План викладу матеріалу розділу

1	Класифікація діелектриків
2	Поляризація діелектриків
3	Діелектрична проникність
4	Електропровідність діелектриків
5	Діелектричні втрати
6	Тангенс кута діелектричних втрат

Діелектричні матеріали застосовуються в електроніці для створення електричної ізоляції, що розділяє струмопровідні елементи пристроїв електронної техніки.

Основні вимоги до електроізоляційних матеріалів такі: мале значення діелектричної проникності, високе значення електричної міцності, великий питомий електричний опір.

Якщо матеріал використовується як діелектрик конденсатора, у нього повинно бути високим і стабільним значення діелектричної проникності.

За хімічним складом електроізоляційні матеріали поділяються на органічні – сполуки вуглецю з воднем, азотом, киснем та деякими іншими елементами – і неорганічні.

За агрегатним станом електроізоляційні матеріали поділяються на газоподібні, рідкі та тверді; особливу групу складають твердіючи матеріали, які на етапі виробництва знаходяться в рідкому або пластичному стані, а в робочому стані – тверді речовини.

Залежно від будови та виду поляризації діелектрики можна класифікувати так (рис. 1):

• полярні діелектрики містять у своєму складі постійні диполі, здатні до переорієнтації,

• неполярні – діелектрики, що не мають таких диполів; до перших можна віднести целюлозу, полівінілхлорид, до других – поліетилен, полістирол, парафін та ін;

• іонні (типові приклади) – галогеніди лужних металів;

• сегнетоелектрики – діелектрики, що мають доменну структуру і здатні до самодовільної поляризації;

• п’єзоелектрики - діелектрики, які володіють сильно вираженим п’єзоелектричним ефектом;

• електрети – діелектрики, які здатні тривало зберігати свою поляризацію.

Належність діелектрика до тієї чи іншої групи визначає його важливі характеристики.

Поляризація діелектриків

В будь-яких речовинах, незалежно від наявності чи відсутності в них вільних електричних зарядів (носіїв заряду), завжди є зв’язані заряди: електрони оболонок атомів, атомні ядра, іони. Зовнішнє електричне поле зміщує в діелектрику зв’язані заряди з їх рівноважних положень: позитивні в напрямі поля Ē, негативні- в зворотному напрямі (рис.2).

У однорідному електричному полі з напруженностю Е дипольні молекули приймають орієнтоване положення. Обмежене зміщення зв’язаних зарядів або орієнтація дипольних молекул, що призводить до індукції електричного моменту, називається поляризацією. В результаті її дії на поверхнях діелектрика утворюються заряди обох знаків. Ці заряди не компенсуються на відміну від внутрішніх зарядів і саме вони створюють власне поле діелектрика , напруженість якого направленна назустріч напруженості зовнішнього поля. Сумарна напруженість поля виявляється декілька меншою, ніж у разі відсутності діелектрика між електродами. Величина, що характеризує ступінь ослаблення напруженості зовнішнього поля внутрішнім полем діелектрика називається відносною діелектричною проникністю. Вона є одній з найважливіших характеристик діелектрика і позначається буквою .

Значення відносної діелектричної проникністі залежить від виду поляризації. Для полярних діелектриків зазвичай більше, ніж для неполярних. Відносна діелектрична проникність залежить від температури, частоти прикладеної напруги і вологості.

З практичної точки зору діелектричну проникність зручно визначати з її зв’язком з ємністю плоского конденсатора

C=₀S/d. (1)

Відносна діелектрична проникність показує, у скільки разів збільшиться ємність вакуумного конденсатора після його заповнення даним діелектриком.

.Величина діелектричної проникності важлива для розрахунку напруженості електричного поля в багатошарових діелектриках. Крім цього, параметр  визначає швидкість поширення електромагнітних хвиль в речовині v:

=(c/v)², (2)

с - швидкість світла (електромагнітної хвилі) в пустоті;

розрізняють кілька видів поляризації.

Електронна поляризація – пружне зміщення та деформація електронних оболонок атомів та іонів (рис.4). Особливості електронної поляризації:

- властива атомам (іонам) будь-якої речовини і, відповідно, всім діелектрикам, незалежно від наявності в них інших видів поляризації;

- встановлюється за дуже короткий час після накладання електричного поля –

=10^-14‑10^-15с;

- значення  залежить від температури.

іонна поляризація (рис.5) обумовлена зміщенням пружно зв’язаних різнойменно заряджених іонів на відстань, меншу сталої кристалічної решітки.

О собливості іонної поляризації:

- властива речовинам з іонним зв’язком;

- встановлюється також досить швидко, але за більший проміжок час (10^-13‑10^-14c);

-  діелектриків залежить від температури (рис.6): з підвищенням температури поляризація посилюється, що пов’язано зі зменшенням сил зв’язку між іонами через теплове розширення;

- більша у тих речовин, в яких іони слабше зв’язані один з одним і несуть великі електричні заряди, тобто багатовалентні.

Дипольно-релаксаційна поляризація (ДРП) властива полярним діелектрикам, обумовлена частковим поворотом в напрямі електричного поля молекул, що мають постійний електричний момент. Точніше ДРП можна пояснити, як внесення електричним полем деякого впорядкування в розташування полярних молекул, які безперервно здійснюють хаотичний тепловий рух (рис.7). На неї істотно впливає температура. Залежність відносної диэлектричсеской проникності полярного діелектричного матеріалу фторопласт–3 від температури приведена на (рис.8).

На цьому графіку можна виділити три характерні області зміни від температури: область 1 – високій в'язкості матеріалу; область 2 – середній в'язкості; область 3- низької в'язкості.

В області 1 із збільшенням рухливості частинок діелектрика полегшується процес поляризації і росте відносна діелектрична проникність. В області 2 досягає свого максимуму. При подальшому збільшенні (область 3) температури хаотичний тепловий рух частинок заважає процесу орієнтації диполів, руйнуючи його. При цьому  починає падати.

Діелектрична проникність неполярних діелектриків від температури міняється мало, оскільки збільшення за рахунок ослаблення зв'язків між частинками компенсується зменшенням за рахунок теплового розширення діелектрика.

а б

Рис.7. Дипольний діелектрик

а-звичайний стан полярного діелектрика;

б-стан полярного діелектрика в електричному полі.

Особливості ДРП:

- можлива в разі якщо молекулярні сили зчеплення слабші за момент повороту диполя в електричному полі;

- залежність діелектричної проникності _ДРП від температури має характерний максимум, обумовлений рівновагою між послабленням молекулярних сил та посиленням хаотичного руху молекул з ростом температури;

-- відносно повільний вид поляризації(10^-3-10^-8с): після зняття електричного поля орієнтація часток N поступово слабшає за експоненціальним законом:

N=N₀e^-t/, (3)

д е N₀– початкове число орієнтованих часток, t – час після зняття поля, - стала часу релаксації, тобто часовий інтервал, за який число зорієнтованих диполів зменшується в е=2,72 раз, порівняно з N₀;

- поворот диполів у в’язкому середовищі вимагає подолання сил опору, тобто пов’язаний з втратами енергії.

- якщо великі втрати на в’язке тертя, то в швидко змінних полях диполі не встигають повертатись вздовж поля.

іонно-релексаційна поляризація (ІРП) спостерігається в аморфних іонних діелектриках з нещільною упаковкою іонів (скло) і обумовлена зміщенням іонів в електричному полі на відстані, що перевищують сталі решітки. Її особливісті:

-діелектрична проникність твердих діелектриків з ІРП зростає з підвищенням температури до переходу речовини в рідкий стан; в рідкому стані матеріал стає провідником з електролітичною електропровідністю;

- після зняття електричного поля іони повертаються в попередні положення поступово (=10^-7-10^-4 с), в результаті хаотичного теплового руху;

- механізм ІРП супроводжується втратами електричної енергії.

Спонтанна поляризація (СП) обумовлена орієнтацією в напрямі електричного поля мікроскопічних областей діелектрика (доменів), які мають електричний момент за відсутності зовнішнього поля. Спостерігається в сегнетоелектриках, наприклад, сегнетовій солі, титанаті барію ВаТіО₃. Особливість СП - надвисоке значення діелектричної проникності 10²-10⁴. Температура при якій  досягає максимального значення, отримала назву температури Кюрі. В інтервалі температур вище точки Кюрі змінюється структура речовини, втрачаються сегнетоелектричні властивості молекул (рис.9).

Поляризація сегнетоелектриків супроводжується достатньо великими затратами енергії; в змінному електричному полі залежність q(U) (q – заряд, U - напруга) має вигляд петлі гістерезису (рис. 10), площа якої пропорційна потужності розсіяння в діелектрику. Діелектрична проникність залежить від частоти електричного поля подібно до матеріалів з дипольно-релаксаційною поляризацією; для ВаТіО₃ стала часу 10^-8с;

В певних умовах сегнетоелектрики яскраво проявляють п’єзоелектричні властивості, тобто їхня поляризованість істотно змінюється від механічних впливів.

Дослідження сегнетоелектриків пов'язані з практичним застосу­ванням їх властивостей. Так, сегнетову сіль використовували в мікрофонах та звукознімачах, титанат барію - в конденсаторах.

С егнетоелектрики застосовують також в оптичних пристроях для запам'ятовування інфор­мації, в модуляторах і дефлекторах, оптичних затворах і дисплеях, нелінійній оптиці. Після відкриття резонансних властивостей у зразках рутила (Ті0₂) титановміщуючі діелектрики вико­ристовуються для виготовлення діелектричних резонаторів і приладів на їх основі в техніці надвисоких частот (НВЧ).

Використання діелектриків цього класу сприяє вирішенню проблеми мініа­тюризації радіоелектронних пристроїв та їх електромагнітної сумісності. Особливо ефективно ці проблеми розв'язуються після створення термостабільних керамік типу BaSm₂Ti₄0₁₂. Для таких керамік діелектрична проникність є є сталою величиною для широкої смуги частот.

Міграційна поляризація (МП) спостерігається в неоднорідних діелектриках зокрема в діелектриках з включенням води і провідних часток, вона полягає в повільному (секунди, хвилини і навіть години) переміщенні зарядів до їх границь та накопиченні зарядів на границях розділу.

Діапазон значень відносної діелектричної проникності різних діелектриків складає шість порядків. Найнижча  у вакууму, для нього вона приймається рівною одиниці. Відносна діелектрична проникність всіх діелектричних матеріалів більша одиниці. Близьку до одиниці відносну діелектричну проникність мають газоподібні діелектрики. Відносна діелектрична проникність неполярних рідких діелектриків має значення в інтервалі 1,8 – 2,2. Такі значення характерні і для неполярних твердих діелектриків. Відносна діелектрична проникність полярних діелектриків має значення в інтервалі від 3 до кількох десятків. Найбільші значення відносної діелектричної проникності (10⁵-10⁶) мають деякі сегнетоелектричні матеріали при температурах, близьких до температури Кюрі.

За своїм призначенням електроізоляційні матеріали зовсім не повинні пропускати електричний струм під дією прикладеної постійної напруги, тобто вони повинні бути непровідниками. Однак, як показує досвід, всі реальні діелектрики під дією постійної напруги все ж пропускають деякий, хоч і незначний струм ‑ струм витоку.

Струм витоку має дві складові: струм наскрізний Ікр та струм зміщення Ізм. останній, в свою чергу, можна поділити на струм швидкої, миттєвої поляризації та струм, обумовлений різними видами повільної поляризації ; його називають струмом абсорбції Іабс. Для більшості технічних діелектриків густина струму абсорбції більше густини струмів миттєвої поляризації, тобто струм зміщення Ізм приблизно дорівнює струму абсорбції

Іабс. (4)

В загальному випадку струм зміщення поступово спадає в часі після вмикання постійної напруги, часто протягом хвилин і навіть годин. Складова Іабс, що змінюється повільно, обумовлена перерозподілом вільних зарядів в об’ємі діелектрика. Коли цей перерозподіл закінчується, залишається лише незмінний в часі наскрізний струм І_кр, котрий обумовлений проходженням носіїв заряду від одного електроду до другого, і складається з об’ємного та поверхневого струмів

І_кр=І_+І_S. (5)

Поверхневий опір, які характеризує наявність шару підвищеної електропровідності на поверхні розділу твердого діелектрика з оточуючим газоподібним або рідким середовищем; цей шар створюється внаслідок неминучого забруднення, зволоження і т.п.

Д ля чисельної оцінки користуються значенням питомого об’ємного опору  та питомого поверхневого опору _S. На рис.11 показана схема виміру поверневого опору діелектрика.

Для простої геометрії ізотропного діелектрика в однорідному полі питомий об’ємний опір визначається

=RS/d, (6)

де R – об’ємний опір зразка, Ом; S – площа електродів, м²; d – товщина зразка, м.

Питомий поверхневий опір (в омах) визначається як опір квадрата на поверхні матеріалу, якщо струм проходить від однієї його сторони до протилежної (рис.11)

 _S=R_Sd/l, (7)

де R_S – поверхневий опір зразка, Ом; d–ширина електродів, м; l- відстань між ними, м.

Вимірюючи опір матеріалів, слід виключати струм абсорбції, реєструючи струм витоку не раніше, ніж за хвилину після ввімкнення напруги; причому система електродів повинна дозволяти вимірювати окремо об’ємний та поверхневий струм.

При тривалій роботі під напругою струм через тверді та рідкі діелектрики з часом може зменшуватись або збільшуватись рис.12. Зменшення струму з часом свідчить про те, що електропровідність матеріалу була обумовлена іонами посторонніх домішок і зменшилась за рахунок електричної очистки матеріалу. Збільшення струму з часом свідчить про участь зарядів, що є структурними елементами самого матеріалу, та про незворотний процес старіння діелектрика.

При використанні матеріалу як діелектрика в конденсаторі його опір визначає сталу часу конденсатора:

_с=RC=₀ .

Визначивши сталу часу, як інтервал, за який напруга на конденсаторі зменшиться внаслідок саморозряду в е раз, та знаючи матеріал і його , можна оцінити питомий опір діелектрика.

Електропровідність діелектриків відбувається по-різному в слабких і сильних електричних полях. Крім цього, є відмінності в механізмі електропровідності між діелектричними матеріалами в слабких полях в газоподібному, рідкому та твердому агрегатних станах.

В слабких електричних полях причиною виникнення вільних носіїв заряду переважно є дисоціація забруднень і домішок. Тому можна говорити про невластиву, або домішкову, електропровідність діелектриків. При дисоціації утворюються іони. Тому електропровідність більшості діелектриків в слабких полях має іонний характер.

В сильних електричних полях причиною виникнення вільних носіїв заряду є електричне поле, котре має таку високу напруженість, що прискорює вільні носії заряду до швидкості, за якої вони здатні іонізувати нейтральні частки діелектрика. Виникає ударна іонізація. Після перевищення певної критичної напруженості електричного поля відбувається різке збільшення концентрації вільних носіїв заряду, матеріал втрачає ізоляційні властивості. Кажуть, що настає пробій діелектрика.

В слабких електричних полях молекули газів електрично нейтральні, і газ не здатен проводити електричний струм. Вільні носії заряду можуть виникати під дією зовнішніх іонізуючих факторів (напр., космічного або радіоактивного випромінювання).

Електропровідність рідин, переважно в слабких полях, обумовлена іонами, що утворюються при дисоціації молекул домішок. В деяких полярних рідинах дисоціюють і молекули самої рідини.

В сильних електричних полях в рідинах проявляється електронна електропровідність подібно до газів. Електрони можуть потрапити в рідину також з поверхні електродів. Однак, порівняно з газами, рідини мають набагато більшу густину, і тому середній шлях вільного пробігу носіїв заряду за однакових умов значно менше. Внаслідок цього критична напруженість електричного поля у рідин вища, ніж у газів.

Електропровідність твердих діелектриків в слабких електричних полях має переважно іонний характер. Ширина забороненої зони в діелектриках ∆W>>kT, і лише мізерна кількість електронів може відірватись від атомів за рахунок теплового руху. Енергія відриву іона з вузла решітки W часто виявляється значно нижчою W. Носіями заряду в діелектриках звичайно виявляються іони малих розмірів, рухливість яких вище. Питома електропровідність твердих діелектриків зростає з підвищенням температури за експоненціальним законом. Іонна електропровідність супроводжується переносом речовини – котрий підпорядковується закону фарадея.

В сильних електричних полях в діелектриках домінує електронна електропровідність. Однак оскільки в твердих тілах частки розміщуються густіше порівняно з газами та рідинами, середній шлях вільного пробігу електронів найменший, а поля для іонізації потрібні сильніші. Питомий опір кристалів істотно залежить від напряму (для кварцу різниця  в 50 разів).

Поверхнева електропровідність твердих діелектриків обумовлена наявністю вологи, окислів, забруднень на їх поверхні. Для її зменшення електроізоляційні вироби покривають вологостійкими гідрофобними (поверхні котрих не змочуються водою) речовинами з великим _s (напр., глазур для фарфорових ізоляторів) та очищають поверхні діелектриків.

Діелектричні втрати (ДЕВ) – електрична потужність, що поглинається діелектриком під дією прикладеної до нього напруги. Ця потужність розсіюється в ньому, перетворюючись в тепло.

Розрізняють ДЕВ в постійному електричному полі та в змінному полі.

Якщо діелектрик – ділянка ізоляції з опором R_із, Ом, знаходиться під постійною напругою U В, величина ДЕВ, Вт визначиться

, (8)

(І – наскрізний струм витоку через ізоляцію, А). Питомі діелектричні втрати (без врахування втрат від поверхневого струму витоку), Вт/м³, в цьому випадку визначаються за допомогою

р=Е²/=Е², (9)

де  - питомий об’ємний опір матеріалу. Омм; а  - питома об’ємна провідність, См/м.

В змінному полі повні ДЕВ визначаються частотою поля ,ємністю С тангенсом кута ДЕВ tg (на підставі діаграми рис. 12)

P=U²ctg, I_p=UС; (10)

тут  - кут діелектричних втрат на векторній діаграмі струмів діелектрика, що доповнює до 90 зсув фаз  між струмом та напругою. Тангенс цього кута дорівнює відношенню активної та реактивної компонент струму, що протікає через діелектрик

tg=I_a/I_p. (11)

Тангенс кута ДЕВ – дуже важлива характеристика як матеріалу (діелектрика), так і електричної ізоляції виробів. Чим менше цей кут, тим вища якість ізоляції виробів. Параметр tg визначає добротність конденсатора (а, значить, максимально можливу добротність контуру з ним):

Q=1/tg (12)

Значення tg для кращих електроізоляційних матеріалів, які застосовуються в техніці високих частот, складають тисячні і навіть десятитисячні долі одиниці; для матеріалів нижчої якості, що застосовуються в менш відповідальних випадках, tg може мати значно більші значення.

Питомі ДЕВ

p=E²₀tg (13)

Добуток tg називають коефіцієнтом діелектричних втрат матеріалу

Звичайно для (одного і того ж значення Е) втрати при змінній напрузі більші, ніж при постійній.

ДЕВ можуть спричинятися процесами електропровідності, поляризації, іонізації та резонансним поглинанням.

Наявність наскрізного струму призводить до ДЕВ на електропровідність. У неполярних такі ДЕВ переважають, вони не залежать від частоти змінного електричного поля. Внаслідок цього добуток tg у виразі (6) повинен мати стале значення. Тому тангенс кута втрат tg з ростом частоти зменшується по гіперболі (рис. 13).

У полярних діелектриків (рис. 14) до ДЕВ на електропровідність (крива 1) додаються втрати на поляризацію (крива 2), так що зміна tg з частотою набуває вигляду кривої 3. Такі ДЕВ обумовлені зміною в тепловому русі часток речовини під впливом сил електричного поля.

Діелектричні втрати на поляризацію максимальні, коли період зміни електричного поля порівнянний з часом встановлення поляризації . Якщо частота поля >1/, поляризація не встигає слідувати за змінами поля, поляризованість та  стануть нижче низькочастотних значень. резонансні ДЕВ спостерігаються тоді, коли частота електромагнітного поля збігається з власними частотами коливань часток речовини. На відміну від частот релаксації резонансні частоти дуже стабільні і слабко залежать від температури та інших факторів. Тому спектральні лінії служать еталонами.

Резонансні втрати електронної поляризації мають максимум в оптичному діапазоні: інфрачервоній, видимій та ультрафіолетовій областях спектру (на частотах 10¹⁴-10¹⁷ Гц).

Максимум резонансних втрат іонної поляризації спостерігається в інфрачервоному діапазоні на частотах 10¹³-10¹⁴ Гц. Однак в речовинах з високою діелектричною проникністю, а також в склі та ситалах, де є слабко зв’язані іони, частоти іонних резонансів можуть бути і нижчими (10¹² Гц).

В діелектриках з провідними включеннями разом з міграційною поляризацією спостерігаються додаткові релаксійні втрати. Іонізаційні втрати спостерігаються при перевищенні напругою певної границі, яка називається порогом іонізації. Такі втрати спостерігаються в пористих твердих діелектриках та газах з неоднорідним полем. Вони можуть призвести до розігрівання і руйнування виробів з газовими включеннями. Для підвищення якості такої електричної ізоляції її просочують мастилами, лаками, компаундами.

В гамма - та рентгенівському діапазонах частот (вище 10¹⁷ Гц), коли довжина хвилі порівнянна або менша розмірів атомів, макроскопічна поляризація речовин не відбувається, діелектрична сприйнятливість дорівнює нулю, =1 і діелектричних втрат немає.

Зниження діелектричних втрат, що вимагається на практиці, досягається вибором однорідних, неполярних діелектриків з високим питомим опором. У таких матеріалів (напр., поліетилен, полістирол, кварц, парафін) tg в усьому діапазоні частот електро- і радіотехніки знаходиться на рівні 10^-4. У полярних діелектриків (целюлоза, поліметилметакрилат і т.п.) tg в області частот релаксації досягає значень 0,01-0,3, що може призвести до неприпустимого нагрівання і виходу з ладу електричної ізоляції.

Контрольні питання

1. В чому полягає суть процесу поляризації?

2. Які види поляризації вам відомі? В чому полягають їх особливості?

3. Що називають діелектричними втратами?

4. Що таке діелектрична проникність?

5. Що таке тангенс кута діелектричних втрат tgδ?

6. Як змінюється діелектрична проникність сегнетоелектрика при збільшенні температури вище точки Кюрі ?