_I

I 111 111

1	II
1	1

Диэлектрические материалы используют в электротехнике в ос­новном для создания электрической изоляции, например, у прово­дов и кабелей, а также для электрической емкости конденсаторов.

Основные электрические характеристики этих материалов — диэлектрическая проницаемость е, удельное объемное сопротивле­ние р, удельное поверхностное сопротивление р,_ диэлектрические потери tg5, электрическая прочность Е_пр — в конечном счете опре­деляются механизмом и расстоянием смещения связанных заря­женных частиц, а также концентрацией и подвижностью свободных зарядов, т.е. поляризацией и электропроводностью, соответствен­но. Электропроводность и некоторые виды поляризации вызывают диэлектрические потери. Электропроводность диэлектриков в сла­бых полях не зависит от увеличения напряженности электрическо­го поля Е (соблюдается закон Ома), а в сильных полях возрастает с увеличением Е. При дальнейшем увеличении Е наступает пробой, и диэлектрик утрачивает свои электроизоляционные свойства. Для изотропных диэлектриков значения этих характеристик не зависят от направления кристаллографических осей, у анизотропных — за­висят.

Кроме электрической нагрузки, диэлектрик в процессе эксплуа­тации может подвергаться повышенному тепловому и механическо­му воздействию. В ряде случаев ему приходится работать в условиях высокой влажности (погруженным в воду), в химически агрессивной среде и т.п. Поэтому при выборе диэлектрического материала руко­водствуются не только его электрическими свойствами, но и механи­ческими, химическими и другими, которые рассматриваются в гл. 2-6.

Глава 2

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

2.1. Определения и основные понятия

;'. 2.1.1. Физическая сущность поляризации диэлектриков

В отсутствие внешнего электрического поля все связанные и сво­бодные заряженные частицы диэлектрика, а также его полярные молекулы (диполи) расположены таким образом, что общий элек­трический дипольный момент всех микроскопических объемов, за­нимаемых этими частицами, равен или близок нулю. Под действием приложенного электрического поля все заряженные частицы смеща­ются из своих равновесных положений на ограниченные расстояния. Положительные заряды смещаются в направлении вектора внешнего поля, а отрицательные — в обратном направлении, образуя диполи. Имеющиеся диполи ориентируются по полю. Возникает поляриза-42

1 _я диэлектрика, и его результирующий дипольный момент всех _аИкрообъемов становится отличным от нуля. В таком состоянии ди­электрик называют поляризованным.

Поляризация — это такое явление, когда под действием внешнего электрического поля происходит ограниченное смещение связанных заряженных частиц и некоторое упорядочение в расположении ди­полей, совершающих хаотическое тепловое движение, в результате чего в диэлектрике образуется результирующий электрический ди­польный момент.

В поляризованном диэлектрике связанные разноименно заря­женные частицы после смещения из своих равновесных положений на ограниченные расстояния остаются в поле взаимодействия друг с другом. Возникающие при этом в каждом микрообъеме заряды на­зывают связанными зарядами; это заряды самого диэлектрика, они являются неотъемлемой его частью.

Рассмотрим подробнее образование результирующего дипольно-го момента в поляризованном диэлектрике, а также основные его электрические параметры. При поляризации каждый микрообъем диэлектрика, занимаемый поляризуемой частицей, приобретает ин­дуцированный электрический дипольный момент р₀. Линейные размеры этих микрообъемов малы и составляют тот же порядок, что и разме­ры самих частиц — несколько ангстрем А (А = 10~¹⁰ м). Под поляри­зуемой частицей диэлектрика, в зависимости от его строения, будем понимать: у органических материалов — молекулы (в том числе по­лярные) и образующие их атомы (ионы); у полимеров — полярные группы, ответвления и сегменты макромолекул; у неорганических материалов — ионы; у реальных диэлектриков, а также материалов, имеющих неоднородный химический состав, — ловушки, локализо­ванные на дефектах структуры и на границе раздела фаз. Механизмы поляризации этих частиц подробно рассматриваются в гл. 2.3.

(2.1)

Индуцированный дипольный момент/>„, измеряемый в Клм, ка­ждого микрообъема диэлектрика пропорционален напряженности электрического поля Е, действующего на этот микрообъем {локаль­ное поле):

Ро =

где а — коэффициент пропорциональности (поляризуемости) дан­ного микрообъема (данной частицы). Иногда в качестве единицы из-^МеРения p_Q используют дебай (D); ID = 3,33 • Ю"³⁰ Клм.

Поляризуемость а — важнейший микроскопический электриче-^кий параметр диэлектрика. У изотропных диэлектриков а является ^скалярной величиной. Размерность а в СИ представлена следующим ^обРазом:

. , Клм Кл ■> _л ,

(2.2)

43

[а] = = м~ = Фм².

В/м В

_i

„_ас г 1. Схематическое изображе-места образования связанных ^ _и сторонних <2оЫ зарядов и ■Гяикновения среднего макроско-ческого поля Е в диэлектрике !!vreM суперпозиции внешнего по-я En и поля Е_сз, образованного по-еохностными связанными заряда­ми (Дополнительно см. рис. 2.2. 6)

1
I
i

В ряде случаев используют геометрическую поляризуемость р, являющуюся отно­шением поляризуемости а к электрической постоянной е„ (е₀ = 8.854- 10~'²Ф/м);

(2.3)

(5 = а/е„ = />„/ _£о£". Размерность геометрической поляризуемости р в единицах СИ -

2

[р] =

■ = м .

(2.4)

Фм Ф/м

Таким образом, размерность р совпадает с размерностью объема поляризуемой частицы.

Количественной мерой поляризации единицы объема диэлектри­ка служит поляризованность Р, являющаяся векторной суммой инду­цированных дипольных моментов р₀ всех (п) частиц (микрообъемов)

диэлектрика:

п

Р = £р₀ =лр_о=жхЕ'. (2.5)

i=i

В СИ формула (2.5) имеет вид Р = е_олаЕ'. Поляризованность Р идентична электрическому дипольному моменту, приходящемуся на 1 м³ диэлектрика (Кл-м/м³ = Кл/м²). По своему значению Р совпада­ет с поверхностной плотностью связанных зарядов 0, Кл/м² (Р = а), возникающих при поляризации диэлектрика на его поверхностях, обращенных к электродам (подробнее см. ниже). Направление век­тора Р совпадает с направлением дипольного момента частиц: от от­рицательного заряда — к положительному.

У большинства изотропных диэлектриков (исключение составля­ют сегнетоэлектрики) в области слабых электрических полей поля­ризованность Р линейно зависит от напряженности электрического поля Е, действующего в диэлектрике:

(2.6)

Р = (е-1)8₀Е.

Поэтому такие диэлектрики называют линейными. У сегнетоэлек-триков, входящих в группу активных диэлектриков (см. гл. 7.15), за­висимость Р от Е нелинейная (Р = (е — 1)/е₀Е), поэтому их называ­ют еще нелинейными диэлектриками.

Формула (2.5) выражает зависимость макроскопического электри­ческого параметра Р диэлектрика от его микроскопического парамет­ра р₀ (а и п), а формула (2.6) — зависимость макроскопического пара­метра Р от макроскопических же параметров Е и е. Эти две формулы являются исходными для теории диэлектрической поляризации.