3

Лекция 17. Диэлектрические материалы

К электроизоляционным материалам или диэлектрикам относятся вещества, имеющие ничтожно малую электропроводность. В радиоэлектронике диэлектрики применяются для изоляции токоведущих частей, создания определённой величины ёмкости в конденсаторах и как конструкционные материалы.

Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры и стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно 10¹² – 10²⁰ Ом * м. Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения; при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры.

Диэлектрик состоит из атомов и молекул. Так как положительный заряд всех ядер молекул равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом электрически нейтральна. Если заменить положительные заряды ядер молекул суммарным зарядом - Q, находящимся в центре «тяжести» положительных зарядов, а заряд всех электронов - суммарным отрицательным зарядом -Q, находящимся в центре «тяжести» отрицательных зарядов, то молекулу можно рассматривать как электрический диполь с электрическим моментом.

Первую группу диэлектриков (N₂, Н₂, 0₂, С0₂, СН₄, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение, т.е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и, следовательно, дипольный момент молекулы равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Под действием внешнего электрического поля заряды неполярныx молекул смещаются в противоположные стороны (положительные по полю, отрицательные против поля) и молекула приобретает дипольный момент.

Вторую группу диэлектриков (Н₂0, NH₃, S0₂, СО, ...) составляют вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т.е.

центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Таким образом, эти молекулы в отсутствие внешнего электрического поля обладают дипольным моментом. Молекулы таких диэлектриков называют полярными. При отсутствии внешнего поля, однако, дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы этого поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент.

Третью группу диэлектриков (NaCI, KC1, КВг,...) составляют вещества, молекулы которых имеют ионное строение. Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. В этих кристаллах нельзя выделить отдельные молекулы, а рассматривать их можно как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. При наложении на ионный кристалл электрического поля происходит некоторая деформация кристаллической решётки или относительное смещение подрешеток, приводящее к возникновению дипольных моментов.

Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, или, иными словами, к поляризации диэлектрика.

Для правильности выбора диэлектрика необходимо знать его электрические, физико-химические и механические характеристики.

Способность диэлектриков изменять свои характеристики в работе под действием влажности, температуры и давления окружающей среды, а также изменения частоты и напряжённости поля, обуславливают нестабильность выходных параметров электронной аппаратуры. Поэтому очень важно знать характеристики диэлектриков и влияние внешних факторов на эти характеристики.

К электрическим характеристикам диэлектриков относятся: диэлектрическая проницаемость, электропроводность или удельное эл. сопротивление, диэлектрические потери, выражаемые тангенсом угла диэлектрических потерь и электрическая прочность. Значения этих характеристик определяются способностью диэлектриков к поляризации.

Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике.

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т.е. приобретает отличный от нуля дипольный момент p_v= Σp_i, где p_i - дипольный момент одной молекулы. Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной –

поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика:

P= p_v /V = Σp_i / V.

Из опыта следует, что для большего класса диэлектриков поляризованность Р линейно зависит от напряженности поля Е. Если диэлектрик изотропный и Е не слишком велико, то

P = χ ε_о Е,.

где χ - диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства диэлектрика; χ - величина безразмерная; притом всегда χ >0 и для большинства диэлектриков (твердых и жидких] составляет несколько

единиц (для спирта χ =25, для воды χ =80).

Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электрическое поле Ео пластину из однородного диэлектрика, расположив ее так, как показано на рис.17.1.

Рис. 17.1. ???

?

Под действием поля диэлектрик поляризуется, т.е. происходит смещение зарядов; положительные смещаются по полю, отрицательные - против поля. В результате этого на правой грани диэлектрика, обращенного к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью + σ ', на левой -отрицательного заряда с поверхностной плотностью - σ '. Эти нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика называются

связанными. Так как их поверхностная плотность σ ' меньше плотности σ свободных зарядов плоскостей, то не всё поле Е компенсируется полем зарядов диэлектрика; часть линий напряженности пройдет сквозь диэлектрик, другая же часть - обрывается на связанных зарядах. Следовательно, поляризация диэлектрика вызывает уменьшение в ней поля по сравнению с первоначальным внешним полем. Вне диэлектрика Е=Ео.

Таким образом, появление связанных зарядов приводит к возникновению дополнительного электрического поля Е', которое направлено против внешнего поля Ео и ослабляет его. Результирующее поле внутри диэлектрика Е = Е_о- Е':

Поле Е' = σ ' / ε_о, поэтому

E = E_o - σ ' / ε_о

Напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна :

Е = Е_о/(1 + χ) =Е_о / ε.

Безразмерная величина: ε = 1 + χ называется диэлектрической проницаемостью среды она показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, и характеризует количественно свойство диэлектрика поляризоваться в электрической поле.

Поляризация диэлектриков.

Поляризацией называется процесс смещения электрических зарядов под действием сил внешнего и внутреннего электрических полей. В результате поляризации диэлектрика в нём создаётся внутреннее электрическое поле, противоположное к внешнему полю, вызвавшему эту поляризацию.

Характерной особенностью диэлектрика является способность поляризоваться в электрическом поле. Сущность поляризации заключается в смещении связанных электрических зарядов под действием поля. Смещенные заряды создают собственное внутреннее электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему. Мерой поляризации является диэлектрическая проницаемость ε. Она оценивается отношением емкостей С_д/С_о конденсатора. Емкость С_д определяется, когда между пластинами конденсатора находится диэлектрик, а ёмкость Со - когда вместо диэлектрика - вакуум. В твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько видов поляризации, которые в сумме определяют величину ε и её зависимость от температуры и частоты поля. Конструкционные диэлектрики общего назначения имеют небольшое значение ε - до 10-12. Диэлектрики, которые используются в конденсаторах, должны иметь высокие значения ε , чтобы увеличить ёмкость конденсатора. У конденсаторных диэлектриков ε меняется от 12-15 до 100000. Наиболее важными видами поляризации являются электронная, ионная, дипольно-релаксационная и самопроизвольная (спонтанная).

Качественно поляризация выражается величиной, которая равна пределу отношения электрического момента объёма диэлектрика к значению этого объёма, когда оно стремится к нулю.



Р = lim dM/dV dV0.

Степень поляризации может быть оценена также увеличением ёмкости конденсатора.

Если конденсатор, диэлектриком которого является воздух, присоединён к источнику синусоидального напряжения U, то запасаемый им заряд Q будет равен:

Q = C_oU, где С_о = А/d* _o,

С_о – вакуумная ёмкость конденсатора, А – поверхность пластин, d – расстояние между пластинами, _o – диэлектрическая проницаемость вакуума = 1/ 36 10¹¹ ф/см.

Если конденсатор заполнен диэлектриком, то его ёмкость возрастает до величины С, которая будет равна:

С =  С_о или  = С/С_о ,

где  - относительная диэлектрическая проницаемость.

В зависимости от природы электрических зарядов и структуры молекул, существуют различные механизмы поляризации.

Почему же диэлектрик увеличивает емкость?

Будем считать, что заряд на пластинах при введении диэлектрика не изменился и остался равным Q. Для увеличения емкости необходимо уменьшение U в  раз, т.е. ослабление поля между пластинами.

В диэлектрике нет свободных зарядов. Но можно полагать, что он состоит из связанных между собой положительных и отрицательных зарядов.

Под воздействием электрического поля может измениться взаимная ориентация положительного и отрицательного зарядов, например небольшой сдвиг в пределах одного кристалла. По-прежнему внутри диэлектрика сумма положительных и отрицательных зарядов будет равна нулю, но на поверхности диэлектрика заряд останется нескомпенсированным (рис. 133), а именно поверхностный заряд диэлектрика имеет плотность _пол.=Nq,

где  - расстояние, на которое сместились заряды в диэлектрике; N - концентрация зарядов, q = e - заряд электрона.

Величина _пол. - называется вектором поляризации и обозначается P. Поле между пластинами теперь зависит и от заряда Q, и от поля, создаваемого зарядами диэлектрика

Величина поляризации зависит от электрического поля: чем больше E, тем больше расстояние , больше P…..

Таким образом,

где введенный коэффициент  называется диэлектрической восприимчивостью.

Итак, процессы в конденсаторе характеризуются способностью диэлектрика к поляризации, то есть к взаимному смещению положительных и отрицательных зарядов в пространстве.

Мы стремимся создавать конденсаторы, обладающие большой емкостью при малом объеме V. Для этого надо повысить удельную емкость конденсатора

,

(где 0,0884 = ₀)

Для увеличения С_уд. можно:

1. уменьшать d, но при этом растет напряженность поля в диэлектрике и опасность его пробоя;

2. увеличивать , выбирая соответствующие материалы.

Под воздействием электрического поля в диэлектрике происходит поляризация, т.е. ограниченное перемещение зарядов в теле диэлектриков.

Существует несколько видов поляризации отличающиеся своим механизмом и свойствами.

1. Электронная поляризация(рис. 17.3).

Рис. 17.3.

Это взаимное смещение электронов и ионов внутри атома. Центр орбиты электрона смещается на расстояние, которое зависит от напряженности поля E, m_e и резонансной частоты атома. Электронная поляризация вызывается деформацией электронных оболочек атомов. Электроны смещаются почти мгновенно время установления поляризации ничтожно мало (10^-15 с), и поэтому она не зависит от частоты.

 = 1 + 4n

где n – концентрация частиц ( атомов и молекул) в диэлектрике,  - электронная поляризуемость – зависит от структуры молекулы или атома.

Свойства:

1. Электронная поляризация зависит от T^o К (т.к. при нагреве тела

ТК_ε = d/dT*1/

расширяются, падает концентрация зарядов);

2. Электронная поляризация не зависит от частоты (т.к. смещение зарядов происходит за _n=10^-15 с, поэтому запаздывания поляризации по отношению к изменению электрического поля не наблюдается).

3. Электронная поляризация происходит без потерь энергии (как бы упругая деформация), в диэлектрике имеется только емкостная составляющая тока.

2. Ионная поляризация - это смещение ионов в пределах кристаллической решетки. Наблюдается в твердых телах с ионной кристаллической решеткой. Смещение токов происходит по малым расстояниям за счет упругой деформации решетки. Ионная поляризация возникает при упругом смещении ионов на расстояния, не превышающие межионные. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные ионы - в сторону отрицательного. Время установления ионной поляризации очень мало ( 10^-13 с), и ε также не зависит от частоты.

Свойства ионной поляризации

• TK при ионной поляризации положителен, т.к. связи между ионами ослабевают с ростом температуры, что облегчает их смещение в электрическом поле;

• не зависит от частоты, т.к. _n=10^-13 сек;

• происходит без потерь.

3. Дипольная поляризация

Во многих веществах молекулы обладают дипольным моментом в отсутствие электрического поля, но сориентированы моменты хаотично и сумма моментов диполя = 0.

В газе или жидкости при E0 диполи начинают ориентироваться в поле. Кроме того, поле растягивает диполи. В твердых диэлектриках поворот молекул невозможен, во входящих в состав молекул дипольные группы могут ориентироваться без отрыва от молекул. Все закономерности дипольной поляризации при этом сохраняются.

Свойства дипольной поляризации:

• вектор поляризации пропорционален квадрату дипольного момента молекулы P:;

• 

• дипольная поляризация зависит от T^o К (из-за тепловой подвижности молекул);

• сильно зависит от частоты, т.к. диполи имеют определенную инерцию;

• на дипольную поляризацию затрачивается энергия.

Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных диэлектриках. Повороты диполей существенно меняют ε. У неполярных диэлектриков ε немного больше 2, у полярных - в несколько раз больше. Повороты диполей при наложении поля и возвращение диполей к неупорядоченному состоянию после снятия поля требуют преодоления некоторого сопротивления молекулярных сил. Эта поляризация появляется и исчезает значительно медленнее электронной или ионной поляризации.

4.Ионно-релаксационная поляризация.

Это переброс в твердом диэлектрике на другое место слабо закрепленных в решетке ионов. Это происходит при достаточной тепловой подвижности ионов, когда они отрываются от своего места в решетке и закрепляются в другом, недалеко от своего места. Свойства ионно-релаксационной поляризации близки к свойствам дипольной поляризации.

При нагреве диэлектрическая проницаемость ε изменяется, температурный коэффициент ε (ТКε ) принимает значения от-1300 до +3000*10^{-6 0}C^-1. Отрицательный Ткε имеют диэлектрики с электронной поляризацией, при нагреве увеличивается их объем и соответственно уменьшается плотность зарядов. Диэлектрики с ионной поляризацией имеют положительный Ткε. При нагреве поляризация увеличивается вплоть до верхней границы рабочего интервала температур. Это объясняется ослаблением притяжения между ионами и увеличением их смещения. Особенно сильно повышается поляризация, когда ионы начинают смещаться на расстояния больше межионных. В этом случае поляризация зависит от частоты, устанавливается медленно - за 10^-5 – 10^-3 с и называется ионно-релаксационной.

Изменения дипольно-релаксационной поляризации при нагреве определяются соотношением межмолекулярного притяжения и теплового движения. Ослабление притяжения облегчает ориентацию диполей, а усиление теплового движения ей мешает. В связи с этим поляризация сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается.

5.Миграционная поляризация.

Имеет место в двух- и многослойных диэлектриках, обладающих разными . Характеризуется большой инертностью и потерями.

6. Доменная поляризация (самопроизвольная поляризация) наблюдается только у одного класса диэлектриков - сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже определенной температуры, которую называют точкой Кюри, самопроизвольно, без внешних воздействий, возникает поляризация. Объем сегнетоэлектрика разбивается на домены, в каждом из которых вещество сильно поляризовано. В отсутствие поля домены расположены беспорядочно, и суммарная поляризация равна нулю. При наложении поля поляризация увеличивается нелинейно благодаря переориентации поляризации доменов. При циклическом изменении поля от + Е до - Е возникает петля гистерезиса. Когда напряженность поля возрастает, поляризация достигает насыщения; при этом ε увеличивается до максимального значения и вновь уменьшается. По аналогии с ферромагнетиками напряженность поля Е_с, при которой меняется направление поляризации, называется коэрцитивной силой. Когда Е_с, < 1 МВ/м, сегнетоэлектрик является мягким; когда Ес > 1 МВ/м, материал жесткий. Известно около 500 сегнетоэлектриков. Они принадлежат к классу активных диэлектриков, которые используются для генерации и преобразования электрических сигналов. Между электрическими, механическими, тепловыми и другими свойствами сегнетоэлектриков существуют нелинейные зависимости. Значения свойств вблизи точки Кюри имеют максимумы или минимумы. В частности, максимальное значение ε достигается около точки Кюри.

Доменная поляризация характерная для твердых диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками у которых имеются области - домены, представляющих собой диполи (сегнетовая соль, титанат бария BaTiO₃ и др. из них изготавливают специальную конденсаторную керамику)

При поляризации зависимость P=E имеет интересную особенность:  является функцией поляризации и возрастает с увеличением поляризации, т.е. если растет поле, растет , а в свою очередь поляризация и т.д.  у сегнетоэлектриков до 10³  10⁴.

Рис. 17.4.

Свойства:

•  зависит от T^o К;

•  = f(E);

•  = f(частоты);

• потери при доменной поляризации весьма велики.

7. Остаточная поляризация.

Характерна для веществ, называемых электретами. Эти вещества способны сохранять поляризованное состояние и при снятии электрического поля.

8.Высоковольтная поляризация характеризуется очень высокими временами установления (несколько часов) и созданием в диэлектрике сильных локальных зарядов и против - ЭДС диэлектрика. Это поляризация не проявляется на высоких частотах и при повышенных температурах.

Электропроводность.

Электропроводимость твердых диэлектриков связана с появлением в них свободных ионов или электронов. В диэлектриках электропроводность в основном обусловлена перемещением ионов основного материала и ионов примесей. Основное значение имеет ионная проводимость, обусловленная примесями. Электропроводимость диэлектрика подразделяют на объемную (сквозную) и поверхностную. Каждая из них характеризуется своим удельным электрическим сопротивлением - объемным ρ_v (Ом*м) и поверхностным p_s (Ом).

Примесная проводимость имеет место в при низких температурах, а собственная – при высоких. Общая электропроводность диэлектрика будет складываться из примесной и собственной проводимостей.

Диэлектрики имеют высокое удельное объемное электрическое сопротивление (ρ_v = >10¹² Ом*м). При нагреве оно понижается в результате роста подвижности ионов. Поверхностное электрическое сопротивление p_s зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и состояния его поверхности и влажности среды. Поверхностная проводимость тока тем меньше, чем чище поверхность и меньше полярность вещества. По своему отношению к влаге диэлектрики подразделяются на гидрофильные – смачивающиеся водой ( слюда, керамика, канифоль) и гидрофобные – несмачивающиеся водой ( парафин, полистирол, церезин, каучук и др.).

Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую плёнку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его объемное электрическое сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностного электрического сопротивления поверхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, применяют разнообразную обработку поверхности диэлектрика – промывку растворителями; прокаливание при 700^о с, пропитывают поверхность парафином, покрывают поверхность , используя для этого покрытия – лаки ( например, кремнийорганические лаки ) и эмали.