Примеры решения задач по теме «Диэлектрические материалы»

СОДЕРЖАНИЕ

1. Кристаллография

1.1. Атомы, ионы, молекулы

1.1.1. Гомеополярная (ковалентная) связь

1.1.2. Гетерополярная (ионная) связь

1.1.3. Металлическая связь

1.1.4. Молекулярная связь

1.2. Особенности строения твёрдых тел

1.2.1. Кристаллы

1.2.2. Индексы Миллера

1.2.3. Дефекты в строении кристаллических тел

1.2.4. Полиморфизм

1.2.5. Стёкла и другие аморфные тела

2. Диэлектрические материалы

2.1. Поляризация диэлектриков

2.1.1. Электронная поляризация

2.1.2. Ионная поляризация

2.1.3. Дипольная поляризация

2.1.4. Миграционная поляризация

2.2. Электропроводность диэлектриков

2.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков

2.2.2. Электропроводность жидкостей

2.2.3. Электропроводность газов

2.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков

2.3. Потери в диэлектриках

2.3.1. Релаксационные диэлектрические потери

2.3.2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью

2.3.3. Ионизационные диэлектрические потери

2.3.4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры

2.3.5. Диэлектрические потери в газах

2.3.6. Диэлектрические потери в жидкостях

2.3.7. Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

2.4. Пробой диэлектриков

2.4.1. Общая характеристика пробоя

2.4.2. Пробой газов

2.4.3. Пробой жидких диэлектриков

2.4.4. Пробой твердых диэлектриков

2.5. Химические свойства диэлектриков

2.6. Классификация диэлектрических материалов

2.6.1. Органические полимеры

2.6.2. Смолы

2.6.3. Битумы

2.6.4. Гибкие пленки

2.6.5. Волокнистые материалы

2.6.6. Пластические массы

2.6.7. Эластомеры

2.6.8. Стекла

2.6.9. Керамические диэлектрические материалы

2.7. Активные диэлектрики

2.7.1. Классификация активных диэлектриков

2.7.2. Сегнетоэлектрики

2.7.3. Пьезоэлектрики.

2.7.4. Пироэлектрики

2.7.5. Электреты

2.7.6. Жидкие кристаллы

2.7.7. Материалы для твердотельных лазеров

3. Полупроводниковые материалы

3.1. Общие сведения

3.2. Собственные (чистые) полупроводники

3.2.1. Концентрация собственных носителей заряда

3.3. Примесные полупроводники

3.3.1. Донорные примеси

3.3.2. Акцепторные примеси

3.3.3. Основные и неосновные носители зарядов

3.4. Электропроводность полупроводников

3.5 Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников

3.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников

3.5.2. Влияние деформации на электропроводность полупроводников

3.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводников

3.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников

3.6. Токи в полупроводниках

3.6.1. Дрейфовый ток

3.6.2. Диффузионный ток

3.7. Германий

3.8. Кремний

3.9. Полупроводниковые соединения типа А^IIIВ^V

3.9.1. Твердые растворы на основе соединений А^IIIВ^V

3.10. Полупроводниковые соединения типа А^IIВ^IV

3.11. Полупроводниковые соединения типа А^IVВ^VI

4. Проводниковые материалы

4.1. Общие сведения о проводниках

4.2. Электропроводность металлов

4.3. Свойства проводников

4.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников

4.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов

4.3.3. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении

4.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях

4.3.5. Удельное сопротивление сплавов

4.3.6. Теплопроводность металлов

4.3.7. Термоэлектродвижущая сила

4.3.8. Механические свойства проводников

4.4. Материалы высокой проводимости

4.4.1. Медь

4.4.2. Алюминий

4.4.3. Железо

4.4.4. Натрий

4.5. Сверхпроводники и криопроводники

4.6. Сплавы высокого сопротивления

4.6.1. Манганин

4.6.2. Константан

4.6.3. Сплавы на основе железа

4.7. Тугоплавкие металлы

4.7.1. Вольфрам

4.7.2. Молибден

4.7.3. Тантал

4.7.4. Титан

4.7.5. Рений

4.8. Благородные металлы

4.9. Неметаллические проводники

5. Магнитные материалы

5.1. Классификация веществ по магнитным свойствам

5.2. Магнитные характеристики материалов

5.2.1. Абсолютная магнитная проницаемость

5.2.2. Температурный коэффициент магнитной проницаемости

5.2.3. Индукция насыщения

5.2.4. Остаточная магнитная индукция

5.2.5. Удельные потери на гистерезис

5.2.6. Динамическая петля гистерезиса

5.2.7. Потери энергии на вихревые токи

5.2.8. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса

5.2.9. Удельная объемная энергия

5.3. Классификация магнитных материалов

5.4. Металлические магнитно-мягкие материалы

5.4.1. Карбонильное железо

5.4.2. Пермаллои

5.4.3. Альсиферы

5.4.4. Низкоуглеродистые кремнистые стали

5.5. Металлические магнитно-твердые материалы

5.5.1. Легированные стали, закаливаемые на мартенсит

5.5.2. Литые магнитно-твердые сплавы

5.5.3. Магниты из порошков

5.5.4. Пластически деформируемые сплавы и магнитные ленты

5.6. Ферриты

5.7. Магнитодиэлектрики

Список рекомендованной литературы

ВВЕДЕНИЕ. ▲

Радиотехническими (далее радиоматериалами) называют такие материалы, которые имеют специфическое назначение в электрорадиоаппаратуре при воздействии электромагнитного поля, отличаются хорошими электрическими и магнитными свойствами. Применяемые в радиотехнике и электронике материалы, подразделяются на:

- электроизоляционные (диэлектрические)

- проводниковые

- полупроводниковые

- магнитные.

Значение материалов в промышленности возрастает по мере развития радиотехники и электроники. Вопросы уменьшения габаритов и веса радиоаппаратуры (микроминиатюризация), повышение дальности и избирательности связи, повышение надежности, особенно в экстремальных условиях наземного и космического применения, внедрение квантовой электроники в большой мере зависят от радиоматериалов.

Все радиоматериалы должны удовлетворять следующим общим требованиям:

- обладать высокими электрическими (магнитными свойствами);

- нормально работать при повышенных, а часто и при низких температурах;

- иметь достаточную механическую прочность при различных видах нагрузки, в том числе обладать устойчивостью к тряске, вибрациям и ударам;

- Нормально работать при значительном перепаде температуры воздуха и повышенной влажности;

- Обладать достаточной влагостойкостью, химической стойкостью и стойкостью к различным облучениям и плесени;

- Иметь стабильные эксплуатационные характеристики во времени при комплексном воздействии рабочего напряжения, температуры и влажности;

- Не иметь заметно выраженного старения;

- Удовлетворять технологичности, т.е. должны сравнительно легко и просто обрабатываться, допускать массовое изготовление;

- Быть недорогими, недефицитными.

В электронной и радиотехнике применяют разнообразные материалы, количество наименований которых превышает несколько тысяч. Для правильной ориентации в них необходимо изучить классификацию материалов, предлагаемую в курсе.

Курс состоит из четырех тем:

1. диэлектрики

2. полупроводниковые материалы

3. проводниковые материалы

4. магнитные материалы,

в каждой из которых описаны свойства, характеристики, способы получения и области применения соответствующих материалов.

Различия между проводниками, полупроводниками и диэлектриками можно показать с помощью диаграмм (где DWg – ширина запрещенной зоны):

Магнитные материалы делятся на сильномагнитные (ферромагнетики, ферримагнетики) и слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики, антиферромагнетики) материалы.

Данный курс является базовым для курсов «Физические основы электроники», «Электроника», «Физические основы оптоэлектроники» и «Электронные твердотельные приборы СВЧ и оптического диапазона».

1. КРИСТАЛЛОГРАФИЯ. ▲

1.1. Атомы, ионы, молекулы. ▲

Газы, жидкие и твердые тела могут состоять из атомов, молекул или ио­нов. Размеры атомов порядка одного или нескольких ангстрем (1 А = 10^{-10 м), размеры положительных ионов — атомов, лишен­ных части электронов (меньше, чем атомов), и размеры отрицатель­ных ионов, присоединивших дополнительные электроны (больше, чем размеры соответствующих атомов), нескольких элементов пока­заны на рис. 1.1.}

Рис 1.1. Размеры атомов, положительных и отрицательных ионов некоторых элементов в ангстремах.

При сближении атомов до расстояния порядка нескольких анг­стрем между ними проявляются силы взаимодействия. В зависимости от характера движения электронов в соседних атомах эти силы могут быть силами отталкивания или притяжения. В последнем случае атомы могут соединяться с выделением энергии, образуя устойчивые химичес­кие соединения. Электроны внутренних полностью заполненных обо­лочек прочно связаны с ядром и не участвуют в образовании химичес­ких связей. Химические свойства атомов определяются строением внешней, не полностью заполненной электронами оболочки. Электроны, находящиеся во внешней оболочке, называют валентными.

Различают несколько видов химической связи.

1.1.1. Гомеополярная (ковалентная) связь. ▲

При этой связи у веществ объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов. Плотность отрицательно заряжен­ного электронного облака между положительно заряженными ядра­ми получается наибольшей.

Следует отметить, что перекрытие электронных облаков, приводящее к обобществлению электронов, не сводится к простому наложению друг на друга двух электронных орбит, а сопровождается существенным пе­рераспределением электронной плотности и изменением энергии сис­темы. При обобществлении электронов происходит втягивание элект­ронных облаков в пространство между ядрами. Появление состояния с повышенной плотностью электронного заряда в межъядерном прост­ранстве и приводит к возникновению сил притяжения.

В основе гомеополярной связи лежит обменное взаимодействие или обменный эффект, обусловленный обменом атомов электронами и име­ющий чисто квантовую природу. Силы такого взаимодействия называ­ют обменными силами, а их энергия — обменной энергией. Важнейшей особенностью обменных сил является их сильная зависимость от на­правления спинов электронов, осуществляющих связь между взаимо­действующими атомами. Связь будет сильной только в том случае, если спины антипараллельны. Гомеополярные связи определенным об­разом ориентированы в пространстве не образуются только между бли­жайшими соседними атомами.

Молекулы с гомеополярной связью бывают неполярными или по­лярным (дипольными) в соответствии с симметричным или асиммет­ричным строением. Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, называют неполярными. Если же в молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называют полярными или дипольными. Примеры неполярной и поляр­ной молекул показаны на рис. 1.2.

Рис 1.2. Примеры неполярной (симметричной) и полярной (несимметричной) молекул.

Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом, который определяется произведением заряда на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов: p=ql.

Заряд q ≈2*10^-19 Кл, расстояние l=(1 — 3)*10^{-10 м.}

Поэтому обычно дипольные моменты молекул р = 5*10^-29— 10^-30 единиц СИ.

Гомеополярная связь типична для ор­ганических молекул. Вместе с тем она может наблюдаться и у твердых веществ неорганического происхождения, если их кристаллические решетки состоят из атомов. Примерами подобных веществ являются алмаз, кремний, герма­ний, карбид кремния (SiС) и др.

Ковалентная связь характери­зуется высокой прочностью. Под­тверждением этому является высо­кая твердость и высокая темпера­тура плавления таких веществ как алмаз, карбид кремния.

1.1.2. Гетерополярная (ионная) связь. ▲

Гетерополярная (ионная) связь возникает вследствие перехода валентных электронов от металлического атома к металлоидному и электростатического притяжения разноименно заряженных ионов друг к другу. Этот вид химической связи реализуется в ионных кристаллах. Типичным примером ионных кристаллов являются галоидные соли щелочных металлов. На рис. 1.3. показаны структуры кристаллов хлористого натрия и хлористого цезия. Ионные решетки характеризу­ются высоким координационный числом, показывающим количество ближайших ионов противоположного знака. Например, для кристал­лов NaCl координационное число равно 6, а для кристаллов СаСl—8.

Рис 1.3. Структура и плотная упаковка хлористого натрия (а) и структура и неплотная упаковка ионов хлористого цезия (б).

В ионном кристалле комбинации противоположно заряженных ионов нельзя отождествлять с индивидуальными молекулами вследствие регу­лярного чередования в узлах решетки ионов различного сорта. Пра­вильнее считать весь монокристалл ионного соединения одной ги­гантской молекулой, в которой каждый ной испытывает сильное воз­действие со стороны всех соседних частиц.

Способность атомов захватывать электрон при образования хими­ческой связи характеризуется его электроотрицательностью. За при­ближенную меру электроотрицательность атома х приникают полусум­му энергии ионизации W_и, и сродства к электрону W_с, т. е.

x = 0,5 * (W_и - W_с).

Наименьшей электроотрицательностыо обладают атомы щелочных металлов, которые легко отдают электрон и отличаются малой энергией сродства. Наоборот, наиболь­шую электроотрицательность име­ют атомы галогенов, которые охот­но принимают электрон для завер­шения внешней электронной обо­лочки. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, участвующих в образовании химической связи, тем больше степень ионности соединения.

1.1.3. Металлическая связь. ▲

Металлическая связь существует в системах, построенных положительных атомных остовов, находящихся в среде свободных коллективизированных электронов (рис. 1.4, а). Притяжение между положительными атомными остова­ми и электронами обусловливает целостность металла.

Рис 1.4. Схема строения металлического проводника (а) и образования межмолекулярной связи Ван-дер-Ваальса (б).

Металлическую связь можно рассматривать до некоторой степени как ковалентную связь, поскольку в их основе лежит обобществление внешних валентных электронов. Специфика металлической связи состоит в том, что в обобществлении электронов участвуют все атомы кристал­ла, и обобществленные электроны не локализуются вблизи своих атомов, а свободно перемещаются внутри всей решетки, образуя «электронный газ». Не имея локализованных связей, металлические кристаллы (в отличие от ионных) не разрушаются при изменении поло­жений атомов, т. е. им свойственна пластичность (ковкость) при дефор­мациях. Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокими электро- и теплопроводностью.

1.1.4. Молекулярная связь▲

Молекулярная связь, или связь Ван-дер-Ваальса, наблюдается у ряда веществ между молекулами с ковалентным характером внутри­молекулярного взаимодействия. Наличие межмолекулярного притяже­ния в этом случае возможно при согласованном движении валентных электронов в соседних молекулах (рис. 1.4,б). В любой момент времени электроны должны быть максимально удалены друг от друга и макси­мально приближены к положительным зарядам (ядрам). Тогда сила притяжения валентных электронов ядром соседней молекулы оказы­ваются сильнее сил взаимного отталкивания электронов оболочек эти молекул. Подобное притяжение между флуктуирующими электрическими диполями получило название дисперсионного взаимодействия. Связь Ван-дер-Ваальса является наиболее универсальной, она возни­кает между любыми частицами, но это наиболее слабая связь, энергия ее примерно на два порядка ниже энергии ионной и ковалентной свя­зей. Поскольку дисперсионное взаимодействие оказывается очень слабым, молекулярные связи четко проявляются лишь в тех случаях, когда они возникают между атомами или молекулами. Молекулярная связь легко разрушается тепловым движением. Поэтому молекулярные кристаллы обладают низкими температурами плавления (например, у парафина Т_пл = 50 ~ 52°С).

1.2 Особенности строения твердых тел. ▲

Большинство электротехнических материалов представляют собой твердые тела. Поэтому далее особое внимание уделяется строению вещества в этом состоянии.

1.2.1. Кристаллы. ▲

Представлению о порядке в мире атомов отвечает кристаллическая решетка, обусловливающая периодическое электро­статическое поле. Периодичность структуры является наиболее ха­рактерным свойством кристаллов. В периодической решетке всегда можно выделить элементарную ячейку, транслируя которую в прост­ранстве легко получить представление о структуре всего кристалла Образование каким-либо элементом или соединением определенной пространственной решетки в основной зависит от размеров атомов и электронной конфигурации их внешних оболочек.

Русский ученый Е. С. Федо­ров почти за 40 лет до того, как были найдены методы рентгеноструктурного анализа, рас­считал возможные расположе­ния частиц в кристаллических решетках различных веществ. Геометрически возможны лишь 14 различных пространственных решеток, являющихся основой шести кристаллических систем.

Геометрическая классифика­ция кристаллов недостаточна для разделения структур, кажу­щихся тождественными. Они могут различаться по двойному лучепреломлению, по пьезо- и пироэлектрическим свойствам и т. п. Это обусловлено различны­ми видами симметрии, которые насчитывают 32 класса, а всего существует 230 возможных групп.

Кристаллические тела могут быть в виде отдельных крупных крис­таллов — монокристаллов или состоять из совокупности большого числа мелких кристалликов (зерен). В случае поликристалла в пределах каждого зерна атомы расположены периодически, по при перехо­де от одною зерна к другому на границах раздела регулярное расположение частиц нарушается. Монокристаллы характеризуются анизотро­пией свойств. В поликристаллических телах анизотропия в большинст­ве случаев не наблюдается, однако с помощью специальной обработки могут быть получены текстурированные материалы с ориентированным расположением кристаллов. Промежуточным является блочное строе­ние твердого тела. Так как монокристаллы анизотропны, то при определении электрических, механических и других свойств необходимо указывать расположение кристаллографических плоскостей и направ­ления в кристаллах. Для этого используют индексы Миллера.

1.2.2. Индексы Миллера. ▲

Допустим необходимо фиксировать в кристал­ле плоскость, которая пересекает три оси X, У, Z в точках А, В, С. Обозначим расстояния ОА, ОВ и ОС (измеренные в единицах периода решетки) через H, K, L, а обратные им величины — через Н', К' и L'. Наименьшие целые числа с теми же отношениями, что и между Н', К', L', обозначают символами h, k, l и называют индексами Миллера. Поскольку период решетки принят за единицу, все атомные плоскости представляются целыми числами или нулями. Пусть, например, зна­чения H, K, L равны соответственно 1, 4 и 2, тогда числа Н', К', L' суть I, 1/4 и 1/2, и индексы Миллера данной плоскости будут (412).

В кубических кристаллах индексы (100) относятся к плоскости, параллельной осям У и Z; индексы (010) — к плоскости, параллельной осям X и Z, в (001) — к плоскости, параллельной осям X и Y, В кристаллах с ортогональными осями эти плоскости вместе с тем перпендику­лярны соответствию осям X, Y и Z.

Для обозначения направлений в кристалле применяют индексы в виде наименьших целых чисел, относящихся между собой как компо­ненты вектора, параллельного данному направлению. В отличие от обозначения плоскостей их пишут в квадратных скобках.

В кубических кристаллах эти направления перпендикулярны плоскости с теми же индексами. Положительное направление оси X обозначают [100], положительное направление оси Y — [010], отрица­тельное направление оси Z — [001], диагональ куба — [111] и т.д. Обозначения кристаллографических плоскостей и направлений при­ведены на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей и направлений в кубических кристаллах с помощью индексов Миллера.

1.2.3. Дефекты в строении кристаллических тел. ▲

Кристаллов с идеально правильным строением в природе не существует. В реальных усло­виях всегда наблюдаются те или иные отклонения от регулярного расположения частиц. Такие отклонения принято называть дефектами структуры. Их условно подразделяют на динамические (временные) и статические (постоянные). Динамические дефекты возникают при ме­ханических, тепловых или электромагнитных воздействиях на крис­талл, при прохождении через него потока частиц высокой энергии и т. п. Наиболее распространенным видом динамических дефектов явля­ются фононы — временные искажения регулярности решетки, выз­ванные тепловым движением атомов.

Среди статических дефектов различают атомные (точечные) и про­тяженные несовершенства структуры. Атомные дефекты могут прояв­ляться в виде незанятых узлов решетки — вакансий, в виде смешений атома из узла в междоузлие, в виде внедрения в решетку чужеродного атома или иона. К протяженным дефектам относятся дислокации, поры, трещины, границы зерен, микровключения другой фазы. Слово «дислокация» в переводе на русский язык означает «смещение». Прос­тейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая дисло­кация. Некоторые разновидности дефектов показаны на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Дефекты кристаллической решетки: а – посторонний атом в узле решетки; б – пустой узел (вакансия) и собственный атом в междоузлии.

Хотя относительная концентрация атомных дефектов может быть небольшой, но изменения физических свойств кристалла, вызываемые ими, могут быть огромными. Например, тысячные доли атомного процента некоторых примесей могут изменять электрическое сопротив­ление чистых полупроводниковых кристаллов в 10⁵ — 10⁶ раз. Протя­женные дефекты структуры оказывают сильное влияние на механичес­кие свойства кристаллов.

1.2.4. Полиморфизм. ▲

Некоторые твердые вещества обладают способ­ностью образовывать не одну, а две и более кристаллические структу­ры, устойчивые при различных температурах и давлениях. Такое свой­ство материалов называют полиморфизмом, а отвечающие им кристал­лические структуры называют полиморфными формами или аллотропными модификациями вещества. Модификацию, устойчивую при нор­мальной и более низкой температуре, принято обозначать буквой α; модификации, устойчивые при более высоких температурах, обозна­чают соответственно буквами β, γ и т. д.

Полиморфизм широко распространен среди технических материа­лов и имеет важное значение для их обработки и эксплуатации. Клас­сическим примером полиморфизма является низкотемпературное пре­вращение белого олова (β-Sn) в серое (α-Sn), известное в технике как «оловянная чума».

Практический интерес представляет полиморфизм углерода — существование его в виде алмаза или графита- В обычных условиях графит является более устойчивой модификацией, чем алмаз. Однако при повышении давления устойчивость алмаза растет, а графита па­дает, и при достаточно высоких давлениях алмаз становится более ус­тойчивым. Если при этом повысить температуру, чтобы увеличить под­вижность атомов, то графит можно перевести в алмаз. На этом принци­пе основано получение искусственных алмазов. В Советском Союзе их промышленное производство началось в 1961 г. Синтез проводят под давлением порядка 10^м Па при температуре на уровне 2000°С. Получае­мые таким образом искусственные алмазы имеют более высокую проч­ность и твердость, нежели природные кристаллы.

1.2.5. Стекла и другие аморфные тела. ▲

Не все твердые тела имеют крис­таллическую структуру, хотя кристаллическое состояние большинства твердых тел является естественным, потому что анергия при упорядоченном расположении атомов меньше, чем в случае их нерегулярного расположения, а любая система стремится перейти в состояние с мини­мальной свободной энергией. Однако атомы не всегда имеют благоприятную возможность располагаться упорядочение в процессе затверде­вания. Препятствием этому может быть резкое уменьшение скорости диффузии атомов при охлаждении среды. Твердые тела, которые ха­рактеризуются случайным хаотичным расположением частиц, назы­вают аморфными. В отличие от кристаллов аморфные тела изотропны по свойствам, не имеют определенной температуры плавления и харак­теризуются достаточно широким температурным интервалом размягче­ния. Наглядным примером аморфных веществ могут служить стекла и многие пластики. В стеклах при отсутствии периодичности в строении можно наблюдать определенный ближний порядок, т. е. закономерное расположение ближайших соседей относительно каждого атома. Стек­лообразное состояние можно рассматривать как состояние сильно пере­охлажденной жидкости, т. е. жидкости с очень высокой вязкостью. Именно высокая вязкость ограничивает диффузионную активность ато­мов и препятствует образованию кристаллической фазы. Однако та­кое состояние термодинамически неустойчиво. Поэтому при отжиге может происходить «расстекловывание» материала, т. е. переход в более устойчивое кристаллическое состояние.

2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ▲

Диэлектрики - материалы, обладающие незначительной электропроводностью. Основным электрическим свойством диэлектриков является их способность к поляризации.

2.1. Поляризация диэлектриков▲

При описании электрических явлений обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами, к которым подводится электрическое напряжение, т. е. некоторый участок изоляции. Таким участком может быть электрический конденсатор, изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т. п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его электрических параметров.

В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные - в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные - в обратном направлении.

В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp.

Поляризация – процесс упорядочения его связанных электрических зарядов под действием электрического поля. Качественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

. (2.1)

Поляризованность - векторная величина: ее направление совпадает с направлением электрического момента - от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в [Кл×м], а объем -в [м³], то единицей модуля поляризованности будет [Кл/м²].

Существует несколько видов поляризации: электронная, ионная, дипольная и миграционная.

2.1.1. Электронная поляризация. ▲

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра.

Рис. 2.1. Электронная поляризация диэлектриков.

Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации.

Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля - порядка 10^-14 - 10^-16 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических.

При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки, но и возрастает заряд ядра.

2.1.2. Ионная поляризация. ▲

Ионная поляризация - смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями под действием сил внешнего электрического поля. При этом центры положительных и отрицательных зарядов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние x в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях, вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент р_u = q_x.

Рис. 2.2. Ионная поляризация диэлектриков.

Ионная поляризация устанавливается также за малое время (хотя и большее, чем электронная) - 10^-13 с.

Ионная поляризуемость больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т. е. являются многовалентными.

2.1.3. Дипольная поляризация. ▲

Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков, молекулы которых представляют собой твердые диполи, электрические моменты которых ориентированы произвольно. Сущность этого метода поляризации заключается в повороте в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент.

Рис. 2.3. Дипольная поляризация диэлектриков.

Диэлектрики можно подразделить на полярные (содержащие постоянные диполи, способные к переориентации) и неполярные (не содержащие ориентирующихся диполей).

В молекулах любого вещества содержатся положительные и отрицательные электрические заряды. Алгебраическая сумма всех зарядов равна нулю, когда вещество не наэлектризовано, т. е. электрически нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в молекуле у каждого вещества различно. Если заменить все положительные заряды молекулы одним суммарным, считая его расположенным в центре тяжести отдельных положительных зарядов, и такое же суммирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные точечные заряды могут либо не совпадать в пространстве друг с другом, либо совпадать.

В первом случае молекула даже в отсутствие внешнего электрического поля будет представлять собой электрический диполь с отличным от нуля постоянным электрическим моментом р_П=ql, где q — суммарный положительный (отрицательный) заряд молекулы; l — расстояние между суммарными зарядами, т. е. плечо диполя. В большинстве случаев постоянный электрический момент молекул полярных веществ р_П = 10^-30 - 10^-29 [Кл×м].

Электрический момент молекулы - величина векторная, направленная от отрицательного заряда -q к положительному заряду +q. У неполярных веществ l = 0 и потому р_П = 0.

Независимо от электрических свойств о полярности вещества можно судить по строению его молекул. Молекулы, имеющие симметричное строение и центр симметрии, неполярны, так как центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы и l = 0 и р_П = 0. Несимметричные молекулы полярны.

Более строго дипольную поляризацию можно объяснить как внесение внешним электрическим полем некоторой упорядоченности в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения. Следовательно, дипольная поляризация по своей природе связана с тепловым движением молекул, и на нее оказывает существенное влияние температура.

Дипольная поляризация в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и вязких аморфных веществах.

Процесс установления дипольной поляризации после включения диэлектрика под напряжение требует относительно большого времени. Поляризованность Р_Д дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

(2.2)

Постоянную времени этого процесса τ называют временем релаксации дипольной поляризации. Если период приложенного переменного напряжения меньше τ, то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем. Так как τ обычно имеет порядок 10^-6 - 10^-10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах не ниже 10⁶ - 10¹⁰ Гц.

При понижении температуры τ сильно возрастает.

2.1.4. Миграционная поляризация. ▲

Миграционная поляризация - перемещение (миграция) зарядов в полупроводящих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела.

Наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в процессе установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленные - секунды, минуты, часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.

2.2. Электропроводность диэлектриков. ▲

Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала r, тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции - объемный сквозной ток I_V - очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности - сквозной поверхностный ток I_S. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным:

. (2.3)

Следовательно, проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = I_V / U и поверхностной G = I_S / U:

. (2.4)