2798

электронов и дырок. При этом наблюдается относительно вы-

сокое значение диэлектрической проницаемости на частотах

1014- 1015 Гц.

Резонансная поляризация наблюдается в диэлектриках в области световых частот. Этот вид поляризации зависит от структурных особенностей материалов и относится к собственной частоте электронов или ионов. При резонансе сильно увеличивается поглощение энергии.

Миграционная поляризация – неупругое перемещение слабо связанных примесных ионов на расстояние, превышающее параметр решетки, часто до границ зерен. Причинами возникновения такой поляризации являются проводящие или полупроводящие механические включения и примеси в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью. Этот вид поляризации проявляется на очень низких частотах (1-104 Гц).

Спонтанная поляризация – это поляризация, которая проявляется самопроизвольно без каких-либо внешних воздействий. Она проявляется у группы твердых диэлектриков, получивших название сегнетоэлектриков.

Диэлектрическая проницаемость при всех видах поляризации изменяется с частотой внешнего электрического поля. При увеличении частоты диэлектрическая проницаемость снижается, поскольку проявляется инерционность процесса ориентации. Изменение с изменением частоты называют диэлектрической дисперсией. Поэтому при характеристике диэлектриков всегда указывают, на какой частоте измерена диэлектрическая проницаемость . На рисунке 1.1 представлена частотная зависимость диэлектрической проницаемости при различных видах поляризации и область проявления их по частоте.

11

мой электрическим полем. Поэтому в классификации диэлектриков линейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, а нелинейные к активным (управляемым).

Рис.1.3. Зависимость заряда конденсатора от напряжения и диэлектрической проницаемости от напряженности поля (Е=U/n) для линейных диэлектриков (а) и нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков).

Линейные диэлектрики в зависимости от механизма поляризации можно подразделить на:

-неполярные диэлектрики – газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состоянии, обладающие в основном электронной поляризацией; к ним относятся водород, бензол, парафин, полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен и др.;

-полярные (дипольные) диэлектрики – органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризацию; к ним относятся канифольные компаунды, феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, поливинилхлорид, целлюлоза, капрон и др.;

14

-ионные соединения – это твердые неорганические ди-

электрики с ионной, электронной, ионнорелаксационной поляризациями (стекла, керамика). Ввиду существенного различия электрических харак-

теристик ионных соединений их целесообразно разделить на две подгруппы материалов:

-диэлектрики с ионной и электронной поляризацией. К ним относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов – кварц, слюда, корунд (Al2O3), рутил (TiO2) и др.;

- диэлектрики с ионной, электронной и релаксационными поляризациями; к ним относятся неорганические стекла, ситаллы, многие виды керамик.

В таблице 1.1 приведены, для примера, значения относительной диэлектрической проницаемости некоторых неполярных и полярных твердых органических диэлектриков, а в таблице 1.2 ионных кристаллов и неорганических стекол.

Таблица 1.1

Диэлектрическая проницаемость неполярных и полярных твердых диэлектриков

15

Таблица 1.2

Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов и неорганических стекол

1.3. Электропроводность диэлектриков

К диэлектрикам относят материалы с большой шириной запрещенной зоны около 3 эВ, поэтому концентрация свободных электронов в них ничтожно мала. Малая концентрация свободных зарядов определяет высокое удельное сопротивление диэлектрических материалов, находящееся в пределах 106-1016 Ом м. Если подключить к диэлектрику с нанесенными на поверхность металлическими электродами постоянное напряжение, то через него будет протекать электрический ток, который называют током утечки Jут. Ток утечки представляют в виде суммы двух токов: сквозного тока Jск и абсорбционного тока Jаб

Величина сквозного тока обусловлена движением свободных зарядов-ионов и реже электронов. Природа абсорбционного тока Jаб связана с мгновенными и замедленными поляризационными процессами, протекающими во времени до момента установления и получения равновесного состояния. При постоянном напряжении ток абсорбции возникает при включении напряжения и затем снижается. На рисунке 1.4

16

показана зависимость тока от времени при приложении постоянного напряжения. По истечении определенного времени, когда поляризационные процессы заканчиваются, через

Рис.1.4. Зависимость тока от времени в диэлектрике при постоянном напряжении.

диэлектрик будет протекать только сквозной ток. Обычно измерение проводимости диэлектрика определяют по сквозному току через 1 мин, после включения напряжения. При переменном напряжении проводимость диэлектрика будет определяться не только сквозным током, но и активной составляющей тока абсорбции.

В диэлектриках электрический ток может протекать не только по объему, но и по поверхности. Поэтому для характеристики диэлектриков вводят удельное объемное сопротивление v и удельное поверхностное сопротивление s. Для определения поверхностного Rs и объемного сопротивления Rv диэлектриков обычно используют измерительную ячейку с кольцевыми электродами, схемотехнически представленную на рисунке 1.5.

17

s = 1/ s (см м-1). Полная проводимость складывается из объемной и поверхностной проводимостей.

Электропроводность изоляционных материалов обусловливается состоянием вещества: газообразным, жидким и твердым, а также зависит от влажности и температуры окружающей среды.

Газы при небольших значениях напряженности поля обладают очень малой проводимостью. Так удельное сопротивление чистого воздуха на поверхности земли составляет 1013 – 1014 Ом м. Увеличение электропроводности в газах может происходить при понижении нейтральных молекул под действием внешних факторов: рентгеновских, ультрафиолетовых и космических лучей; радиоактивного излучения, нагрева газа, а также при электрическом напряжении, превышающем критическое значение напряжения ионизации.

Электропроводность жидких диэлектриков связана со строением молекул жидкости и обусловлена ионами, образующимися в результате диссоциации молекул на заряженные частицы противоположного знака.

Неполярные жидкости (трансформаторное масло, бензол) имеют высокое удельное сопротивление 1010 –1013 Ом м. В таких жидких диэлектриках молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, а электропроводность

вних обусловлена в основном движением ионов примесей.

Вполярных жидкостях электропроводность зависит не только от примесей, но и вызывается диссоциацией молекул самой жидкости. К таким жидкостям относятся этиловый

спирт, ацетон, дистиллированная вода. Удельное сопротивление полярных жидких диэлектриков составляет 103 –105 Ом м. Кроме того проводимость жидких диэлектриков зависит от температур. С увеличением температуры в результате снижения вязкости возрастает подвижность ионов и может увеличиваться степень тепловой диссоциации молекул, что приводит к увеличению проводимости.

19

Электропроводность твердых диэлектриков обусловливается как движением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей. Электронная электропроводность твердых диэлектриков вносит незначительный вклад в проводимость, так как при обычных температурах эксплуатации радиоэлектронных средств концентрация электронов очень мала.

Электропроводность твердых диэлектриков при ионной проводимости выражается зависимостью

где q – заряд иона, Кл; Nт – концентрация ионов в единице объема, м-3; Мт – подвижность носителей, м2/Вс.

Концентрация ионов от температуры Т оценивается из выражения

где k – постоянная Больцмана; Wq – энергия диссоциации ионов.

Подвижность ионов так же выражается экспоненциальной зависимостью от температуры Т

где μmax – постоянная, имеющая размерность подвижности; Wпер – энергия перемещения иона.

Общее выражение для электропроводности приобретает вид при подстановке значений Nт и μт

Обозначив γо = q . Nт. μmax и W = Wq + Wпер получим

20