Классификация диэлектриков

Лекция 14.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

Основные определения

Условно к диэлектрикам относят материалы, у которых ρ > 10⁸ Ом м. (у металлов ρ <1 0^-5 Ом м). У лучших диэлектриков ρ > 10¹⁶ Ом∙м. Диэлектрическими называют материалы, основным электриче­ским свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реаль­ный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выраже­ны замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема.

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствие поля. В некоторых случаях поляризации диэлектриков появляется под действием механических напряжений.

Поляризация происходит следующим образом. Частицы диэлектрика, помещенного в электрическое поле, испытывают механическое воздействие, смещающее положительно заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно — в другую. В результате центры электрического действия положительных и отрицательных частиц не совпадают и во внешнем пространстве такая молекула воспринимается как диполь, т.е. как система двух равных, но противоположных зарядов +q и -q, смещенных друг относительно друга на расстояние l (рис. 9.1 а). Такой диэлектрик, имеющий ориентированные в одном направлении диполи, называют поляризованным. Произведение заряда частицы на смещение l называют электрическим моментом диполя m = gl (Кл * м), который связан с напряженностью электрического поля Е соотношением m = αE, где α - мера упругой деформации молекулы или атома – их поляризуемость.

Если в отсутствие внешнего поля l = 0, то диэлектрик называют неполярным (индуцированный диполь). Если в тех же условиях l ≠ 0, то диэлектрик называют полярным.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε = С_д/С_о, где С_д — емкость конденсатора с данным диэлектриком; С_о — емкость того же конденсатора в вакууме (т. е. геометрическая ёмкость между электродами).

Абсолютная диэлектрическая проницаемость ε_а, значение которой зависит от выбора системы единиц, связана с относительной диэлектрической проницаемостью: ε_а=ε_оε, где ε_о =8,854*10^-12 Ф/м — электрическая постоянная.

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества. Количественной характеристикой поляризаций служит поляризованность диэлектрика. Поляризованностью Р называют векторную физическую величину, равную отношению электрического момента dp элемента диэлектрика к объему dV этого элемента и выражаемую в Кл/м²

Р = dp/ dV

Поляризованность однородного плоского диэлектрика в равномерном электрическом поле равна поверхностной плотности связанных зарядов. Для большинства диэлектриков в слабых электрических полях поляризованность пропорциональна напряженности поля:

Р = ε_о(ε-1)Е= ε_о χЕ(9.1)

ε= χ+1

где χ -диэлектрическая восприимчивость ( χ=n₀α – есть поляризуемость единицы объема диэлектрика).

В изотропных диэлектриках направления векторов Р и Е совпадают. У анизотропных сред (кристаллы, текстуры) χ является тензорной характеристикой, поэтому направления Р и Е в общем случае оказываются различными. В сильных электрических полях нарушается линейная зависимость между поляризованностью и напряженностью поля (нелинейные эффекты).

КЛАССИФИКАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Классификацию диэлектриков можно проводить по различным признакам:

- функциональному назначению;

- агрегатному состоянию;

- механизму поляризации и др.

В электронной технике, радиотехнике и приборостроении применяют множество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в аппаратуре и приборах, их можно подразделить на электроизоляционные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управляемые материалы (активные диэлектрики) (рис. 9.2.).

Электроизоляционные материалы используют для создания электрической изоляции, которая окружай токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга элементы схемы или конструк­ции, находящиеся под различными: электрическими потенциалами. В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наимень­ших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Некоторые диэлектрики применяют как для создания электрической изоляции, так и в качестве конденсаторных материалов (например, слюда, керамика, стекло, полистирольные и другие пленки). Тем не менее, требования к электроизоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Если от электроизоляционного материала требуется невысокая относительная диэлектрическая проницаемость и большое удельное сопротивление, то диэлектрик конденсатора, наоборот, должен иметь повышенную ε и малоезначение tgδ. Ролъдиэлектрика в конденсаторе также нельзя считать активной, но конденсатор уже является функциональным элементом в электри­ческой схеме.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, создания различных преобразователей, элементов памяти, датчиков ряда физических процессов и генерации колебаний. В классификационной схеме рис. 9.2 управляемые диэлектрики в свою очередь подразделены по принципу управления.

Рис. 9.2. Классификация диэлектриков