зоны диэлектриков может достигать 10 эВ, благодаря этому энергия ионизации атомов диэлектрика очень велика, и если бы не статистическое поведение электронов, оторвать электроны от атомов диэлектрика возможно было бы только при очень высоких температурах, тем не менее, даже при относительно небольших температурах существует статистическая вероятность приобретения электроном, необходимой для отрыва от атома энергии, и следовательно количество этих электронов мы можем определить по формуле , , , это же уравнение определяет температурную зависимость диэлектриков, которая в логарифмических осях примет вид наклонной прямой.

Однако, это то что называется идеальной зависимостью, в реальных диэлектрических материалах, в которых электропроводность обусловлена наличием примесей, электропроводность примет несколько иной вид, варианта 2:

Первый вариант иллюстрирует случай молекулярно структурных изменений в диэлектрике при нагреве. Второй вариант отражает наличие в диэлектрическом материале нескольких разновидностей носителей заряда с разными энергиями ионизации (характерен для диэлектрика, содержащего примеси). Для электропроводности на переменном напряжении большое значение приобретает явления, называемое поляризацией диэлектриков.

Поляризация – состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента объема этого диэлектрика. Способность различных веществ поляризоваться под действием внешнего электрического поля характеризуется величиной называемой относительной диэлектрической проницаемостью, т.е. как отношение емкостей, где С – емкость конденсатора с диэлектриком, а С₀ емкость того же конденсатора в вакууме. .

Различают электронную, ионную, дипольно-релаксационную, электронно-релаксационную, ионно-релаксационную, спонтанную, резонансную, миграционную и т.д. поляризации.

Электронная поляризация представляет собой смещение электронного облака относительно ядра атома. Эта поляризация присуща всем диэлектрикам,

однако в большинстве случаев маскируется куда более сильными проявлениями.

Ионная поляризация приводит к появлению дипольного момента в объеме диэлектрика.

Т.е. до тех пор, пока происходит упругое искажение решетки, поляризация идет чисто ионная.

Дипольно-релаксационная ионизация.

К примеру, вода: Кислород и два несимметрично расположенных атома водорода. При отсутствии электрического поля диполи воды расположены достаточно хаотично, но если наложим электрическое поле, то молекулы уже будут, сохраняя определенную некоторую степень хаотичности, выстраиваться более – менее ориентировано.

В процессе переполяризации у нас могут эти молекулы и атомы требовать довольно большое количество энергии на переориентацию, но в некоторых случаях, как например, для электронной поляризации, эта энергия должна быть в целом не очень велика. Поэтому по признаку наличия потерь, все диэлектрики могут быть разделены на линейные с малыми потерями и на нелинейные с большими потерями. Для линейных характерна зависимость.

Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты.

Для разных типов поляризации она будет иметь разные формы, однако в общем виде можно сказать, что на низких частотах диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты.

При определенной частоте у нас наблюдается резонанс (совпадение 2-х частот: частота внешнеприложенного напряжения и максимальной частоты переполяризации диэлектрика, определяемая временем релаксации).

Поляризация подразумевает переориентацию молекул.

Поляризация – Элементарный акт электрического тока, представляющий собой направленное смещение связанных заряженных частиц, именно благодаря этому явлению диэлектрик, который почти не проводит постоянный ток, нормально проводит переменную его составляющую.

Лекция 17.04.08

Находясь в сильных электрических полях диэлектрик может потерять свои свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Данное явление, сопровождающееся образованием проводящего канала в диэлектрике, называется пробоем.

Минимальное напряжение, приложенное к диэлектрику, приводящее к пробою называется напряжением пробоя. Пробой может возникнуть в результате чисто электрических, тепловых и электрохимических процессах.