5. Физические свойства диэлектриков

Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойствами которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электрического поля. Поляризация это – процесс смещения и упорядочения связанных зарядов под действием внешнего электрического поля. К диэлектрикам относятся материалы, у которых ширина запрещенной зоны превышает 3 эВ.

К пассивным диэлектрическим материалам относятся материалы, в которых диэлектрическая проницаемость не зависит от напряженности внешнего электрического поля. Эти диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков в конденсаторах.

Активные диэлектрики – это диэлектрики, в которых наблюдается заметная нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности внешнего электрического поля. Поэтому активными называют диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий. Активные диэлектрики позволяют осуществлять генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, преобразование информации.

К числу активных диэлектриков относятся сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электреты и материалы квантовой электроники, жидкие кристаллы и др.

Основными параметрами и характеристиками диэлектрических материалов являются диэлектрическая проницаемость ε, удельное сопротивление ρ, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, электрическая прочность E_пр.

5.1. Диэлектрическая проницаемость и виды поляризации диэлектриков

Для характеристики способности различных материалов поляризоваться в электрическом поле служит относительная диэлектрическая проницаемость ε. Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащим данный диэлектрик, к заряду Q₀, который можно было бы получить, если бы между электродами находился вакуум

, (5.1)

где Q_g – заряд, который обусловлен поляризацией диэлектрика.

Из выражения следует, что ε любого вещества больше единицы и равно единице только в вакууме.

Относительную диэлектрическую проницаемость можно определить как отношение емкости конденсатора с диэлектриком Сq к емкости конденсатора в вакууме С₀ ε = Сq/ С₀.

При этом емкость конденсатора С определяется из выражения

С = ε₀^. ε ^. S/h , (5.2)

где S – площадь электродов конденсатора; h – расстояние между электродами; ε_о – электрическая постоянная, равная 8,854 ^. 10^-12ф/м.

Величина емкости конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд, а значит, и диэлектрическая проницаемость обусловливаются различными видами поляризации, которые в зависимости от структуры диэлектрика разделяются на два вида:

- поляризации, совершающиеся в диэлектрике под действием электрического поля мгновенно, без рассеивания энергии, т.е. без выделения тепла – это электронная и ионная поляризации;

- поляризации, совершающиеся под действием электрического поля не мгновенно, а нарастают и убывают замедленно и сопровождаются рассеиванием энергии – это дипольно-ре-лаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релак-сационная, миграционная (структурная) и спонтанная поляризации.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение электронных оболочек атомов и ионов. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков на всех частотах, вплоть до 10¹⁴-10¹⁶ Гц. Этот вид поляризации характерен для неполярных органических диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость материалов с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света ε = n².

Ионная поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов на расстояние, меньше периода решетки. Этот вид, поляризации характерен для твердых тел с ионной структурой.

Дипольно-релаксационная поляризация обусловлена тем, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются под действием внешнего электрического поля. Поворот диполей в направлении поля требует некоторого сопротивления, поэтому этот вид поляризации связан с потерями энергии и нагревом материала. Процесс установления дипольной поляризации после включения электрического напряжения и процесс ее исчезновения после снятия напряжения требует определенного времени.

После снятия электрического поля ориентация частиц постепенно ослабевает. Поляризованность диэлектрика ρ_др от времени t выражается по формуле

P_др(t) = P_др(0)exp(-t/τ), (5.3)

где t – время, прошедшее после выключения электрического поля; τ – постоянная времени (время релаксации).

Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных диполей уменьшается в 2,7 раз от первоначального состояния после снятия электрического поля. Дипольно-релаксационная поляризация характерна для полярных жидкостей и твердых полярных органических диэлектриков. Но в последних поляризация обусловлена поворотом не самой молекулы, а полярных радикалов по отношению к молекуле или смещением отдельных фрагментов макромолекулы.

Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабо связанных ионов под действием электрического поля на расстояние, превышающее постоянную решетки. После выключения электрического напряжения ионы постепенно возвращаются в исходное состояние к центрам равновесия в течение определенного времени. Поэтому этот вид поляризации можно отнести к релаксационной. На преодоление взаимодействия ионов при их ориентации расходуется энергия электрического поля, которая рассеивается в виде тепла. Ионно-релаксационная поляризация проявляется в диэлектриках с ионной структурой с неплотной упаковкой ионов, например в неорганических стеклах, и в некоторых кристаллических материалах.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбуждения тепловой энергией избыточных дефектных электронов и дырок. При этом наблюдается относительно высокое 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 рис. 5.1 представлена частотная зависимость диэлектрической проницаемости  при различных видах поляризации.

Из рисунка видно, что каждый вид поляризации и диэлектрическая проницаемость, характерная для этого вида поляризации, существуют в определенной области частот.

Резонансные явления

Рис. 5.1. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости  при различных видах поляризации: _м – миграционной; _р - дипольно- и ионно-релаксационных; _и, _э – резонансных видов поляризаций

Диэлектрическая проницаемость при любом виде поляризации зависит от температуры и характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости _, выраженной в К^-1

. (5.4)

На рис. 5.2 приведены графики изменения  при электронной, ионно-релаксационной и дипольно-релаксационной поляризациях

Рис. 5.2. Кривые температурной зависимости диэлектрической проницаемости при электронной (_э), дипольно-релаксационной (ε_др) и ионно-релаксационной (ε_ир) поляризациях

Из рисунка видно, что при электронной поляризации  почти не изменяется при нахождении вещества в одном агрегатном состоянии, но резко снижается при переходе из одного агрегатного состояния в другое. При замедленных видах поляризации диэлектрическая проницаемость возрастает с ростом температуры в твердом состоянии материала, что обусловлено увеличением подвижности поляризуемых частиц. В жидком состоянии диэлектрическая проницаемость уменьшается, так как превалирующее значение приобретает движение молекул, а не ориентирующее действие поля.

В зависимости от влияния электрического напряжения на относительную диэлектрическую проницаемость все диэлектрические материалы подразделяют на линейные и нелинейные. На рис. 5.3 приведена зависимость заряда конденсатора Q от напряжения U_и и диэлектрической проницаемости  от Е (Е=U/n) для линейных диэлектриков с малыми потерями и для нелинейных диэлектриков. Емкость конденсатора с линейным диэлектриком зависит только от его геометрических размеров, а в нелинейных она становится управляемой электрическим полем. Поэтому в классификации диэлектриков линейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, а нелинейные к активным (управляемым).

Рис. 5.3. 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.;

• ионные соединения – это твердые неорганические диэлектрики с ионной, электронной, ионно-релаксационной поляризациями (стекла, керамика).

Ввиду существенного различия электрических характеристик 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.