6.3. Диэлектрические свойства
Диэлектрические свойства – совокупность параметров, определяющих поведение материалов в электрическом поле. К числу важнейших параметров относятся: диэлектрическая проницаемость , тангенс угла диэлектрических потерь tg, удельное электрическое сопротивление (объемное и поверхностное s) и электрическая прочность Епр.
Явления, происходящие в материалах при их взаимодействии с электрическим полем, могут быть весьма разнообразными; они определяются как видом материала (химический состав, структура и т.п.) и условиями, в которых находится материал (температура, давление, воздействие радиации и пр.), так и видом электрического поля (постоянное, переменное той или иной частоты или же импульсное воздействие).
Основным отличительным свойством диэлектриков, определяющим возможность их применения в качестве электроизоляции и других целей, является электрическая поляризация.
Явление поляризации сводится к изменению положения в пространстве частиц диэлектрика, имеющих электрический заряд того или иного знака, в результате чего каждый макроскопический объем диэлектрика приобретает некоторый наведенный (индуцированный) электрический момент, которым этот объем диэлектрика до воздействия внешнего электрического поля не обладал.
Под действием внешнего электрического поля происходит некоторое упорядочение расположения в пространстве зарядов молекул диэлектрика (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Схематическое расположене зарядов в полностью поляризованном диэлектрике плоского конденсатора: Е – средняя напряженность электрического поля
По времени установления поляризации различаются две группы процессов:
1) мгновенная поляризация, происходящая почти без потерь энергии (электронная и ионная). Время установления поляризации (время релаксации) – 10–15 – 10–12 с;
2) замедленная поляризация, сопровождающаяся рассеиванием энергии в диэлектрике в виде тепла (дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная, спонтанная и др.). Время их релаксации составляет 10–3 и более секунд.
Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и молекул относительно ядер. Этот вид поляризации характерен для всех видов диэлектриков и совершается за незначительно короткое время (10–15 – 10–14 с), сравнимое с периодом световых колебаний.
Ионная поляризация – упругое смещение связанных ионов неорганических диэлектриков относительно положения равновесия, совершается в течение 10–15 – 10–14 с.
Дипольно-релаксационная поляризация, которую для полимерных материалов называют дипольно-радикальной (или дипольно-групповой), заключается в ориентации (повороте) под действием электрического поля дипольных молекул, дипольных групп и цепей макромолекул, находящихся в хаотическом тепловом движении и обладающих собственным электрическим моментом. Чем ниже температура и крупнее молекула, тем больше время ее релаксации. Такой вид поляризации характерен как для полярных, так и для неполярных с полярными включениями органических диэлектриков.
Дипольно-электронная поляризация (сегментальная) – ориентация отдельных участков (сегментов) макромолекул как полярных, так и неполярных полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии.
Ионно-релаксационная поляризация – смещение на одно – два атомных расстояния слабосвязанных ионов неорганических диэлектриков с неплотной упаковкой ионов.
Миграционная поляризация (структурная) – медленная миграция свободных ионов в пределах данного слоя наполнителя и других включений и закрепление их на дефектных участках, на границах раздела сред или на приэлектродной области (высоковольтная), характерна для неоднородных композиционных диэлектриков, составляющие которых обладают разными электрическими свойствами. Время релаксации иногда составляет несколько минут.
Спонтанная поляризация (самопроизвольная) – характерна для сегнетоэлектриков. При температуре ниже точки Кюри, когда энергия теплового движения невысокая, ионы, смещаясь относительно друг друга, создают электрический момент. Области с одинаковым направлением дипольных моментов ячеек называются доменами. До действия внешнего электрического поля направление дипольных моментов разных доменов хаотично и сумма их равна нулю, т.е. сегнетоэлектрик в целом неполяризован. Под действием внешнего электрического поля происходит ориентация дипольных моментов доменов в направлении поля.
Остаточная поляризация характерна для электретов, т.е. диэлектриков, которые подобно постоянным магнитам могут длительно (годами) сохранять поверхностные электрические заряды.
Количественно способность вещества к поляризации оценивается его относительной диэлектрической проницаемостью, представляющей собой отношение количества зарядов Q на обкладках конденсатора с данным диэлектриком к количеству зарядов Q0 при вакууме между электродами, причем при одинаковых напряжениях и размерах конденсатора:
,
где – величина безразмерная и всегда больше единицы.
Значения различных групп диэлектриков приведены в таблице 6.1.
Таблица 6.1