4 Диэлектрические материалы

4.1 Общие сведения о диэлектриках

Диэлектрики – это самая многочисленная группа материалов. Они бывают природными и синтетическими, органическими и неорганическими, газообразными, жидкими, твердыми, аморфными, кристаллическими.

Разнообразно и применение диэлектриков в современной технике. Известно, что диэлектрические материалы применяются в качестве изоляции от воздействия электрического тока. Но в современной РЭА и в вычислительной технике они все чаще применяются как активные элементы, как ЗУ, как преобразователи механических воздействий в электрический сигнал и наоборот, в качестве термочувствительных датчиков и так далее.

Но при всем многообразии диэлектрических материалов все диэлектрики обладают характерными особенностями. Важными из них является способность поляризоваться в электрическом поле.

4.2 Поляризация диэлектриков

Поляризация – это процесс смещения и упорядочения связанных электрических зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля.

Способность материала поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью. Диэлектрик, включенный в электрическую цепь можно рассматривать как конденсатор определенной емкости C_д:

ε = C_д ∕ C₀ , (4.1)

показывает во сколько раз емкость конденсатора с данным диэлектриком C_Д больше емкости того же конденсатора в вакууме С₀ .

Произведение относительной диэлектрической проницаемости ε на электрическую постоянную ε₀ называется абсолютной диэлектрической проницаемостью:

ε_а = ε ₀ ∙ ε_r ,­ (4.2)

где ε₀ = 8,854 ∙ 10^-12 Ф/м – электрическая постоянная.

Относительная диэлектрическая проницаемость (далее диэлектрическая проницаемость) безразмерная величина; она количественно определяет способность диэлектрика поляризоваться и образовывать электрическую ёмкость

ε_r вакуума = 1, ε_r любого в-ва > 1.

Она может составлять несколько единиц, несколько десятков и даже сотен и тысяч единиц. (См. таблицу 4.1)

Таблица 4.1

Материал	ε		Материал		ε
Парафин		1,9 – 2,2		Пьезокерамика		100 – 1800
Полистирол		2,4 – 2,6		Гетинакс		5 – 6
Сера		3,6 – 4,0		Текстолит		6 – 7
Алмаз		5,6 – 5,8		Стёкла		4 – 25
Камен. соль		6		Ситалл		5 – 8
Рутил (TiO2)		110		Сегнетовая соль		До 6000
Корунд (Al2O3)		10

В зависимости от агрегатного состояния (жидкое, твёрдое, газообразное) и структуры диэлектриков различают следующие виды поляризации

4.2.1 Электронная поляризация

Все материалы состоят из атомов, а атом из ядра (протонов) и электронов, вращающихся вокруг него. В отсутствие внешнего электрического поля, электроны быстро вращаются вокруг ядра по круговой орбите и центры приложения зарядов положительного и отрицательного совпадают. Если теперь этот атом поместить в однородное электрическое поле с напряженностью ε, то отрицательно заряженные электроны при своем вращении сместятся в сторону положительного электрода (рисунок 4.1). Центр отрицательного заряда изменит свое положение, и система превратится в диполь. Таким образом, произошла поляризация диэлектрика. Этот вид поляризации называется электронной, происходит она практически мгновенно за время ≈ 10^-15 с, поэтому её называют мгновенной. Она характерна для всех типов диэлектриков. Она происходит без рассеивания энергии, проявляется на всех частотах, т.е. практически не зависит от частоты (f = 10¹⁴ - 10¹⁶ Гц).

Электронная поляризация – это упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов.

Рисунок 4.1 – схематическое изображение электронной поляризации: а – неполяризованный атом при отсутствии электрического поля; б – поляризованный атом при воздействии электрического поля.

ε уменьшается с увеличением температуры, т.к. происходит тепловое расширения диэлектрика и число частиц в единице объема уменьшается.

Изменение ε от Т характеризуется ТК (температурный коэффициент) диэлектрической проницаемости.

α_ε = ∂ε ∕ (ε ∙ ∂T) (4.3)

Рисунок 4.2 – График зависимости диэлектрической проницаемости полимеров от частоты:

1 – полистирол; 2 – политетрафторэтилен.