3. Диэлектрические материалы

3.1. Определение, основные свойства

Диэлектрическими материалами являются материалы с высоким удельным сопротивлением (более 10⁹Омсм), с шириной запрещенной зоны более 3эВ, способные к поляризации [5]. Поляризация – это состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема. Способность диэлектриков поляризоваться в электрическом поле определяется относительной диэлектрической проницаемостью

(3.1)

где С_Д – емкость конденсатора с данным диэлектриком; С₀ – емкость того же конденсатора в вакууме.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость:

(3.2)

где ₀ = 8,8510^-12 Ф/м - электрическая постоянная.

Значение  зависит от механизма поляризации диэлектрика.

Наиболее важные виды поляризации:

электронная – смещение орбит электронов относительно атомных ядер в электрическом поле. Время установления поляризации 10^-15с. Встречается у всех диэлектриков;

ионная – смещение относительно друг друга ионов, образующих кристаллическую решетку. Время установления поляризации 10^-13с;

дипольная – поворот дипольных молекул в полярных диэлектриках. Принадлежит к числу медленных видов поляризации.

Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты приложенного напряжения у полярных диэлектриков. Для неполярных диэлектриков, имеющих только электронную поляризацию, характерно то, что  не зависит от частоты электрического поля. Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры (рис. 3.1). Помимо частоты и температуры на диэлектрическую проницаемость может влиять влажность. Так,  гигроскопичных диэлектриков обычно возрастает при увеличении влажности. На практике часто приходится встречаться с композиционными диэлектриками, представляющими смесь двух или большего числа компонентов.

3.1. Графики зависимости диэлектрической проницаемости

от температуры: 1 – для неполярных диэлектриков;

2 – для ионных диэлектриков; 3 – для полярных диэлектриков

Для модели плоского конденсатора, диэлектрик которого состоит из двух сплошных диэлектриков, имеющих различные , запишем:

а) для параллельного соединения ;

б) для последовательного соединения , где_, ₂ – относительные диэлектрические проницаемости компонeнтов; y₁, y₂ – объемные концентрации компонентов (y₁+y₂=1) [7].

Во многих случаях (пластические массы, керамики и т.д.) диэлектрик представляет собой неупорядоченную статистическую смесь компонентов. Для расчета ^* статистической смеси используется формула Лихтенекера, или логарифмический закон смещения: lg^y₁lg₁y₂lg_. Для вспененных пластмасс (пенопласты):

(3.3)

где d_n, d_м – средние плотности вспененного материала и сплошного материала соответственно; _м – диэлектрическая проницаемость сплошного материала.

Реальные диэлектрики обладают конечным значением удельного сопротивления. Причиной этого является наличие подвижных ионов, как основного материала, так и примесей. Значение ионной электропроводности диэлектриков определяется таким же выражением, как и у полупроводников:

=еn, гдеn– концентрация свободных ионов;– подвижность ионов. Ионная электропроводность происходит подобно диффузии по вакантным узлам. Поэтому, используя соотношение ЭйнштейнаD=_Т, можно выразить электропроводность диэлектриков

(3.4)

Электропроводность диэлектриков зависит в основном от быстро диффундирующих примесей, для которых D_n=10^-5...10^-7см²/с. К таким примесям относятся ионы меди, золота, серебра, калия, натрия, водорода. Ионы натрия и водорода при комнатной температуре легко проникают через тонкие пленки, а при высоких температурах – и через стенки кварцевой аппаратуры. Коэффициент диффузии экспоненциально увеличивается с повышением температуры. Поэтому температурная зависимость проводимости диэлектриков

(3.5)

где A – константа, Ө – энергия активации диффузии, такая же, как у собственных полупроводников.

Рассмотренная выше электропроводность является объемной. Однако благодаря неизбежному увлажнению, окислению и загрязнению поверхностных слоев твердых диэлектриков создается заметная поверхностная электропроводность.

В диэлектриках наблюдаются потери энергии приложенного электрического поля. Эти потери называются диэлектрическими. Они возникают как на постоянном, так и на переменном токе. Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряженность поля превышает некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем. В диэлектриках возможны следующие виды пробоя: тепловой, электрический, электрохимический, ионизационный.