Виды поляризации диэлектриков

Лекция №3

Жидкие диэлектрические материалы................................................................. 59

Твердые органические диэлектрические материалы......................................... 60

Неорганические диэлектрические материалы................................................... 66

Керамические материалы................................................................................... 70

3.3. Конденсаторы...................................................................................................... 72

Классификация конденсаторов по различным признакам................................ 73

Варианты конструкций конденсаторов............................................................. 74

Деление конденсаторов по виду диэлектрика и система обозначений............. 77

Контрольные вопросы............................................................................................. 80

ДИЭЛЕКТРИКИ

Свойства и количественные параметры диэлектриков

Диэлектриком называется вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле.

Как и всякое вещество в природе, диэлектрик состоит из атомов и молекул, положительные и отрицательные заряды которых связаны достаточно большими силами электростатического взаимодействия, т.е. для диэлектрика характерно наличие сильно связанных зарядов и отсутствие свободных зарядов, способных обеспечивать электропроводность.

Поляризация

Под действием внешнего электрического поля напряженностью Е происходит смещение связанных зарядов относительно своих устойчивых положений, т.е. происходит ориентация зарядов внешним электрическим полем. Это явление называется поляризацией. В результате в объеме диэлектрика возникает внутреннее электростатическое поле Евн, обусловленное заряженными частицами самого вещества (рисунок.3.1), а суммарное поле в диэлектрике:

ЕД = Е - Евн > 0 (3.1)

При отсутствии внешнего поля каждый элемент объема, содержащий достаточно большое число молекул, не имеет электрического момента из-за разупорядоченной ориентации электрических моментов отдельных молекул. Под действием внешнего электрического поля за счет упорядочения расположения зарядов молекул в пространстве каждый элементарный объем диэлектрика будет иметь электрический момент, отличный от нуля и равный сумме электрических моментов всех поляризованных молекул диэлектрика, находящихся в этом объеме. Таким образом, электрическая поляризация — это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема вещества отличен от нуля.

а – при отсутствии внешнего поля; б – при помещении в электрическое поле

Рисунок 3.1 - Расположение зарядов в диэлектрике

Диэлектрики по механизму поляризации делятся на линейные и нелинейные.

Линейными диэлектриками (или пассивными), называются диэлектрики, в которых поляризация возникает только под действием электрического поля, и применяются в технике в качестве электроизоляционных материалов, в конденсаторах и в конструкционных изделиях или деталях.

К нелинейным диэлектрикам относятся:

- диэлектрики, которые поляризуются благодаря механическому воздействию, называются пьезоэлектриками, а явление - пьезоэлектрическим эффектом.

- диэлектрики, в которых возникает самопроизвольная поляризация в определенном интервале температур, называются сегнетоэлектриками, а явление поляризации - спонтанным.

Пьезоэлектрики и сегнетоэлектрики относятся к классу активных диэлектриков, т.к. их свойствами можно управлять с помощью внешнего воздействия.

К этому же классу (нелинейных диэлектриков) относятся диэлектрики с особыми оптическими свойствами, способные сохранять поляризованное состояние и создающие тем самым электрическое поле в окружающем пространстве после снятия внешнего поля.

Для количественной оценки степени поляризации диэлектрика пользуются макроскопической характеристикой, называемой диэлектрической проницаемостью ε. Различают абсолютную диэлектрическую проницаемость ε* и относительную, или просто диэлектрическую проницаемость ε.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость есть величина, характеризующая способность диэлектрика образовывать электрическую емкость; ее размерность - [Ф/м].

Связь между абсолютной и относительной диэлектрической проницаемостями определяется соотношением ε*=ε∙εо, где εо- электрическая постоянная, характеризующая электрическое поле при отсутствии его взаимодействия с веществом, т.е. она характеризует электрическое поле в вакууме:

ε_о=8,85*10^-12Ф/м = 8,85 пф/м

1. Относительная диэлектрическая проницаемость ε является безразмерной

величиной и определяется соотношением

ε=ε*/ε_о, (3.2)

2. С точки зрения существования внутреннего электростатического поля в диэлектрике относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз ослабляется поле в диэлектрике по сравнению с полем в вакууме при одинаковое заряде, создающем это электрическое поле, т.е.

ε=Е/Е_д=Е/(Е-Е_вн) (3.3)

3. Следующее определение диэлектрической проницаемости вытекает из рассмотрения конденсатора, к пластинам которого приложено постоянное напряжение, а между обкладками вносится диэлектрик (рисунок 3.2).

а – без диэлектрика; б – с диэлектриком

Рисунок 3.2 – Схема включения конденсатора

При отсутствии диэлектрика между обкладками конденсатора, на них от источника U0накапливается свободный заряд Qo, и емкость конденсатора (рисунок 3.2, а) определяется соотношением:

C0=Q0/U₀ (3.4)

При внесении между обкладками конденсатора диэлектрика (рисунок 3.2, б) в нем за счет поляризации образуется связанный заряд Qсв, который уменьшает напряженность электрического поля между обкладками до значения ЕД.

Однако, напряженность поля в соответствии с выражением Е=U/d определяется только геометрией конденсатора и напряжением внешнего источника. Следовательно, уменьшение напряженности поля в конденсаторе должно компенсироваться. Это происходит за счет натекания на обкладки от источника U0дополнительного заряда, обратного по знаку Qсв. В таком случае емкость конденсатора с диэлектриком будет определяться соотношением

С= (Qo+Qсв)/U₀ (3.5)

Из (3.4) и (3.5) следует, что Сд > C0за счет наличия диэлектрика между обкладками конденсатора. Это неравенство тем больше, чем выше степень поляризации диэлектрика, характеризуемая диэлектрической проницаемостью ε.

Отношение емкости конденсатора с диэлектриком к емкости конденсатора без диэлектрика количественно характеризует способность диэлектрика поляризоваться, что выражается в увеличении емкости конденсатора с диэлектриком:

ε= Сд /C0=(Qo+Qсв)/U₀* (U₀ /Qo)=(1+ Qсв/Qo) (3.6)

Следовательно, относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора с диэлектриком по сравнению с емкостью конденсатора того же размера без диэлектрика.

Диэлектрическую проницаемость можно рассчитать по экспериментально измеренной емкости, используя для расчета выражение для емкости плоского конденсатора, зная его геометрические размеры:

С=( ε ε₀ S)/d, (3/7)

где S- площадь обкладки конденсатора; d- расстояние между обкладками.

С другой стороны, при заданных размерах конденсатора, т.е. Sи dможно, изменяя материал диэлектрика (ε), получить требуемое значение емкости.

Таким образом, для получения конденсатора максимальной емкости при минимальных размерах нужен диэлектрический материал с большим значением ε, а для изоляции проводов и радиодеталей друг от друга нужен диэлектрический материал с минимальным значением εцелью уменьшения паразитных емкостей.

Виды поляризации диэлектриков

В зависимости от природы частиц, составляющих материал, и сил связи между ними в диэлектриках наблюдаются различные виды поляризации. Основными механизмами или видами поляризации являются:

- электронная;

- ионная;

- дипольно-релаксационная;

- электронно-релаксационная;

- ионно-релаксационная поляризация.

Электронная поляризация обусловлена упругим смещением и деформацией электронных оболочек относительно ядер атомов и ионов (рисунок 3.3).

а – при отсутствии внешнего поля; б – при наложении электрического поля

Рисунок 3.3 - Механизм электронной поляризации

При отсутствии внешнего поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают и, таким образом, электрический момент зарядов равен нулю. При наложении внешнего поля происходит деформация орбиты, а точнее рассредоточение отрицательного заряда, т.е. появляется асимметрия зарядов и возникает электрический момент:

m = qx (3.8)

Возникновение электрического момента и есть электрическая поляризация. Поскольку х<<r, смещение центров зарядов весьма незначительно (~10-17 м).

Это связано с тем, что напряженность внешнего поля много меньше напряженности поля электростатического взаимодействия (Евнеш=10²-10³ В/см, Евнутр = 5·1011 В/см).

Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и является единственным видом для неполярных диэлектриков. Время установления поляризации τ~10-15 с, т.е. поляризация мгновенна и затрат энергии внешнего поля на нее нет.

Ионная поляризация обусловлена упругим смещением ионов относительно положения равновесия (рисунок 3.4) и характерна для ионных диэлектриков (по структуре и виду химической связи).

а – при отсутствии; б – при наложении электрического поля

Рисунок 3.4 - Механизм ионной поляризации

При помещении ионного диэлектрика в электрическое поле ионы смещаются относительно своих устойчивых положений на незначительные расстояния δ, меньшие размера элементарной ячейки а. В результате поляризации возникает

электрический момент

m = q(a ± 26 )

Время установления поляризации τ~10-13 с, т.е. поляризация почти мгновенна. Она успевает произойти при частотах внешнего поля, соответствующих частотам световых колебаний. При частоте менее 1013 Гц затрат энергии внешнего поля на поляризацию нет.

Диполъно-релаксационная поляризация возникает в ионных полярных диэлектриках, состоящих из дипольных молекул.

Внешнее электрическое поле создает момент вращения дипольной молекулы, т.е. ориентирует связанные заряды по полю (рисунок 3.5). Расчет момента вращения показывает, что в процессе ориентации диполя возникает электрический момент μ, т.е. происходит поляризация диэлектрика.

Рисунок 3.5 - Ориентация диполя внешним электрическим полем

Сила внешнего поля F = qE. Составляющая силы внешнего поля F' создает момент вращения Мвр= F'∙l = F∙sinβ∙l = qlEsinβ = μEsinβ, который зависит от электрического момента μ. Здесь β- угол между направлениями электрического момента диполя и напряженностью внешнего поля Е.

Время поляризации или релаксации τ определяется типом диполей, а также силой химической связи между молекулами, и находится в пределах от 10-2до 10-10 с. Это свидетельствует о том, что данный вид поляризации замедленный и требует затрат потерь энергии внешнего поля на ориентацию молекул. Это выражается в выделении теплоты, т.е. нагреве диэлектрика в процессе поляризации.

Поляризация протекает вначале быстро, а затем замедляется, т.е. ослабевает. Отсюда происходит название - релаксационная, т.е. ослабевающая или замедляющаяся.

Степень поляризации диэлектрика характеризуется поляризованностью Р, которая численно равна электрическому моменту единицы объема поляризованного диэлектрика. На рисунке 3.6 представлены зависимости поляризованности от времени, позволяющие определить связь степени поляризации со временем релаксации τ.

а - при приложении электрического поля;

б - при снятии внешнего поля

Рисунок 3.6 - Процесс дипольно-релаксационной поляризации

При приложении поля Рτ = Руст - Pуст /e.

Если Руст = 100%, то Рτ= 63%, а Руст/е = 37%. Следовательно, за время τ 63% диполей ориентируются по полю и процесс поляризации можно считать завершенным. При снятии поля Рτ = Pуст e-t/τ. За время τ поляризованность Рτ = Pуст

/e = 37%.

Таким образом, время релаксации τ - это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем дипольных молекул после его снятия уменьшается в ераз от установившегося значения, и система фактически возвращается из неравновесного состояния в равновесное.

Электронно-релаксационная поляризация возникает в диэлектриках, имеющих дефекты структуры, когда в узле кристаллической решетки отсутствует ион. В силу электронейтральности системы в месте дефекта должны находиться электрон или дырка, принадлежащие всем соседним ионам и поэтому слабо с ними связанные. Их принадлежность к соседним ионам равновероятна, а хаотическое перемещение не создает электрического момента системе.

В случае приложения внешнего электрического поля большая часть «дефектных» зарядов сравнительно легко смещается полем, что приводит к асимметрии электрических зарядов и возникновению электрического момента в объеме диэлектрика, т.е возникает электронно-релаксационная поляризация.

Величина ε в зависимости от степени дефектности структуры материала может достигать высоких значений. Время релаксации τ находится в пределах от 10-7 до 10-11 с.

Ионно-релаксационная поляризация возникает в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой структурных элементов решетки, в частности, в стеклах. Слабо связанные ионы могут смещаться внешним полем на расстояния, превышающие постоянную решетки.

При снятии поля ионы сравнительно медленно возвращаются к центрам равновесия под действием теплового хаотического движения. Время релаксации τ ~ 10-5...10-7с и достаточно большие расстояния смещения ионов свидетельствуют о том, что этот вид поляризации требует затрат энергии внешнего поля, т.е. в диэлектрике происходят необратимые потери энергии, выделяемые в виде теплоты, или приводящие к нагреванию диэлектрика.

В реальном диэлектрике может быть один или несколько видов поляризации с различным временем τ. Если все поляризационные процессы присутствуют в диэлектрике и происходят независимо друг от друга, то поляризованность и, соответственно, диэлектрическая проницаемость являются суммой всех составляющих поляризации: ε= ε_ДР

ε = ε_ДР+ ε_ИР+ ε_ЭР+ ε_И+ ε_Р (3.9)

При изменении частоты внешнего поля часть поляризационных процессов, успевающая следовать за изменением поля, будет вносить вклад в диэлектрическую проницаемость ε, а процессы, отстающие от изменения поля, не будут влиять на величину ε.

Таким образом, диэлектрическая проницаемость является частотнозависимой; ее зависимость от частоты называется дисперсией диэлектрической проницаемости (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Дисперсия диэлектрической проницаемости. Электропроводность диэлектриков

Электропроводностью называется способность вещества проводить электрический ток под действием постоянного электрического поля.

В реальном диэлектрике за счет несовершенства структуры и наличия примесей имеется незначительное число свободных носителей зарядов, перемещение которых под действием электрического поля создает ток сквозной проводимости или же ток утечки (Iск).

Смещение связанных зарядов обусловливает поляризационные токи или токи смещения, называемые токами абсорбции (Iаб). Они возникают только в момент включения и выключения внешнего электрического поля. В переменном электрическом поле токи смещения имеют место при изменении фазы напряженности внешнего поля, т.е. все время, пока приложено это поле.

Количественной мерой электропроводности является удельная проводимость σ, равная заряду, протекающему в единицу времени через единичное сечение образца при единичной напряженности поля.

Согласно закону Ома, плотность тока j пропорциональна напряженности электрического поля Е. Коэффициентом пропорциональности является удельная проводимость, т.е.

j= σЕ. (3.10)

С другой стороны j = qnvгде п- концентрация носителей заряда, а v- скорость направленного движения зарядов в электрическом поле напряженности Е. Следовательно, можно записать σЕ = qnv, откуда

E= qnu/σ (3.11)

Величина uназывается подвижностью носителей заряда. Она равна скорости направленного движения носителя в электрическом поле единичной напряженности.

Носителями зарядов могут быть электроны (дырки), ионы и молионы - заряженные группы молекул (коллоидные частицы). В связи с этим различают электронную, ионную и молионную электропроводности.

Электронная электропроводность характерна для проводников (металлов),

полупроводников и относительно реже встречается у диэлектриков.

Ионная электропроводность наблюдается у кристаллических диэлектриков за счет ионов самого вещества или ионов примесей. Однако она особенно характерна для аморфных веществ – смол, лаковых пленок, компаундов, стекол, а также для жидких диэлектриков. Прохождение ионных токов сопровождается явлением электролиза, т.е. переносом вещества с образованием вблизи электродов новых химических веществ. Это явление используется при нанесении различных покрытий.

Молионная электропроводность по своей физической сущности довольно близка к ионной и наблюдается в коллоидных системах, представляющих собой смесь двух веществ (фаз), одно из которых в виде макроскопических частиц находится во взвешенном состоянии в другом веществе.

Из коллоидных систем наиболее часто в электроизоляционной технике используются эмульсии (обе фазы - жидкости) и суспензии (одна фаза - твердое вещество, другая - жидкость). При приложении внешнего поля молионы приходят в движение, и процесс сопровождается явлением электрофореза, который отличается от электролиза тем что не происходит образование новых веществ, а лишь меняется концентрация одной фазы в другой за счет осаждения молионов на электродах. Примером практического использования электрофореза является покрытие металлических предметов каучуком, смолами из их суспензий.

Молионная электропроводность наблюдается у жидких лаков и компаундов, увлажненных масел и т.д.

Практической мерой электропроводности является не удельная проводимость, а величина, ей обратная, — удельное сопротивление ρ. В технике различают удельное объемное ρVи удельное поверхностное ρSсопротивления.

В системе СИ удельное объемное сопротивление ρVчисленно равно сопротивлению куба вещества с ребром 1 м, если ток проходит через объем между противоположными гранями куба и имеет размерность [Ом∙м].

Удельное поверхностное сопротивление ρSчисленно равно сопротивлению квадрата любого размера на поверхности диэлектрика, если ток проходит между противоположными сторонами этого квадрата, и имеет размерность [Ом], [Ом/квадрат], [Ом/□]. Последняя форма записи размерности характерна для проводниковых и полупроводниковых пленок, используемых в микроэлектронике, формируемых как на полупроводниковых, так и на диэлектрических подложках.

Величина поверхностного сопротивления сильно зависит от состояния поверхности, т.е. влажности, степени загрязнения, окисления. Неполярные диэлектрики слабо адсорбируют влагу, и ρSмало зависит от влажности.

Ионные диэлектрики - керамика, стекло - гигроскопичны, поэтому для них ρSво влажной среде мало. Для устранения влияния влажности и повышения ρSкерамические и стеклянные детали покрывают влагостойкими кремнийорганическими лаками.

Потери в диэлектрике

Потерями в диэлектрике или диэлектрическими потерями называют мощность, выделяющуюся в диэлектрике в виде тепла при воздействии на него электрического поля.

Это означает, что диэлектрик нагревается под действием внешнего электрического поля, на что тратится, т.е. теряется энергия внешнего поля.

Существует две причины необратимых потерь энергии электрического поля в диэлектрике:

- нагрев за счет протекания тока сквозной проводимости;

- потери энергии за счет замедленных видов поляризации.

Наличие тока сквозной проводимости, согласно закону Джоуля-Ленца (по закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время), приводит к выделению теплоты в диэлектрике, т.е. к необратимым потерям энергии внешнего поля.

Поляризационные процессы, которые принято характеризовать поляризованностью P, также приводят к необратимым потерям энергии внешнего поля. Поляризованность Pчисленно равна электрическому моменту mединицы объема диэлектрика.

Если поляризационные процессы успевают следовать за изменением внешнего поля, то сдвига фаз между напряженностью поля Eи поляризованностью Pнет (рисунок 3.8). В этом случае в течение первой четверти периода поле ориентирует связанные заряды по направлению поля, совершая определенную работу, или затрачивая энергию (рисунок 3.5).

Рисунок 3.8 - Поляризация диэлектрика на низких частотах и при быстрых видах поляризации

Направления поля Eи электрического момента mсовпадают. Кинетическая энергия связаныз зарядов растет, что равносильно повышению их температуры, т.е нагреву диэлектрика.

Во вторую четверть периода направление поля Eостается прежним, а поляризованность Pуменьшается, т.е. связанные ряды за счет уменьшения Eначинают возвращаться в исходное состояние, отдавая накопленную кинетическую энергию, что означает понижение их температуры, т.е. охлаждение диэлектрика.

В течение периода нагрев компенсируется охлаждением и, таким образом, необратимых потерь энергии нет. Такой процесс характерен для быстрых видов поляризации.

В случае медленных видов поляризации наблюдается отставание поляризации от изменения внешнего поля (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 - Поляризация диэлектрика на высоких частотах

(при медленных видах поляризации)

За счет сдвига фаз между напряженностью Eи поляризованностью Pвремя нагрева диэлектрика оказывается большим нежели время его охлаждения, т.е. время накопления кинетической энергии связанными зарядами больше времени ее отдачи. Следовательно, диэлектрик нагревается или в диэлектрике есть необратимые потери энергии внешнего поля.

Потери энергии на ориентацию связанных зарядов равносильны тому, что в диэлектрике как бы протекает активный ток, обусловленный поляризационными процессами, отстающими от изменений поля.

Для инженерных расчетов диэлектрические потери характеризуются количественным параметром, называемым тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ).

При внесении диэлектрика в переменное электрическое поле векторная диаграмма токов и напряжений имеет вид как на рисунке 3.10. На ней обозначено: I0- реактивный ток, обусловленный быстрыми видами поляризации; Iрrреактивный ток, обусловленный замедленными видами поляризации; Iск - сквозной активный ток или ток сквозной проводимости; Iра- активный ток, обусловленный замедленными видами поляризации.

Рисунок 3.10 – Векторная диаграмма токов и напряжений в диэлектрике

Реактивный ток Ir= I0 + Iргопережает напряжение Uна 90°. Активный ток Iа = Iск + Ipaсовпадает по фазе с напряжением. Полный ток Iсдвинут относительно приложенного напряжения на угол φ. Угол δ, дополняющий угол сдвига фаз φ между током и напряжением до 90°, называется углом диэлектрических потерь. Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует потери в диэлектрике, что легко понять из векторной диаграммы, поскольку

tg δ = Ia/Ir.

Чем больше активный ток Ia, нагревающий диэлектрик, тем больше δи tgδ и, следовательно, больше потери в диэлектрике. По значению tgδпредставляется возможным оценивать качество диэлектрика: чем он выше, тем хуже диэлектрик. Для хороших диэлектриков tg δ < 10-4.