Общие сведения о диэлектриках

Диэлектрики – это самая многочисленная группа материалов. Они бывают природными и синтетическими, органическими и неорганическими, газообразными, жидкими, твердыми, аморфными, кристаллическими.

Разнообразно и применение диэлектриков в современной технике. Известно, что диэлектрические материалы применяются в качестве изоляции от воздействия электрического тока. Но в современной РЭА и в вычислительной технике они все чаще применяются как активные элементы, как ЗУ, как преобразователи механических воздействий в электрический сигнал и наоборот, в качестве термочувствительных датчиков и так далее.

Но при всем многообразии диэлектрических материалов все диэлектрики обладают характерными особенностями. Важными из них является способность поляризоваться в электрическом поле.

Поляризация диэлектриков

Поляризация – это процесс смещения и упорядочения связанных электрических зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля.

Способность материала поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью. Диэлектрик, включенный в электрическую цепь можно рассматривать как конденсатор определенной емкости C_д:

ε = C_д ∕ C₀ , (4.1)

показывает во сколько раз емкость конденсатора с данным диэлектриком C_Д больше емкости того же конденсатора в вакууме С₀ .

Произведение относительной диэлектрической проницаемости ε на электрическую постоянную ε₀ называется абсолютной диэлектрической проницаемостью:

ε_а = ε ₀ ∙ ε_r ,­ (4.2)

где ε₀ = 8,854 ∙ 10^-12 Ф/м – электрическая постоянная.

Относительная диэлектрическая проницаемость (далее диэлектрическая проницаемость) безразмерная величина; она количественно определяет способность диэлектрика поляризоваться и образовывать электрическую ёмкость

ε_r вакуума = 1, ε_r любого в-ва > 1.

Она может составлять несколько единиц, несколько десятков и даже сотен и тысяч единиц. (См. таблицу 4.1)

Таблица 4.1

Материал	ε	Материал	ε
Парафин	1,9 – 2,2	Пьезокерамика	100 – 1800
Полистирол	2,4 – 2,6	Гетинакс	5 – 6
Сера	3,6 – 4,0	Текстолит	6 – 7
Алмаз	5,6 – 5,8	Стёкла	4 – 25
Камен. соль		Ситалл	5 – 8
Рутил (TiO2)		Сегнетовая соль	До 6000
Корунд (Al2O3)

В зависимости от агрегатного состояния (жидкое, твёрдое, газообразное) и структуры диэлектриков различают следующие виды поляризации

Электронная поляризация

Все материалы состоят из атомов, а атом из ядра (протонов) и электронов, вращающихся вокруг него. В отсутствие внешнего электрического поля, электроны быстро вращаются вокруг ядра по круговой орбите и центры приложения зарядов положительного и отрицательного совпадают. Если теперь этот атом поместить в однородное электрическое поле с напряженностью ε, то отрицательно заряженные электроны при своем вращении сместятся в сторону положительного электрода (рисунок 4.1). Центр отрицательного заряда изменит свое положение, и система превратится в диполь. Таким образом, произошла поляризация диэлектрика. Этот вид поляризации называется электронной, происходит она практически мгновенно за время ≈ 10^-15 с, поэтому её называют мгновенной. Она характерна для всех типов диэлектриков. Она происходит без рассеивания энергии, проявляется на всех частотах, т.е. практически не зависит от частоты (f = 10¹⁴ - 10¹⁶ Гц).

Электронная поляризация – это упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов.

Рисунок 4.1 – схематическое изображение электронной поляризации: а – неполяризованный атом при отсутствии электрического поля; б – поляризованный атом при воздействии электрического поля.

ε уменьшается с увеличением температуры, т.к. происходит тепловое расширения диэлектрика и число частиц в единице объема уменьшается.

Изменение ε от Т характеризуется ТК (температурный коэффициент) диэлектрической проницаемости.

α_ε = ∂ε ∕ (ε ∙ ∂T) (4.3)

Рисунок 4.2 – График зависимости диэлектрической проницаемости полимеров от частоты:

1 – полистирол; 2 – политетрафторэтилен.

Ионная поляризация

Характерна для твердых тел с ионным строением (каменная соль; в узлах кристаллической решетки находятся ионы Na⁺ и Cl¯).

При приложении поля ионы Na смещаются по направлению внешнего электрического поля Е, а ионы Cl – против направления (рисунок 4.3). Смещение двух разноименно заряженных ионов приводит к появлению элементарного электрического момента:

μ = q ∙ ∆x , (4.4)

где ∆x - смещение ионов.

Сумма всех этих элементарных электрических моментов определяет ионную поляризацию.

Время установления 10^-13 с.

Поляризованность P увеличивается с увеличением температуры, т.к. диэлектрик расширяется, расстояние между ионами увеличивается, значит ослабляются силы упругой связи между ионами

Поляризация не зависит от t, не связана с потерями энергии.

Рисунок 4.3 – Схематическое изображение ионной поляризации. Ионная кристаллическая решетка:

а – при отсутствии электрического поля; б – при воздействии электрического поля.