5. Диэлектрики

Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной за­прещенных энергий. Важнейшими твердыми диэлектриками являются ке­рамика, полимеры и стекло. В них пре­обладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивле­ние равно 10¹²…10²⁰ Ом∙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 электриче­ское поле, которое направлено противо­положно внешнему. Мерой поляризации является диэлектрическая проницае­мость ε. Она оценивается отношением емкостей С_д/С₀ конденсатора. Емкость С_д определяется, когда между пластина­ми конденсатора находится диэлектрик, а емкость С₀ - когда вместо диэлектри­ка вакуум. В твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько видов поляризации, которые в сумме определяют величину ε и ее зависи­мость от температуры и частоты поля. Конструкционные диэлектрики общего назначения имеют небольшое значение ε - до 10…12. Диэлектрики, которые ис­пользуются в конденсаторах, должны иметь высокие значения ε, чтобы увели­чить емкость конденсатора. У конденса­торных диэлектриков е меняется от 12…15 до 100000.

Наиболее важными видами поляриза­ции являются электронная, ионная, дипольно-релаксационная и самопроизвольная (спонтанная).

Электронная поляризация вызывается деформацией электронных оболочек атомов. Электроны смещаются почти мгновенно, время установления поляри­зации ничтожно мало (10^-15 с), и поэто­му она не зависит от частоты.

Ионная поляризация возникает при упругом смещении ионов на расстояния, не превышающие межионные. Отрица­тельные ионы смещаются в сторону по­ложительного электрода, а положи­тельные ионы - в сторону отрицательно­го. Время установления ионной поляри­зации очень мало (10^-13 с), и ε также не зависит от частоты.

Дипольно-релаксационная поляриза­ция проявляется в полярных диэлектри­ках. Повороты диполей существенно ме­няют ε. У неполярных диэлектриков ε немного больше 2, у полярных - в не­сколько раз больше. Повороты диполей при наложении поля и возвращение ди­полей к неупорядоченному состоянию после снятия поля требуют преодоления некоторого сопротивления молеку­лярных сил. Эта поляризация появляет­ся и исчезает значительно медленнее электронной или ионной поляризации.

При нагреве диэлектрическая прони­цаемость ε изменяется, температурный коэффициент ε (ТКε) принимает значе­ния от -1300 до + 3000∙10^-6 °С^-1. От­рицательный ТКε имеют диэлектрики с электронной поляризацией, при нагре­ве увеличивается их объем и соответ­ственно уменьшается плотность заря­дов. Диэлектрики с ионной поляриза­цией имеют положительный TKε. При нагреве поляризация увеличивается вплоть до верхней границы рабочего интервала температур. Это объясняется ослаблением притяжения между ионами и увеличением их смещения. Особенно сильно повышается поляризация, когда ионы начинают смещаться на расстоя­ния больше межионных. В этом случае поляризация зависит от частоты, уста­навливается медленно - за 10^-5…10^-3 с и называется ионно-релаксационной.

Самопроизвольная поляризация на­блюдается только у одного класса диэ­лектриков — сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже опре­деленной температуры, которую назы­вают точкой Кюри, самопроизвольно, без внешних воздействий, возникает по­ляризация. Объем сегнетоэлектрика раз­бивается на домены, в каждом из ко­торых вещество сильно поляризовано. В отсутствие поля домены расположены беспорядочно, и суммарная поляриза­ция равна нулю. При наложении поля поляризация увеличивается нелинейно благодаря переориентации поляризации доменов. При циклическом изменении поля от +Е до -Е возникает петля ги­стерезиса. Когда напряжен­ность поля возрастает, поляризация до­стигает насыщения; при этом ε увеличи­вается до максимального значения и вновь уменьшается. По аналогии с ферромагнетиками напряженность по­ля Е_с, при которой меняется направле­ние поляризации, называется коэрцитив­ной силой. Когда Е_с<0,1 МВ/м, сегнетоэлектрик является мягким; когда Е_с > 1 МВ/м, материал жесткий.

Известно около 500 сегнетоэлектриков. Они при­надлежат к классу активных диэлектриков, которые используются для генера­ции и преобразования электрических сигналов. Между электрическими, меха­ническими, тепловыми и другими свой­ствами сегнетоэлектриков существуют нелинейные зависимости. Значения свойств вблизи точки Кюри имеют мак­симумы или минимумы. В частности, максимальное значение ε достигается около точки Кюри.

Электропроводимость твердых ди­электриков связана с появлением в них свободных ионов или электронов. Ос­новное значение имеет ионная проводи­мость, обусловленная примесями.

Электропроводимость диэлектрика подразделяют на объемную (сквозную) и поверхностную. Каждая из них харак­теризуется своим удельным электриче­ским сопротивлением - объемным ρ_v (Ом ∙ м) и поверхностным ρ_s (Ом).

Диэлектрики имеют высокое удельное объемное электрическое сопротивление (ρ_v ≥ 10¹² Ом ∙ м). При нагреве оно по­нижается в результате роста подвижно­сти ионов.

Поверхностное электрическое сопро­тивление ρ_s зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и состоя­ния его поверхности и влажности среды. Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую пленку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его объемное электриче­ское сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностно­го электрического сопротивления по­верхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, используя для этого покрытия - лаки и эмали.

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 напряжением U равен 90°, поэтому активная мощ­ность Р = IUcosφ равна нулю. Диэлек­трик не является идеальным конденса­тором, и угол сдвига фаз у него меньше 90° на угол δ. Этот угол называют углом диэлектрических потерь. Тангенс угла δ и диэлектрическая постоянная ε характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), Вт/м³:

P = k E² f ε tg δ,

где k - коэффициент; Е - напряженность электрического поля, В/м; f - частота поля, Гц.

Произведение εtgδ называют коэффи­циентом диэлектрических потерь. По ве­личине tgδ диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tgδ = 0,1…0,001) и высокочастотные (tgδ < 0,001). К ос­новным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электро­проводимость, ионизация газов в имею­щихся порах и неоднородность струк­туры из-за примесей и включений.

Электрическая прочность характери­зуется сопротивлением пробою. Про­бой - это необратимое разрушение твер­дого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств. Элек­трической прочностью или пробивной напряженностью Е_пр называется отно­шение пробивного напряжения U_пр к толщине диэлектрика в месте пробоя. Различают три вида пробоя: электриче­ский, тепловой и электрохимический.

Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нара­стающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (за 10^-7-10^-8 с) под действием поля боль­шой напряженности (свыше 1000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его рез­ком скачке.

Тепловой пробой наступает при ком­бинированном воздействии поля и нагре­ва, причем пробивная напряженность Е_пр из-за повышения температуры диэ­лектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ни­же температура диэлектрика и выше Е_пр. Тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как при этом возрастают потери) и замедлении теплоотвода.

Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопро­вождающемся необратимыми измене­ниями в структуре диэлектрика и пони­жением его электрической прочности.

По химическому составу диэлектрики разделяют на органические и неоргани­ческие. К органическим относятся поли­меры, резина, шелк; к неорганиче­ским - слюда, керамика, стекло, ситаллы.

По электрическим свойствам диэлек­трики подразделяют на низкочастотные (электротехнические) и высокочастотные (радиотехнические).

Для электроизоляционных материа­лов решающее значение имеет их нагревостойкость, т. е. способность без ущер­ба для свойств выдерживать нагрев в течение длительного времени. По нагревостойкости диэлектрики разделяют на семь классов (ГОСТ 8865-70), обо­значенных Y, А, Е, В, F, Н, С. В классе Y объединены наименее стойкие целлю­лозные, шелковые и полимерные мате­риалы, для них рабочая температура не превышает 90 °С. Самыми нагревостойкими являются материалы класса С - слюда, керамика, стекло, ситаллы, а также полиимиды и фторопласт-4. Они выдерживают длительный нагрев 180 °С и выше.

Большое влияние на свойства диэлек­триков оказывают гигроскопичность и влагопроницаемость. Образование токопроводящих пленок на поверхности и в толще изделий понижает изолирую­щую способность и может закончиться пробоем.

Наиболее гигроскопичны ма­териалы с порами и капиллярами на по­верхности - бумага, обычная пористая керамика, слоистые пластики. Для изделий из гигроскопичных диэлектриков используют пропитку, за­щищают поверхности лаками, глазурью и т. п.

Прочность диэлектриков и особенно­сти их механических свойств являются дополнительным критерием выбора ма­териалов. Керамика, стекло и ситаллы — наиболее прочные диэлектрики. Харак­терной особенностью этих материалов является хрупкость; их прочность на сжатие в несколько раз больше прочно­сти на изгиб. Предел прочности на из­гиб равен 30…300 МПа, увеличиваясь до 500 МПа у ряда ситаллов.

Стабильность структуры и свойств диэлектриков определяет сроки их экс­плуатации. Наибольшую стабильность имеют керамика и ситаллы, в стеклах под влиянием поля мигрируют ионы щелочных металлов и образуются элек­тропроводящие мостики. Добавки РbО и ВаО увеличивают стойкость стекла против электрохимического пробоя, свя­занного с миграцией ионов щелочных металлов. Органические диэлектрики разрушаются при комбинированном действии нагрева, окисления на воздухе и ионизации, поэтому их срок службы меньше, чем у керамики или стекла. Большинство пластмасс под действием разрядов обугливается и теряет изоли­рующую способность. Этого недостатка лишены полистирол, органическое сте­кло, фторопласты и кремнийорганические пластики. Среди диэлектриков самыми важными являются керамиче­ские материалы и особенно сегнетокера-мика. Керамика имеет наиболее разно­образные электрические свойства, почти не подвержена старе­нию и устойчива к нагреву.

Установочная керамика применяется для изготовления изоляторов, колодок, плат, каркасов, катушек и т. п. Она дол­жна иметь низкие потери, хорошие элек­троизоляционные свойства и проч­ность.

Для работы при низких частотах ис­пользуют электрофарфор, который де­шев и имеет неплохие электрические свойства. Его недостатки - большие по­тери, резко возрастающие при нагреве выше 200 °С, и низкая механическая прочность. Недостатки электрофарфора объясняются свойствами стекла, кото­рого в нем содержится довольно много.

Основным материалом, исполь­зуемым для изготовления деталей, пред­назначенных для работы при высоких частотах, является стеатит, который по­лучают из талька. Стеатиты не содер­жат вредных примесей, их свойства ста­бильны до 100 °С. Они легко прессуют­ся, при обжиге дают усадку всего 1…2% и используются для деталей с плотной и пористой структурой и точными раз­мерами. В отличие от других видов ке­рамики стеатит удовлетворительно ре­жется (после предварительного обжига). Недостатки стеатита - растрескивание при быстрых сменах температуры и трудность обжига.

Конденсаторная керамика должна иметь большую ε, обеспечивающую по­вышенную удельную емкость, низкие потери и малый ТК ε. Применение такой керамики увеличивает надежность ра­боты и теплостойкость конденсаторов, уменьшает их размеры.

Для высокочастотных конденсаторов применяют ультрафар­фор, стеатит, станнатную керамику, но лучшие свойства имеет керамика на ос­нове TiO₂. Эту керамику подразделяют на две группы: тиконды (Т-60, Т-80, Т-150) и термоконды (Т-20, Т-40), цифра в них указывает значение ε. В тикондах основным видом кристаллов является рутил - наиболее плотная модификация TiO₂. Чем больше содержание TiO₂ в керамике, тем выше значения ε и ТКε. Основная область применения тикондов - термокомпенсирующие конденса­торы. Термоконды наряду с TiO₂ содер­жат ZrO₂ и другие добавки. Они имеют низкие значения ТКε и используются для конденсаторов высокой стабильно­сти.

Лучшая конденсаторная керамика, применяемая при низких частотах, - сег-нетокерамика. Недостатками сегнетокерамики являются сравнительно большие потери и невысокая электрическая прочность.

Пьезоэлектрики - вещества, у которых под действием механических напряже­ний возникает поляризация (прямой пьезоэффект) и под действием электри­ческого поля изменяются размеры (обратный пьезоэффект). К пьезоэлектрикам относятся поляризованные сегнетоэлектрики с остаточной поляриза­цией, а также кристаллы, не имеющие центра симметрии. Структура пьезокерамики - твердые растворы на основе титаната бария (ТБС и ТБКС), ниобата бария (НБС), ниобата и титаната свинца (НТС).