Диэлектрики.

Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры, стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно 10¹²-10²⁰Омм. Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения, при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры. 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 поле, которое направлено противоположно внешнему. Мерой поляризации является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрической проницаемостью называется величина, показывающая во сколько раз емкость конденсатора, между пластинами которого находится диэлектрик (С_д), больше емкости такого же конденсатора с воздухом или вакуумом (С_о), т.е. = С_д/С_о. Диэлектрическая проницаемость есть мера поляризации диэлектрика в электрическом поле. Поляризация представляет собой смещение связанных зарядов под влиянием электрического поля. Наибольшее значение имеют следующие виды поляризации: электронная поляризация, ионная, дипольно-релаксационная и самопроизвольная (спонтанная).

Электронная поляризация вызывается упругими смещениями и деформацией электронных оболочек. Электроны смещаются к положительно заряженному электроду почти мгновенно, время установления поляризации очень мало (10^-15с) и поэтому диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты. Ионная поляризация обусловлена упругими смещениями ионов на расстояния меньше межионных. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные в сторону отрицательного. Время установления ионной поляризации мало (10^-13с) итакже не зависит от частоты.

В структуре диэлектриков имеются постоянные диполи. Постоянный диполь представляет собой пару зарядов противоположных знаков, которые взаимно уравновешены и находятся на некотором расстоянии друг от друга. Величина диполя характеризуется дипольным моментом =q1 - произведением заряда (q) на расстояние между ними (1). Диэлектрики подразделяют на полярные и неполярные. В полярных диэлектриках диполи имеют достаточную величину, расположены беспорядочно и их присутствие отражается на свойствах. У неполярных диэлектриков диполи либо попарно уравновешены, либо малы по величине. В полярных диэлектриках наблюдается так называемая дипольно-релаксационная поляризация, которая состоит в частичной ориентации диполей по направлению поля. Повороты диполей требуют преодоления некоторого сопротивления межмолекулярных сил, поляризация устанавливается значительно медленнее электронной или ионной. При нагреве молекулярные силы ослабляются, что облегчает ориентацию диполей в электрическом поле. В тоже время усиливается тепловое движение частиц, мешающее этой ориентации. Под влиянием этого дипольно-релаксационная поляризация при нагреве сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается.

Самопроизвольная поляризация наблюдается только у одного класса диэлектриков—сегнетоэлектриков, имеющих доменную структуру.

Диэлектрические потери в материалах. Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика. Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока. У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током I и напряжениемUравен 90 градусов, поэтому активная мощностьP=IUcos90равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90 градусов на угол. Этот угол называется углом диэлектрических потерь. Тангенс углаи диэлектрическая постояннаяхарактеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), [Вт/м³]:P= kE²ftg, гдеk- коэффициент; Е- напряженность электрического поля;f- частота поля, Гц. Произведение диэлектрической проницаемости на тангенс угла диэлектрических потерьtgназываетсякоэффициентом диэлектрических потерь. По величинеtgдиэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg=0,10,001) и высокочастотные (tg< 0,001). К основным источникам потерь диэлектрика относится его поляризация и электропроводность, ионизация газов имеющихся в порах и неоднородностях структуры из-за примесей и включений.

У

Рис.8.1. Кривая поляризации сегнетоэлектрика и петля диэлектрического гистерезиса.

Различают активные и пассивные диэлектрики. Диэлектрические характеристики первых зависят от внешних энергетических воздействий таких, как электрическое поле, температура, механические воздействия и т.д. Пассивные диэлектрики не изменяют своих свойств и используются в качестве электроизоляторов. К пассивным диэлектрикам относятся большинство полимерных материалов, неорганические стекла, многие виды керамики. К активным диэлектрикам относятся такие материалы, как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, жидкие кристаллы и др.