fiz_osnovy_elektroniki_КЛ

Диэлектрическая дисперсия – это зависимость ε от f. Диэлектрическая дисперсия может носить релаксационный (ε при ω ) или резонансный характер ( εпри ω ). Здесь рассмотрим релаксационную дисперсию, характерную для поляризованного диэлектрика. Рс – статическая поляризованность; Рд – дипольная поляризованность. Если диэлектрик поляризовать, то после выключения поля поляризованность будет уменьшаться от начального, установившегося значения Рс=Рд(0) по закону:

Рис. 9.13. Частотная зависимость действительной и мнимой составляющих комплексной дипольной восприимчивости

122

называющейся угловой частотой релаксации, длительная восприим-

c

Рис. 9.14. Частотные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь при релаксационной дебаевской дисперсии

123

Эти зависимости представлены на рис. 9.14: = ( c – ) / 2. Максимум tg лежит на

сационные потери занимают значительно более широкую полосу частот, если имеются диполи с разными (рис. 9.15).

Рис. 9.15. Зависимость коэффициента диэлектрических потерь при наличии диполей с различными временами релаксации 1, 2 и 3

Время релаксации сильно зависит от температуры:

W

0 exp , (9.37)

kT

где W – энергия активации диполя.

9.4.4. Резонансные потери

Резонансные потери возникают, когда частота электрического поля приближается к частоте собственных колебаний элементов или ионов (рис. 9.16). Уравнение упругого колебания заряженных частиц в электрическом поле:

где m – масса, r – коэффициент затухания, k – коэффициент упругости связи. В синусоидальном поле комплексная амплитуда смещения частицы:

124

ванный электрический дипольный момент, комплексная диэлектрическая проницаемость

С повышением частоты растет от своего низкочастотного значения н.ч, достигает максимума, затем падает и снова растет, приближаясь к значению (рис. 9.16).

Рис. 9.16. Частотные зависимости и при резонансной дисперсии

125

где Wскв – мощность потери на электропроводность, Wд – дипольная релаксационная, Wрез – резонансная, Wмиг – миграционная, Wион – иони-

зационная, так как W 0 E2 , то

скв Д рез миг ион (9.44)

(но tg не суммируется). В гамма- и рентгеновских диапазонах (>1017 Гц, рис. 9.19), когда сравнима или меньше размера атома, макроскопическая поляризация вещества не происходит, = 1 (потерь нет).

Рис. 9.19. Полный диэлектрический спектр

Начиная с ультрафиолета и видимой области, появляется электрон-

оболочек наблюдаются узкие максимумы (оптические спектры поглощения). В инфракрасном диапазоне начинают смещаться ионы – появляется ионная поляризация, увеличивающая на ион= ион. На частотах резонанса ( o1, o2) наблюдаются максимумы резонансного поглощения. В радиочастотном диапазоне (103 – 1011 Гц) у полярных диэлектриков появляется дипольная поляризация д = д и наблюдаются релаксационные потери. При наличии нескольких типов диполей эти потери могут занимать широкую область частот (3–6 порядков) и слабо зависеть от f. В неоднородных диэлектриках на низких частотах проявляются мигра-

этилена, тефлона, кварца, парафина и т.п. tg во всем диапазоне частот

127

радиоэлектроники tg 10-4. У полярных диэлектриков (полихлорвинил, органическое стекло) в области частот релаксации tgдостигает значений 0,01 0,3, что может привести к недопустимому нагреву.

9.5.Пробой диэлектриков

9.5.1. Основные понятия о пробое

При увеличении Е может произойти резкое увеличение проводимости, но только в узком канале диэлектрика. Явление образования проводящего канала в диэлектриках под действием электронного поля назы-

вается пробоем. Пробой может быть полным (от одного электрода до другого),

неполным и частичным (пробивается лишь газовое включение). У твердых диэлектриков возможен пробой по поверхности, который называется поверхностным пробоем. Минимальное напряжение, приводящее к пробою, называется про-

бивным напряжением (рис. 9.20). В мес-

те пробоя возникает искра, электрическая дуга. Короткое замыкание приводит к уменьшению U, но к росту I. После пробоя в твердых диэлектриках остается след

в виде пробитого, прожженного или проплавленного отверстия, чаще неправильной формы. Повторный пробой происходит обычно по тому же месту.На поверхности образование проводящих следов (треков) называется трекингом. Номинальное напряжение электрической изоляции должно быть меньше Uпр. Отношение Uном/Uпр называется коэф-

фициентом запаса электрической прочности. Значение Uпр тесно связано с временем воздействия напряжения. При кратковременном импульсе пробой происходит при больших напряжениях, чем при постоянном или длительном воздействии. При медленном возрастании напряжения пробивное напряжение называется пробивным статиче-

ским напряжением, а при импульсном воздействии – пробивным им-

пульсным напряжением. Отношение U U пр называется коэффи-

циентом импульса > 1. Uпр растет с увеличением толщины диэлектрика h. Для характеристики диэлектриков применяют понятие пробивной напряженности электрического поля:

называемой электрической прочностью – это один из важнейших параметров диэлектриков.

128

9.5.2.Пробой газов

Ввоздухе в 1 с в 1 см3 образуется 10–20 электронов из-за радиоактивного фона земли. При увеличении Е электроны приобретают энер-

гию W = q Е ( – длина свободного пробега), и если w > wи (wи – энергия ионизации), то (при столкновении с молекулами О2 и др.) ионизируют их и образуют «вторичные» электроны, которые в свою очередь вызывают ионизацию. Получается лавинообразное нарастание числа электронов. Интенсивность этого процесса определяется коэффициентом ударной ионизации , равным числу ионизаций, производимых электроном на единицу длины пути в направлении поля. При этом число электронов у анода, образовавшихся из-за ударной ионизации, на один электрон, вышедший с катода, достигает exp( h), где h – расстояние между электродами. Лавинный пробой стимулируется процессами выбивания электродов из катода ионами. Лавинный пробой процесса сравнительно медленный (> 1 мкс) и не характерен для импульсного напряжения. При лавино-стримерном пробое происходит еще фотоионизация в газе и создается повышенная концентрация носителей заряда (как электронов, так и положительных ионов). Стример – это скопление ионизированных частиц, сильно превосходящее лавину по степени ионизации. Стример распространяется на весь межэлектродный промежуток и происходит пробой.

Электрическая прочность Епр газов сильно зависит от давления (рис. 9.21): при увеличении давления p длина свободного пробега уменьшается, а при малых p уменьшается вероятность столкновения с молекулами. Епр также зависит от расстояния между электродами h: при

129

уменьшении h Епр растет (рис. 9.22), так как уменьшается вероятность столкновения электронов с молекулами.

9.5.3. Пробой твердых диэлектриков

Физическая картина пробоя твердых диэлектриков может быть различна. Вместе с ионизационными процессами к пробою могут приводить вторичные процессы, обусловленные сильным электрическим полем: нагрев, химические реакции, частичные разряды напряжения в результате электрострикции, образование объемных зарядов на границах неоднородных диэлектриков и т.п. Поэтому различают несколько механизмов пробоя твердых диэлектриков: электрический, тепловой,

электрохимический, ионизационный, электромеханический. Элек-

трический пробой обусловлен ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектриков непосредственно под действием электрического поля. Электрическая прочность Епр твердых диэлектриков при электрическом пробое лежит в сравнительно узких пределах 100 1000 МВ/м. Величина Епр обусловлена главным образом внутренним строением диэлектриков (плотность упаковки атомов, прочность их связей) и слабо зависит от температуры, частоты приложенного напряжения, формы и размеров образца (за исключением малых толщин). Характерно очень малое время пробоя – микросекунды и менее.

9.5.4. Тепловой пробой

Обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектриков вследствие диэлектрических потерь (рис.9.23.). Мощность, выделяющаяся в образце диэлектриков емкостью С, при подаче на него напря-

Рис. 9.23. Зависимость мощности, поглощаемой Рп и рассеиваемой Рр образцом диэлектрика, от температуры

130