Свойства и применение диэлектриков и магнитных материалов. Учебное пособие

2

УДК 621.38+615.83

Свойства и применение диэлектриков и магнитных материалов: учеб. пособие/ Т.А. Холомина, М.В.Зубков; Рязан. гос. радиотехн. ун-т им. В.Ф. Уткина. - Рязань, 2023. – 80 с.

В краткой и доступной форме излагается учебный материал, предусмотренный действующими образовательными стандартами. Содержатся краткие теоретические сведения, а также задачи по каждому разделу. Рассмотрены основные физические процессы – электропроводность, поляризация, диэлектрические потери, пробой диэлектриков, классификация и свойства магнитных материалов, а также применение указанных групп материалов в радиоэлектронике.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 38.03.02, 11.03.01, 18.03.01 заочной и очной форм обучения, а также по направлениям 11.05.01, 12.03.01, 11.03.04, 12.03.04, 13.03.02 дневного отделения при проведении практических занятий и для самостоятельной работы.

Ил. 15. Библиогр.: 15 назв.

Электрические свойства, диэлектрики, магнитные материалы, поляризация, потери энергии, пробой, практическое применение

Печатается по решению научно - методического совета Рязанского государственного радиотехнического университета им. В.Ф. Уткина.

Рецензенты:

Дубков М.В. – д-р. техн. наук, зав. кафедрой общей и экспериментальной физики ФГБОУ ВО «Рязанский государственный радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина»;

Трегулов В.В. – канд. техн. наук, доцент кафедры общей и теоретической физики и методики преподавания физики ФГБОУ ВО «Рязанский государственный университет им. С.А. Есенина».

© Рязанский государственный радиотехнический университет

им. В.Ф. Уткина, 2023

3

1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1. Классификация диэлектриков

Окружающие нас материалы по своему происхождению подразделяются на природные, искусственные и синтетические. Природные материалы применяются в натуральном виде без переработки. Примерами могут служить воздух, слюда, асбест, янтарь. К искусственным относятся материалы, полученные химической переработкой сырья природного происхождения (целлофан, бумага, вискоза, ацетат, продукты нефтепереработки).

Синтетическими называют материалы, полученные с помощью синтеза – реакции полимеризации из веществ-мономеров. При полимеризации синтезируются новые материалы с более высокой молекулярной массой. Эти материалы носят также названия: полимеры, пластические массы, синтетические смолы.

Существует также множество композиционных материалов самого разнообразного состава, включающие в себя как синтетические, так и искусственные компоненты (целлулоид, слоистые пластики, фенопласты, аминопласты).

К диэлектрикам относится чрезвычайно широкий круг материалов как органического (синтетические смолы, каучуки, волокнистые материалы), так и неорганического (стекла, керамика) состава.

Диэлектрики применяют в радиоэлектронике, электротехнике, радиотехнике и приборостроении для изоляции компонентов, создания емкости конденсаторов и в качестве активных диэлектриков (сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики).

Электроизоляционные материалы используют для изоляции токоведущих частей радиоэлектронных устройств. Применение диэлектриков в конденсаторах позволяет получать требуемое значение емкости. Некоторые материалы выполняют функцию как изоляторов, так и диэлектриков конденсаторов (например, слюда, керамика, полиэтиленовые, политетрафторэтиленовые, полистирольные и другие пленки).

Тем не менее, требования к электроизоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Если от электроизоляционных материалов требуется невысокая относительная диэлектрическая проницаемость и большое удельное сопротивление, то применение диэлектрика в конденсаторах, наоборот, требует в ряде случаев повышенного значения относительной диэлектрической проницаемости для обеспечения максимального значения удельной емкости. Конденсаторы с активными диэлектриками могут быть использованы для

4

усиления сигналов по мощности, создания элементов памяти, датчиков и преобразователей.

По особенностям строения молекул диэлектрики подразделяются на неполярные (пространственно совпадают центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекуле: полиэтилен, политетрафторэтилен и др.) и полярные (центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекуле пространственно не совпадают: поливинилхлорид, полиэфиры, полиамиды, полиуретаны и др.).

Кроме того, по характеру зависимости заряда в конденсаторе с диэлектриком от приложенного напряжения различают линейные и нелинейные диэлектрики. В подавляющем большинстве диэлектрики являются линейными. К нелинейным относятся сегнетоэлектрики, характеризующиеся спонтанной поляризацией и применяемые в качестве активных диэлектриков.

Диэлектрические материалы применяют в твердом, жидком (масла), твердеющем (лаки, клеи, компаунды) состояниях, а также в виде плазмы (пробой газообразного диэлектрика).

Наиболее широкое применение в радиоэлектронике нашли твердые диэлектрики. Выделим ряд основных групп твердых диэлектрических материалов, применяемых в радиотехнике и электронике:

–синтетические смолы (пластмассы, полимеры);

–эластомеры;

–материалы на основе волокон;

–слоистые пластики;

–стекла;

–керамика;

–ситаллы;

–неорганические диэлектрики природного происхождения. Рассмотрим основные физические свойства диэлектрических

материалов, определяющие их применение.

1.2. Электропроводность диэлектриков

Основными свойствами, определяющими применение диэлектриков в радиотехнике и электронике, являются их изолирующие качества, а также способность создавать электрическую емкость за счет существования внутреннего электрического поля, т. е. поляризации.

Для выполнения функции электрической изоляции диэлектрические материалы должны препятствовать прохождению электрического тока путями, нежелательными для работы прибора. С этой точки

5

зрения основной характеристикой диэлектриков является величина удельной электропроводности или удельного сопротивления.

Особенностью электропроводности твердых диэлектриков является то, что ввиду их большого удельного сопротивления ток через объем диэлектрика IV сравним с током по поверхности IS (рис. 1.1), поэтому общий ток изоляции равен

I = Iv + Is. (1.1)

При характеристике диэлектрика различают объемную и поверхностную удельные электропроводности ( v и s). Величины, обратные электропроводности, называются удельными объемным и поверхностным сопротивлениями ( v и s).

Рис. 1.1. Виды электрического тока в образце диэлектрика: I – общий ток изоляции; Iабс – ток абсорбции; IV – объемный

ток; IS – поверхностный ток

Удельное объемное сопротивление (v) определяется как сопротивление куба диэлектрика с ребром, равным единице длины, если ток протекает через две противоположные грани. Значения v большинства диэлектриков находятся в пределах 106 - 1016 Ом м.

Удельное поверхностное сопротивление ( s) определяется как сопротивление квадрата поверхности диэлектрика со стороной любого размера, если ток протекает через две противоположные стороны. Значение удельного поверхностного сопротивления, как правило, на порядок выше объемного, т.е. находится в пределах 107 - 1017 Ом, но оно в сильной степени зависит от величины и состояния поверхности (наличия влаги, проводящих веществ) и не является характеристикой материала.

6

Сопротивление изоляции диэлектрика определяется как результирующее двух сопротивлений (Rv и RS), включенных параллельно:

Для диэлектрика с сечением S и толщиной h величина объем-

откуда можно определить v.

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное уменьшение тока со временем (рис. 1.2), после включения постоянного напряжения (замыкания контакта К на рис. 1.1). С течением времени ток достигает некоторой постоянной величины, называемой током сквозной проводимости (Iскв), величина которого определяется наличием в диэлектрике свободных носителей заряда. Снижающаяся со временем часть тока (рис. 1.2) называется током абсорбции (Iабс), обусловленным наличием в диэлектрике замедленных видов поляризации. Этот ток также условно показан на рис.

1.1.

Iабс

Iскв

Рис. 1.2. Зависимость тока в диэлектрике от времени

Объемное сопротивление определяется по формуле

U

Rv= Iскв (1.4)

Электропроводность диэлектриков определяется зарядом свободных носителей (q), их концентрацией (n), подвижностью ( ) и чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что

8

В широком диапазоне температур зависимость ln = f(1/T) состоит из двух прямолинейных участков (рис. 1.4) с различными углами наклона к оси абсцисс. При температуре выше точки перегиба А электропроводность определяется в основном собственными ионами (собственная электропроводность). Ниже перегиба, в низкотемпературной области, зависимость более пологая и определяется наличием в диэлектрике ионов примеси (примесная электропроводность). По углам наклона участков прямых зависимости ln = f(1/T) можно определить энергию активации носителей заряда и их природу.

Некоторые твердые диэлектрики, особенно в области высоких температур, обладают электронной или дырочной проводимостью (титаносодержащие керамические материалы). Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а атомов примесей.

ln

A