Твердые диэлектрики

В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации.

Для нейтральных диэлектриков ε = n ², что подтверждается ниже приведенными результатами для неполярных диэлектриков при температуре 20 ºС.

Ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц обладают электронной и ионной поляризацией. ε изменяется в широких диапазонах. С ростом температуры ε обычно растет. В неорганических аморфных диэлектриках (стеклах) ε изменяется в пределах от 4 до 20, возрастает с ростом температуры, хотя в ряде случаев (рутил TiO₂,титанат кальция CaTiO₃) может и уменьшаться.

Органические полярные диэлектрики имеют дипольно–релаксационную поляризацию. ε изменяется в широких пределах, но обычно имеет значение 4 – 10. Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, частоты приложенного напряжения, подчиняясь, в целом, закономерностям, проявляющимся у полярных жидкостей.

Из многообразия свойств диэлектрических материалов, определяющих их техническое применение, главными являются электрические свойства: электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрический пробой и электрическое старение.

Электропроводность диэлектрических материалов обусловлена существованием в них весьма небольшого количества свободных зарядов: электронов (дырок), ионов, молионов. Молионы присущи жидким диэлектрикам и представляют собой частицы твердых диэлектриков коллоидных размеров (10^-6 м), которые заряжаются, адсорбируя имеющиеся в жидкости ионы. Носители заряда образуются в результате термической генерации, фотогенерации, действия ионизирующих излучений, инжекции электронов (дырок) с металлических электродов, ударной ионизации в сильных электрических полях. Различают дрейфовый, прыжковый (носитель большую часть времени локализован, перемещения занимают меньшую часть) и диффузионный механизмы перемещения носителей заряда. Направленный поток носителей заряда в диэлектриках (электрический ток) может обусловливаться: электрическим полем; градиентом температур; сочетаниями электрического поля и градиента температур, электрического и магнитного полей, градиента температур и магнитного поля.

Электропроводность диэлектрика характеризуется удельными объемной σ, См·м^-1, и поверхностной σ_S, См, проводимостями или удельными объемным ρ, Ом·м, и поверхностным ρ_s, Ом, сопротивлениями (для газообразных и жидких диэлектриков σ_s и ρ_s не определяются). При нормальных температуре, влажности и напряженности электрического поля ρ составляет 10⁶—10⁸ Ом·м для низкокачественных и 10¹⁴—10¹⁷ Ом·м для высококачественных диэлектриков. С ростом температуры ρ жидких и твердых диэлектриков, как правило, уменьшается.

Уменьшение ρ характеризуют температурным коэффициентом удельного объемного сопротивления, . К^-1, .

Измерения ρ и ρ_s производят при постоянном напряжении.

В электрическом поле в диэлектрике происходят поляризации: за время 10^-16— 10^-15 с электронная упругая у всех диэлектриков независимо от агрегатного состояния; в течение 10^-14—10¹³с ионная упругая (в ионных кристаллах); за соизмеримое с полупериодом T/2 приложенного напряжения время дипольная (в полярных диэлектриках) и миграционная — объемно-зарядовая и тепловая ионная (в содержащих микро- и макронеоднородности диэлектриках); доменная (в сегнетоэлектриках), определяемая ориентацией векторов спонтанной поляризованности.

Поляризация диэлектрика может быть вызвана: механическими нагрузками (пьезополяризация в пьезоэлектриках); нагревом (пирополяризация в пироэлектриках); светом (фотополяризация).

Поляризованное состояние диэлектрика в электрическом поле Е характеризуется электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р, Кл/м², которая связана с его относительной диэлектрической проницаемостью ε_r: Р=ε_o(ε_r-1)Е, где ε_o =8,85·10^-12 Ф/м. Произведение ε_oε_r=ε, ф/м, называют абсолютной диэлектрической проницаемостью. В газообразных диэлектриках ε_r мало отличается от 1,0, в неполярных жидких и твердых достигает 1,5—3,0, в полярных имеет большие значения; в ионных кристаллах ε_r =5÷10, а в имеющих перовскитовую кристаллическую решетку достигает 200; в сегнетоэлектриках ε_r =10³ и больше.

В неполярных диэлектриках с ростом температуры ε_r незначительно уменьшается, в полярных изменения ε_r связаны с преобладанием того или иного вида поляризации, в ионных кристаллах ε_r увеличивается, в некоторых сегнетоэлектриках при температуре Кюри ε_r =10⁴ и больше. Температурные изменения ε_r характеризуют температурным коэффициентом, К^-1, ТК .

Для полярных диэлектриков характерным является уменьшение ε_r в области частот, где время τ на поляризацию соизмеримо с T/2. Диэлектрическими потерями называют мощность, поглощаемую диэлектриком из электрического поля вследствие электропроводности, медленных видов поляризации (их время τ соизмеримо с Т/2), ионизации газовых включений на высоких частотах и в сильных электрических полях в диэлектриках.

Диэлектрические потери характеризуются углом диэлектрических потерь δ и тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ = P_a / P_p, где P_a — мощность диэлектрических потерь, P_p — реактивная мощность конденсатора. Произведение ε_r tg δ = ε " называют коэффициентом диэлектрических потерь. Удельные диэлектрические потери, Вт/м³, P_уд=σЕ², при постоянном напряжении; P_уд=5,56·10^-11Е²ε_rftgδ при переменном с частотой f, Гц; произведение σ_a=5,56·10^-11ε_rftgδ, См·м^-1, называется проводимостью диэлектрика на переменном напряжении. Критерием существования различных механизмов потерь служит соотношение fε_rρtgδ ≥ 1,8·10¹⁰, где знак равенства соответствует существованию потерь только от электропроводности. Определение ε_r и tgδ производят при частоте 50 Гц.

Для диэлектриков, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений, tgδ не должен превышать 10^-3, для работающих в менее ответственных условиях допускается большее значение tgδ.

В неполярных диэлектриках, ионных кристаллах с ростом температуры tgδ увеличивается (как и σ), в полярных при температурах, где τ и Т/2 соизмеримы, tgδ имеет максимум, который смещается в область больших температур при увеличении частоты. С ростом частоты в неполярных диэлектриках tgδ уменьшается, в полярных в области, где τ и Т/2 соизмеримы, имеет максимум, смещающийся в область больших частот при увеличении температуры.

Пробой, электрическая прочность, электрическое старение диэлектриков. Пробой, потеря электрической прочности наступает, если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения протекающий через нее сквозной ток возрастает до 10⁸ А/м². Различают следующие три вида пробоя диэлектриков.

Электрический пробой (электронный пробой), протекающий за 10^-8—10^-5 с, обусловлен ударной ионизацией ускоренными в электрическом поле электронами. Электрическая прочность при электрическом пробое воздушных промежутков при нормальных условиях составляет 3·10⁶ В/м, тщательно очищенных жидкостей достигает 10⁸ В/м, твердых диэлектриков (монокристаллов) -10⁹ В/м.

Электротепловой пробой (тепловой пробой) обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь в местах наихудшего теплоотвода образца (изделия). Такой пробой развивается за 10^-3—10² с, E_пр здесь достигает 10⁷ В/м.

Электрохимический пробой (электрическое старение) обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под воздействием электрического поля и (или) разрядов в окружающей среде. Время развития электрохимического пробоя составляет 10³—10⁸ с и называется временем жизни диэлектрика τ_ж. С увеличением температуры в напряженности электрического поля τ_ж, как правило, уменьшается. Такой пробой развивается в полях, значительно меньших, чем E_пр диэлектрика. Основной причиной электрического старения полимеров являются частичные разряды (ЧР).

Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы диэлектрика и условий определения E_пр или эксплуатации. При испытаниях на импульсах длительностью 10^-8—10^-5 с в условиях отсутствия разрядов у краев электродов происходит электрический пробой. Если о такого диэлектрика велика и резко зависит от температуры, то при выдержке этого же образца под напряжением в течение 10^-3—10^-2 с в нем развивается тепловой пробой. При воздействии на образец в течение длительного времени меньшими напряжениями, при которых в диэлектрике происходят ЧР или другие процессы, обусловливающие старение, наблюдается электрохимический пробой.