Поляризация диэлектриков, виды поляризации

Лекция 3. Электрические процессы в диэлектриках, поляризация, электропроводность и пробой диэдектриков

Физико-химические характеристики

Влагопоглощаемость w – свойство материала, находящегося во влажной атмосфере, поглощать влагу. Для определения влагопоглощаемости пластины диэлектрика определенного размера вначале взвешивают, а затем помещают во влажную атмосферу при 20°С; по истечении 24, 48 ч и более образцы извлекают и снова взвешивают. Влагопоглощаемость (% по массе) вычисляют по формуле w= (G₂ – G₁ )100 /G₁, где G₁ – масса образца мате-риала в исходном состоянии, г; G₂ – масса образца материала после пребывания во влажной атмосфере в течение 24, 48 ч и более, г.

Тропическая стойкость (тропикостойкость) – стойкость радиома-териалов к атмосферным воздействиям в странах с тропическим климатом. В условиях влажного тропического климата на незащищенные радиоматериалы могут воздействовать: высокая температура окружающего воздуха (45 ÷ 55°С); резкое изменение температуры в течение суток; высокая влажность воздуха (90÷95%); солнечная радиация; воздух, содержащий соли и пыль; плесневые грибки, повреждающие многие материалы органического происхождения; насекомые, повреждающие органические диэлектрики.

Наиболее тропикостойкими являются материалы неорганического происхождения – радиокерамика, ситаллы и некоторые полимерные диэлектрики (кремнийорганические, фторорганические и др.).

Радиационная стойкость – характеристика, позволяющая оценить стойкость радиоматериалов к воздействиям ионизирующих излучений: α, β, γ, потоков нейтронов и др. Ионизирующие излучения вызывают структурные изменения в диэлектриках органического и неорганического происхождения, а также в полупроводниках и проводниках. Результатом этого является изменение первоначальных свойств и характеристик материалов. Особенно сильное воздействие ионизирующее излучение оказывает на органические диэлектрики, часто вызывая их разрушение. Однако при небольших дозах облучения у некоторых органических диэлектриков (полиэтилен, пропилен) улучшается их структура и основные характеристики. Особенно сильным излучениям подвергаются узлы радиоустройств и радиоматериалы летательных аппаратов (ракеты, космические корабли и др.).

Содержание лекции:

- поляризация диэлектриков, виды поляризации;

- электропроводность и пробой диэдектриков;

Цели лекции:

- изучение различных видов поляризации диэлектриков;

- изучение электропроводности и пробоя диэдектриков.

При приложении напряжения в диэлектрике протекают различные эле-ктрические процессы – поляризация, электропроводность и др. При большом

напряжении может произойти разрушение диэлектрика (пробой).

Поляризация диэлектрика – это процесс упорядочения его связанных зарядов под действием приложенного электрического поля.

Электронная поляризация. При приложении напряжения в диэлектрике создается электрическое поле с напряженностью Е, силы которого действуют на атомы диэлектрика. Под действием этих сил электроны в каждом из атомов смещаются относительно своего ядра в сторону положительного эле-ктрода (рисунок 3.1-а).

а) б)

Рисунок 3.1 – Электронная поляризация диэлектрика (а), зависимость диэле-ктрической проницаемости неполярных диэлектриков от температуры (б).

Смещенные электроны образуют с положительными зарядами ядер атомов пары связанных друг с другом электрических зарядов, которые называются упругими диполями. Образование упругих диполей в диэлек-трике происходит мгновенно (в течение 10^-14 ÷10^-16 с). так же мгновенно уп-ругие диполи исчезают, если с диэлектрика (конденсатора) снять напря-жение. Процесс образования упругих диполей происходит у всех диэлектриков и называется электронной поляризацией. Мгновенное смещение электронов в диэлектрике и образование упругих диполей внешне проявляет себя в виде тока смещения в диэлектрике (см. рисунок 3.1-б).

Практическое значение процесса поляризации заключается в том, что диэлектрическая проницаемость материала зависит от интенсивности проте-кающего в нем процесса поляризации. В простейшем случае этот процесс может быть выражен уравнением

ε_r = 1 + 4 π n α_Э, (3)

где n –концентрация частиц (атомов, молекул) в диэлектрике; α_Э –электрон-ная поляризуемость – величина, зависящая от структуры молекулы.

Из уравнения (3) видно, что ε_r зависит от концентрации поляри-зующихся частиц и их способности поляризоваться, т.е. от величин n и α_Э. Поэтому диэлектрическая проницаемость диэлектриков с кристаллической структурой больше диэлектрическая проницаемость диэлектриков с аморфной структурой, т.к. плотность упаковки поляризующихся атомов и молекул в первом случае больше, чем во втором.

На основании уравнения (3) также можно сказать, что ε_r с увеличением температуры диэлектрика уменьшается, как показано на рисунке 2.1- б. Это объясняется увеличением объёма диэлектрика и уменьшением концентрации поляризующихся частиц в единице объёма.

Дипольная поляризация. Полярные диэлектрики состоят из полярных молекул, имеющих положительно и отрицательно заряженные ионы, центры зарядов которых не совпадают (рисунок 3.2-а). Полярные молекулы являются

а) б) в)

Рисунок 3.2 – Схема полярной молекулы (а), зависимость диэлектрической проницаемости от температуры полярного 1 и неполярного 2 диэлектриков (б), зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для полярного 1 и неполярного 2 диэлектриков (в).

электрически заряженными, так как они обладают начальным электрическим моментом μ. Величина μ равна произведению заряда q одного из ионов на расстояние l между центрами ионов, т.е. μ = ql. Электрический момент μ обозначается вектором, направленным от отрицательного иона к положительному. Такая система зарядов называется твердым диполем в отличие от упругого диполя, образующего из нейтральной молекулы под действием электрического поля.

Твердые диполи возникают в диэлектрике до воздействия приложенного напряжения. Образование твердых диполей и, следовательно,

полярных молекул обусловлено асимметрией строения молекул многих диэлектриков. Если к полярному диэлектрику приложить электрическое напряжение, в нем возникнут два вида поляризации: электронная и дипольная. Сначала происходит процесс быстрого (порядка cотых долей пикосекунды) смещения электронов относительно ядер в атомах диэлектрика – электронная поляризация. Затем протекает более замедленный процесс дипольной поляризации. Он представляет собой поворот полярных молекул под действием сил электрического поля. Внешне поворот полярных молекул проявляется в виде тока абсорбции.

Поскольку в полярных диэлектриках происходят два вида поляризации, их диэлектрическая проницаемость будет значительно больше, чем у неполя-

рных диэлектриков. Рост диэлектрической проницаемости у полярного диэлектрика при увеличении температуры (рисунок 3.2-б, кривая 1) вызван повышением интенсивности процесса дипольной поляризации. Это объясняется уменьшением межмолекулярных сил, что облегчает поворот по-

лярных молекул поддействием сил электрического поля. Изменение значения ε_r у неполярных диэлектриков (кривая 2) связано с уменьшением концентрации молекул.

Зависимость диэлектрической проницаемости полярного диэлектрика от частоты (рисунок 3.2.-в, кривая 1) имеет резкий излом. Так, до частоты f₁ почти все молекулы успевают совершить поворот за время одного полупериода электрического поля. При частоте f₂ и выше полярные молеку-лы не успевают развернуться и ориентироваться в электрическом поле, т.е. интенсивность процесса дипольной поляризации резко снижается. Соответ-

ственно уменьшается и диэлектрическая проницаемость ε_r. В области частот выше f₂ имеет место процесс только электронной поляризации, дипольная же поляризация практически отсутствует. Диэлектрическая проницаемость неполярного диэлектрика не зависит от частоты приложенного напряжения в широком диапазоне частот (кривая 2), поскольку имеет место мгновенный процесс электронной поляризации, практически не зависящий от частоты. Поэтому в технике высоких частот широко используют неполярные диэлектрики.

Ионная поляризация имеет место в ионных кристаллических диэлект-риках. Приложение напряжения вызывает появление сил, под воздействием которых ионы упруго смещаются относительно своего первоначального по-ложения за время 10^-13 ÷ 10^-12 с, образуя упругий диполь. Наряду с процессом ионной поляризации имеет место и электронная поляризация, поэтому об-щая интенсивность поляризации у ионных кристаллических диэлектриков большая, поэтому диэлектрическая проницаемость у них ε_r = 5÷12 и более, не зависящая от частоты. Ионные диэлектрики (радиокерамика, слюда) ши-роко применяются в радиоэлектронике.

Спонтанная поляризация. У некоторых диэлектриков (сегнетова соль) наблюдается процесс самопроизвольной ориентации диполей при отсутствии внешнего электрического поля. Ориентированные диполи образуют области с одинаковым направлением вектора дипольного момента – домены, но раз-ные домены имеют разные направления векторов и общий электрический мо-мент сегнетоэлектрика равен нулю. Если к сегнетоэлектрику приложить на-пряжение, домены начинают ориентироваться по направлению сил электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков весьма велика (ε_r = 1500÷7500) и она в сильной степени зависит как от температуры, так и от на-

пряженности электрического поля.