Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные физические процессы в проводниках, полупроводниках и диэлектриках. Учебное пособие
.pdf
51
единицы объема диэлектрика будет равен нулю. Во внешнем электрическом поле
такие переходы будут осуществляться преимущественно в направлении поля, и в
объеме диэлектрика индуцируется электрический дипольный момент, т.е. будет
происходить поляризация. Этот вид поляризации существенную роль играет в
поликристаллической керамике типа рутила TiO2, перовскита CaTiO3; в
керамических материалах, изготовленных на основе сложных оксидов титана,
циркония, ниобия, тантала, свинца, церия, висмута; в оксидных полупроводниках.
Следует отметить относительно высокое значение диэлектрической проницаемости,
которое может иметь место при электронно-релаксационной поляризации, а также
наличие максимума в температурной зависимости ε.
3.2.6 Резонансная поляризация наблюдается в диэлектриках при световых
частотах, при совпадении частоты приложенного напряжения с собственной частой
колебания частицы вещества. Резонансная поляризация связана с изменением
диэлектрической проницаемости при изменении частоты (резонансной дисперсией).
Диэлектрическая проницаемость сначала растет, затем резко падает, после чего
снова возрастает и достигает высокочастотного значения. При резонансе сильно
возрастает поглощение электромагнитной энергии.
3.2.7 Миграционная поляризация является дополнительным механизмом
поляризации, проявляющимся в твердых телах неоднородной структурой.
Причинами возникновения такой поляризации являются проводящие и
полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с
различной проводимостью.
3.2.8 Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует только у
группы твердых диэлектриков, обладающих такими же особенностями поляризации,
как и сегнетова соль (NаКС
4Н4O6
·4Н20), а потому получивших название
сегнетоэлектриков.
3.3 Классификация диэлектриков согласно механизмам поляризации
В зависимости от того, как изменяется диэлектрическая проницаемость
52
материала под действием электрического поля, все диэлектрики подразделяют на
Q
Q
Q
U
U
U
-U
-U
-U
ε
ε
ε
E
E
E
а б в
Рисунок 3.5 – Зависимость заряда конденсатора от напряжения для
линейных диэлектриков с мгновенными (а) и замедленными (б)
механизмами поляризации и для нелинейных (в)
линейные и нелинейные.
1) В линейных диэлектриках ε не зависит от напряженности электрического
поля. Для линейных диэлектриков с мгновенными механизмами поляризации
(электронной, ионной) зависимость заряда конденсатора от напряжения показана на
рисунке 3.5 а, для материалов с замедленными, или релаксационными, механизмами
поляризации на рисунке 3.5 б. Площадь эллипса пропорциональна величине
диэлектрических потерь за один период изменения напряжения.
2) У нелинейных диэлектриков ε является функцией поля. Для нелинейных
диэлектриков кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид петли
гистерезиса (рисунок 3.5. в).
Емкость конденсатора с нелинейным диэлектриком становится управляемой
электрическим полем. Поэтому нелинейные диэлектрики можно назвать активными
(управляемыми) диэлектриками.
Линейные диэлектрики можно подразделить на несколько групп, положив в
основу классификации механизмы поляризации.
53
1) Неполярными диэлектриками являются диэлектрики, обладающие в
основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол,
парафин, сера, полиэтилен и др.
2) Полярные (дипольные) диэлектрики – это вещества, имеющие
одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. К ним
относятся эпоксидные компаунды, феноло-формальдегидные смолы, целлюлоза,
кремнийорганические соединения и т. п.
3) Ионные соединения составляют диэлектрики с ионной, электронной, ионнои электронно-релаксационными поляризациями. В этой группе ввиду
существенного различия их электрических характеристик целесообразно выделить
две подгруппы материалов:
– диэлектрики с ионной и электронной поляризациями. К ним
преимущественно относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов,
например: кварц, слюда, каменная соль, корунд (Al2O3), рутил (ТiО2) и др.
– диэлектрики с ионной, электронной и релаксационными поляризациями. К
ним принадлежат неорганические стекла, ситаллы, фарфор, микалекс и
кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке (хлористый
цезий).
3.4 Поляризация линейных диэлектриков в разных агрегатных
состояниях
3.4.1 Поляризация газов. Основной механизм поляризации в газах –
электронная. Диэлектрическая проницаемость различных газов близка к квадрату
коэффициента преломления света и приблизительно равна единице.
Диэлектрическая проницаемость газа пропорциональна давлению и обратно
пропорциональна температуре. Такая зависимость определяется числом молекул в
единице объема газа.
Примеры газообразных диэлектриков: воздух, азот, водород, элегаз SF6 ,фреон
CF2Cl и т.д.
54
3.4.2 Поляризация жидких диэлектриков. Жидкие диэлектрики могут состоять
ε
Т
Рисунок 3.6 – Температурная зависимость диэлектрической проницаемости
неполярной жидкости
из неполярных или из полярных молекул.
1) Неполярные жидкости. Величина относительной диэлектрической
проницаемости неполярных жидкостей определяется электронной поляризацией,
она близка к значению квадрата показателя преломления света и обычно не
превышает 2,5.
Диэлектрическая проницаемость неполярной жидкости зависит от
температуры, т.к. с ростом температуры уменьшается число молекул в единице
объема (рисунок 3.6). Температурный коэффициент диэлектрической
проницаемости жидкости α
по абсолютному значению близок к температурному
ε
коэффициенту объемного расширения жидкости α
и противоположен по знаку.
V
Пример неполярной жидкости – хорошо очищенное конденсаторное масло.
2) Полярные жидкости. Поляризация жидкостей, содержащих дипольные
молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной
поляризациями. Такие жидкости обладают сравнительно большой диэлектрической
проницаемостью. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости в
случае полярных жидкостей имеет более сложный характер, чем в случае
неполярных (см. рисунок 3.4).
55
Значительное влияние на величину ε полярной жидкости оказывает частота.
ε
f
Рисунок 3.7 – Частотная зависимость диэлектрической проницаемости
полярной жидкости
На рисунке 3.7 представлена зависимость ε от частоты для полярной жидкости. При
низкой частоте, когда диполи успевают переориентироваться вслед за изменением
поля, ε близка к значению, определенному при постоянном напряжении. Когда же
частота становится настолько высокой, что молекулы уже не успевают следовать за
изменением поля, диэлектрическая проницаемость уменьшается и ее значение
приближается к величине, обусловленной электронной поляризацией.
Примеры полярных жидкостей вода, этиловый спирт, глицерин.
3.4.2 Поляризация твердых диэлектриков. В твердых телах возможны все
виды поляризации. Диэлектрики, построенные из нейтральных молекул и
обладающие только электронной поляризацией, имеют наименьшее значение
диэлектрической проницаемости. Полярные твердые диэлектрики обладают
дипольно-релаксационной поляризацией. Диэлектрическая проницаемость этих
материалов в большой степени зависит от температуры и частоты приложенного
напряжения, подчиняясь тем же закономерностям что и ε дипольных жидкостей.
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы, обладают
электронной ионной и ионно-релаксационной поляризациями и имеют величину
диэлектрической проницаемости, лежащую в широких пределах. В таблице 3.1
приведены значения диэлектрической проницаемости некоторых твердых
диэлектриков.
56
Таблица 3.1 – Поляризация твердых диэлектриков
Материал
Диэлектрическая
проницаемость
Полярность
Виды поляризации
Парафин
1.9 - 2.2
неполярный
электронная
Полистирол
2.2 - 2.6
неполярный
электронная
Органическое стекло
4.0
полярный
электронная, дипольно-
релаксационная
Фенолоформальдегидная
смола
4.5
полярный
электронная, дипольно-
релаксационная
Каменная соль
6.0
неполярный
электронная, ионная
Титанат кальция
150
полярный
электронная,ионная,
электроннорелаксационная
Сегнетокерамика ВК-3
20000
полярный
электронная,ионная,
спонтанная
Бариевое стекло
10
полярный
электронная,ионная,
ионно-релаксационная
.
2211
xxx
.
2211
3.4 Диэлектрическая проницаемость сложных диэлектриков. Сложные
диэлектрики представляют собой смесь химически невзаимодействующих друг с
другом компонентов с различными диэлектрическими проницаемостями. Их
диэлектрическую проницаемость можно определить на основании уравнения
Лихтенеккера:
(3.7)
Здесь ε,ε1,ε
проницаемости смеси и отдельных компонентов; θ1,θ
компонентов, θ
1+θ2
— соответственно относительные диэлектрические
2
—объемные концентрации
2
= l; x—величина, характеризующая распределение компонентов
и принимающая значения от +1 до –1.
При параллельном включении компонентов (рисунок 3.8, а) х=+1 и выражение
(3.7) имеет вид:
(3.8)
57
При последовательном включении компонентов (рисунок 3.8,б), когда х= –1,
.
1
2
2
1
1
.
2211
а б в
Рисунок 3.7 – Параллельное (а), последовательное (б) и смешанное (в)
расположение компонентов сложного диэлектрика.
(3.9)
Наконец, когда оба компонента распределены хаотически, что имеет место в
ряде интересующих нас технических диэлектриков, например в керамике
(рисунок 3.8,в), уравнение Лихтенеккера после преобразования и подстановки x=0
преобразуется:
lnε=θ1lnε1+ θ2lnε
. (3.10)
2
Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости сложного
диэлектрика определяют на основании дифференцирования уравнения (3.10) по
температуре, что дает:
(3.11)
3.5 Токи смещения и электропроводность диэлектриков
Поляризационные процессы, протекающие в диэлектриках, обусловливают
появление в них поляризационных токов, или токов смещения.
Токи смещения упруго связанных зарядов при мгновенных процессах
поляризации (электронной, ионной) называют мгновенными токами I
мгн
.
58
Токи смещения при различных видах замедленной поляризации (дипольно-
I
I
абс
Iск
t
Рисунок 3.8 – Зависимость плотности тока от времени в диэлектрике,
обладающем различными механизмами поляризации и сквозной
электропроводностью
релаксационной, ионно-релаксационной и др.) называют токами абсорбции I
абc
.
При постоянном напряжение абсорбционные токи протекают только в момент
включения и выключения напряжения; при переменном напряжение они имеют
место в течение всего времени приложения напряжения.
Наличие в диэлектриках небольшого числа свободных зарядов, а также
инжекция их из электродов обуславливает возникновение токов сквозной
электропроводности Iск.
Таким образом, полный ток в диэлектрике (ток утечки), представляет собой
сумму токов смещения и сквозного:
I
= Iсм + Iск ≈ I
ут
абс+Iск
. (3.12)
На рисунке 3.8 показана зависимость от времени плотности тока в
диэлектрике, при приложении постоянного напряжения. Из рисунка видно, что
после установления процессов поляризации через диэлектрик протекает только
сквозной ток.
Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по
сквозному току. При переменном напряжении активная проводимость определяется
59
не только сквозным током, но и активными составляющими поляризационных
,
полут
из
II
U
R
h
S
RV
токов.
Сопротивление диэлектрика, заключенного между двумя электродами, при
постоянном напряжении (сопротивление изоляции Rиз) можно вычислить по
формуле:
(3.13)
где U – приложенное напряжение;
Iут—наблюдаемый ток утечки;
ΣI
– сумма токов, вызванных процессами поляризации.
пол
Сопротивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления
напряжения на величину тока, измеренную через 1 мин. после включения
напряжения, когда устанавливаются все поляризационные процессы.
Для сравнительной оценки объемной и поверхностной электропроводности
разных материалов используют также удельное объемное сопротивление ρ
удельное поверхностное сопротивление ρ
Удельное объемное сопротивление ρ
.
s
численно равно сопротивлению куба с
V
и
V
ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого материала, если ток проходит
через две противоположные грани этого куба. В случае плоского образца материала
при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывают по формуле:
, [Ом·м] (3.14)
где R – объемное сопротивление, Ом;
S – площадь электрода, м2;
h – толщина образца, м.
Удельное поверхностное сопротивление ρ
численно равно сопротивлению
s
квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если
60
ток проходит через две противоположные стороны этого квадрата. Удельное
l
d
Rss
поверхностное сопротивление:
[Ом/□] , (3.15)
где Rs – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно
поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстоянии l.
По удельному объемному сопротивлению можно определи удельную
объемную проводимость γ = 1/ ρ [См
проводимость γ
= 1/ ρs [См].
s
м-1] и соответствен удельную поверхностную
·
Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующего
сопротивлению Rиз, складывается из объемной и поверхностной проводимостей.
3.6 Электропроводность диэлектриков в разных агрегатных состояниях
3.6.1 Электропроводность газов. Газы при напряженности электрического
поля меньше критического обладают малой проводимостью. Свободные носители в
газах(ионы, электроны) возникают в процессе ионизации нейтральных молекул под
действием внешних факторов (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи,
космические лучи радиоактивное излучение, а также термическое воздействие),
либо вследствие ударной ионизации. Одновременно с процессом ионизации
происходит рекомбинация (объединение зараженных частиц в нейтральные
молекулы). В результате одновременно протекающих процессов в газовом
промежутке устанавливается равновесная концентрация носителей. На рисунке 3.9
показана зависимость тока через газовый промежуток от напряжения на электродах.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]