Главная > Автореферат диссертации


Раздел 4 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Тема 4.1 Классификация диэлектриков

В диэлектриках и полупроводниках зонная структура такова, что существует запрещенная зона определенной ширины.  В диэлектриках ширина зоны составляет примерно от 3 электрон-вольт до 10 электрон-вольт. 

При температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами. То есть отсутствуют свободные носители, и тело с подобным строением энергетических уровней является совершенным изолятором. При увеличении температуры или ионизации валентные электроны могут переходить в зону проводимости. Вероятность таких переходов экспоненциально увеличивается с ростом температуры.

Вещества с удельным сопротивлением Ом*см относят к изоляторам (диэлектрикам).      

Диэлектрики – это вещества, у которых запрещенная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует.

По назначению они делятся на: пассивные и активные диэлектрики.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т.е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). 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.

Активными диэлектриками называют материалы, применяемые для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

По агрегатному состоянию все диэлектрики подразделяются на: твердые, жидкие и газообразные. Имеется особая группа – твердеющие материалы (лаки, компаунды).

По химической основе различают диэлектрики: органические, неорганические и элементоорганические (промежуточные между двумя первыми).

Органическими называют материалы, содержащие в своем составе углерод, а не содержащие углерод – неорганическими.

Органические диэлектрики более гибки и эластичны по сравнению с неорганическими, но они за редким исключением менее нагревостойки.

Тема 4.2 Поляризация диэлектриков

Диэлектрик, помещенный между электродами, к которым подводится электрическое напряжение, поляризуется.

Поляризация – это процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него внешнего электрического поля.

В

Рисунок 4.1 – Процесс

поляризации в диэлектрике.

любом веществе, в том числе и диэлектрике, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. В диэлектрике под действием внешнего электрического поля связанные электрические заряды смещаются со своих равновесных состояний: положительные заряды смещаются в направлении вектора напряженности поля Е (к отрицательному электроду), отрицательные – в обратном направлении.

Так как в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, нескомпенсированные электрические заряды остаются только на поверхности диэлектрика. При этом у внутренней поверхности отрицательного электрода образуются нескомпенсированные положительные заряды, а у положительного – отрицательные. У диэлектриков, содержащих дипольные молекулы, при поляризации наблюдается также ориентация диполей в электрическом поле.

Поляризация приводит к образованию в объеме диэлектрика индуцированного (наведенного) электрического момента μ, равного векторной сумме дипольных электрических моментов молекул диэлектрика

μ = ql,

где qабсолютное значение заряда, Кл;

lрасстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов, м.

Образование индуцированного электрического момента в диэлектрике и представляет собой явление поляризации.

Интенсивность поляризации определяется поляризованностью Р, измеряемой в Кл/м2 и равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объму, когда объем стремится к нулю.

,

где μi – дипольный электрический момент молекулы; Sh=V.

Для большинства диэлектриков поляризованность прямо пропорциональна напряженности электрического поля. Такие диэлектрики называют линейными. К ним относятся все применяемые в радиоэлектронике электроизоляционные материалы. У сегнетоэлектриков прямой пропорциональности между поляризованностью и напряженностью электрического поля нет. Такие диэлектрики называют нелинейными. Они находят применение, так как позволяют управлять электрическими и оптическими свойствами материалов путем изменения напряженности электрического поля, температуры и т. д.

Поляризованность – векторная величина, направление которой совпадает с направлением электрического момента – от отрицательного заряда к положительному.

Степень поляризованности диэлектрика оценивается относительной диэлектрической проницаемостью ε. Чем выше ее значение, тем сильнее поляризуется диэлектрик и тем сильнее ослабляется внешнее поле.

Диэлектрик, включенный в электрическую цепь, можно рассматривать как конденсатор определенной емкости.

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение заряда Q конденсатора с данным диэлектриком к заряду Q0 вакуумного конденсатора тех же размеров, той же конфигурации электродов, при таком же напряжении:

ε =

Заряд конденсатора

,

где Qд – заряд, обусловленный поляризацией.

Таким образом,

Диэлектрическая проницаемость является количественной характеристикой электрических свойств диэлектрика, ее значение всегда больше единицы.

Диэлектрические проницаемости различных веществ значительно отличаются одна от другой. У газов она близка к единице, а у жидких и твердых электроизоляционных материалов равна нескольким единицам, реже десяткам единиц и весьма редко более 100.

Основные виды поляризации

В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектриков различают следующие виды поляризации: электронную, ионную, дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную и др.

Электронная поляризация представляет собой смещение центра заряда «электронного облака» относительно центра положительно заряженного ядра под действием внешнего электрического поля. Она присуща диэлектрикам, у которых «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают.

В отсутствие внешнего электрического поля у таких диэлектриков дипольный момент отсутствует. При наличии поля «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются в противоположные стороны на некоторое малое, по сравнению с размером молекулы, расстояние. Каждая молекула при этом приобретает дипольный электрический момент. При снятии внешнего электрического поля дипольный момент обращается в нуль. Подобные электрические диполи называют «упругими». Примерами подобных диэлектриков являются парафин, бензол, азот, водород.

Рисунок 4.2 – Упрощенная схема моделей атомов водорода.

Смещению противодействует кулоновское притяжение электронов к ядру. Время установления электронной поляризации очень мало (около 10-15с), поэтому она практически не зависит от частоты электромагнитного поля. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков.

Ионная поляризация

Ионная поляризация характерна для кристаллических диэлектриков ионной структуры с плотной упаковкой ионов.

При внесении кристаллического диэлектрика в электрическое поле ионы в узлах кристаллической решетки смещаются – положительные по направлению электрического поля, отрицательные – против поля. В результате этого диэлектрик в целом приобретает дипольный момент, направленный по направлению внешнего электрического поля. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию диэлектрика. Примерами подобных диэлектриков являются хлористый натрий, хлористый калий.

а— в узлах решетки в отсутствие электрического поля, б — смещенные из узлов на небольшие расстояния при воздействии поля.

Рисунок 4.3 – Идеализированная схема расположения ионов каменной соли.

Таким образом, ионная поляризация возникает вследствие упругого смещения связанных ионов из положения равновесия на расстояние, меньше постоянной кристаллической решетки. С повышением температуры поляризованность возрастает, так как тепловое расширение, удаляя ионы друг от друга, ослабляет действующие между ними силы взаимодействия. Время установления ионной поляризации около 10-13с.

Дипольно-релаксационная поляризация

Характерна для ряда веществ, у которых «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают друг с другом, и даже при отсутствии внешнего электрического поля, имеется «жесткий» дипольный момент в молекуле вещества.

Заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентируются в направлении внешнего электрического поля, создавая эффект поляризации диэлектрика. При снятии поля поляризация нарушается беспорядочным тепловым движением молекул, а поляризованность Р спадает по экспоненциальному закону.

Эта поляризация связана с потерей энергии, так как поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления и существенно зависит от температуры. Это вид поляризации свойственен всем поляризованным диэлектрикам. Примерами подобных диэлектриков являются вода, нитробензол.

Ионно-релаксационная поляризация обусловлена смещением слабо связанных ионов под действием внешнего поля на расстояние, превышающее постоянную кристаллической решетки. При этом виде поляризации возникают потери энергии, и поляризация заметно усиливается с повышением температуры. Эта поляризация наблюдается у неорганических кристаллических диэлектриков ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью. Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Этот вид поляризации возможен на низких частотах.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация характерна для диэлектриков с доменным строением, когда до приложения внешнего электрического поля в таких материалах уже имеются небольшие поляризованные области – домены, которые ориентируются внешним электрическим полем.

Наблюдаются большие диэлектрические потери и резко выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и напряженности внешнего эл.поля. Диэлектрическая проницаемость при этом может достигать очень высоких значений (до 100 000).

Проявляется только у одного класса диэлектриков – сегнетодиэлектриков (сегнетова соль, титанат бария (BaTiO2), титанат стронция (SrTiO3) и др.).

В зависимости от механизма поляризации все диэлектрики подразделяют на полярные и неполярные.

Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, которые не содержат диэлектрических диполей. Они обладают в основном только электронной поляризацией. Применяют их как высококачественные электроизоляционные материалы в технике высоких и сверхвысоких частот. К ним относятся водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (фторопласт-4) и др.

Полярные (дипольные) диэлектрики — это группа материалов, содержащих постоянные электрические диполи, которые способны к переориентации во внешнем электрическом поле. Это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. Они имеют несколько пониженные электрические свойства по сравнению с неполярными и применяются в качестве электроизоляционных материалоя в области низких частот. К ним относятся нитробензол, кремнийорганические соединения, фенолформальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, хлорированные углеводороды, капрон и др.

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля

В кристаллических средах диэлектриков образующие их ионы разного знака расположены в определенном порядке. Следовательно, может существовать поляризация и при отсутствии внешнего электрического поля. Обычно, при нормальных условиях, эта поляризация не проявляется, так как создаваемое электрическое поле компенсируется полем свободных зарядов, натекающих на поверхность кристалла как извне, так и из объема кристалла. Нарушение электрической компенсации может быть вызвано различными внешними воздействиями.

Пироэлектрики – при изменении температуры кристалла возникает поляризация.

Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, - кристаллические диэлектрики, обладающие в некотором диапазоне температур спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, причем поляризация существенно изменяется по величине и знаку под влиянием внешних воздействий;

Пьезоэлектрики – при механической деформации возникает наведенная поляризация.

Диэлектрики, длительное время сохраняющие поляризованное состояние после снятия электрического поля, называют электретами.

В зависимости от влияния напряженности электрического поля на значение относительной диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики подразделяют на линейные и нелинейные.

Для линейных диэлектриков с малыми потерями энергии зависимость заряда конденсатора от напряжения (переменной полярности) имеет вид прямой;

для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) в этих условиях зависимость заряда от напряжения принимает форму петли гистерезиса.

Функции, выполняемые диэлектриками в РЭА.
Диэлектрики имеют чрезвычайно большое значение для радиоэлектронной техники. В простейших случаях своего применения, диэлектрики используются в качестве электроизоляционных материалов. Назначение электрической изоляции сводится к тому, чтобы воспрепятствовать прохождению электрического тока по путям, нежелательным для работы данной электрической схемы. Однако, помимо пассивных, изолирующих функций, некоторые виды диэлектриков выполняют активные функции, порой более сложные, чем полупроводниковые материалы. Дадим некоторый (не полный) перечень функций, выполняемых диэлектриками в РЭА и элементов, в которых они используются.
Пассивные функции
1) Электроизоляция проводников тока;
2) Поляризационно – изолирующая межобкладочная среда конденсаторов;
3) Подзатворная изоляция полевых транзисторов;
4) Связующая среда магнитодиэтектриков;
Активные функции
5) Вариконды, датчики температуры, нелинейные усилительные элементы (на основе сегнетоэлектриков);
6) Пьезоэлектрические генераторы, резонаторы, трансформаторы. Элементы акустоэлектроники (на основе пьезоэлектриков, акустооптических материалов);
7) Источники постоянного электрического поля (на основе электретов);
8) Электролюминофоры, фотолюминофоры, сцинтилляторы;
9) Модуляторы света;
10) Оптические запоминающие устройства;
11) Индикаторы (на основе жидких кристаллов);
12) Рабочие оптические лазерные среды.


Тема 4.3 Электропроводность диэлектриков

Диэлектрические материалы обладают некоторой электропроводностью, которая связана с направленным перемещением заряженных частиц (электронов, ионов). Образуются эти частицы по различным причинам. Электроны образуются при ионизации молекул вещества и соударения заряженных частиц с поверхностью анода. Ионы создаются при ионизации нейтральных молекул под воздействием внешних факторов.

Ток в диэлектриках называется током утечки.

Ток, протекающий через объем материала, называется объемным, а ток, протекающий по поверхности – поверхностным.

При включении диэлектрика в цепь постоянного напряжения происходит резкий скачок тока, а затем уменьшение его до постоянного значения. Это постоянное значение называется током сквозной проводимости iск. Сквозной ток возникает под действием небольшого количества свободных зарядов.

Спадающий во времени ток, обусловленный перераспределением свободных зарядов, называют абсорбционным iаб. Вызван он релаксационными видами поляризации

Ток, сопутствующий электронной и ионной поляризации, называется током смещения iсм.

Таким образом, ток, проходящий через диэлектрик, представляет собой сумму токов: i = iсм, + iаб + iск.


Рисунок 4.5 – Векторная диаграмма токов в диэлектрике

Рисунок 4.4 – Изменение мгновенных значений токов в диэлектрике после подачи постоянного напряжения


Так как абсорбционный ток быстро затухает, электропроводность изолирующих материалов при постоянном напряжении определяется по сквозному току:

γ = Iск /U.

Удельная проводимость диэлектриков γ в нормальных условиях составляет 10-10 – 10-16 См/м.

В случае переменного напряжения все три вида токов имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Полный ток через диэлектрик равен векторной сумме активной и реактивной составляющих тока:

I = Ia + Ip = (I аб + Ick) + (Iаб + Iсм).

При переменном напряжении активная составляющая определяется как сквозным током, так и активной составляющей тока абсорбции, а при постоянном напряжении – только сквозным током.

Электропроводность диэлектриков оценивается величиной удельного электрического сопротивления постоянному току ρ, Ом х м.

Различают удельное объемное электрическое сопротивление ρv и удельное поверхностное электрическое сопротивление ρs.

Удельное объемное электрическое сопротивление ρv определяет свойства изоляции, когда основные утечки тока происходят через объем материала, например в экранированном электрическом проводе.

Удельное поверхностное электрическое сопротивление ρs является важнейшей характеристикой при оценке изоляционных материалов в таких деталях, как линейные изоляторы.

Оба параметра у твердых диэлектриков зависят от температуры, влажности и приложенного напряжения.

Чем больше примесей содержится в диэлектрике, тем меньше его удельное объемное электрическое сопротивление.

Диэлектрические потери

Рассеянная часть поглощенной диэлектриком электрической энергии называется диэлектрическими потерями.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при постоянном напряжении, так и при переменном.

При постоянном напряжении

Pa = U2/R = UIck = I2ckR,

где Pa – активная мощность, Вт.

При переменном напряжении

Pa = UIa.

Ia/Ip = tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь;

δ – угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз φ между током и напряжением.

Ia = Ip tgδ.

Ip = UωC,

где ω – угловая частота, с-1; С – емкость конденсатора, Ф.

Тогда

Ia = UωC tgδ.

Pa = U2ωC tgδ.

Тангенс угла диэлектрических потерь – важный параметр диэлектрика, который определяет активную мощность, которая теряется в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Чем меньше tgδ, тем лучше диэлектрик, так как в нем будут меньше потери энергии и меньше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряжения.

Для большинства диэлектрических материалов, применяемых в качестве электроизоляционных tgδ = 0,0001– 0,01.

Пробой диэлектрика

Пробоем диэлектрика называют явление, приводящее к потере диэлектриком его электроизоляционных свойств с образованием канала высокой проводимости.

При пробое почти весь ток течет по узкому каналу, происходит так называемое шнурование тока. При этом в газах по месту пробоя образуется канал газоразрядной плазмы.

В жидких диэлектриках происходит вскипание и газовыделение в месте пробоя.

В твердых диэлектриках ток большой силы прожигает и проплавляет в месте пробоя отверстие.

Если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их, то происходит полный пробой.

Если проводящий канал не достигает хотя бы одного электрода, то происходит неполный пробой.

При частичном пробое пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика.

У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему возможен пробой по поверхности.

Рисунок 4.6 – Вольтамперная характеристика твердого диэлектрика


Минимальное напряжение, приводящее к пробою диэлектрика, называется пробивным напряжением Uпр.

Uпр = Eпрh,

где h – толщина диэлектрика в месте пробоя.

Пробивное напряжение растет с увеличением толщины диэлектрика.

Для характеристики способности материала противостоять разрушению в электрическом поле используют

величину напряженности электрического поля Eпр,

кВ/м, при которой происходит пробой.

Eпр = Uпр / h.

Напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою, называется электрической прочностью.

Электрическая прочность Епр является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Физико-химические основы материаловедения и технологии композитов (часть i ) кредиты 3 аннотация дисциплины

    Документ
    ... ансамблей. Физико-химический анализ дисперсных систем. Модуль 2. Явления на границе раздела фаз. Общие ... – 17 часов. Составила доцент Г.А. Чиганова Физико-химические основы материаловедения и технологии композитов (часть II) Кредиты ...
  2. Раздел «молекулярная физика» в школьном курсе физики § 1 значение место и особенности раздела «молекулярная физика»

    Задача
    ... этого раздела курса физики. Достижения молекулярной физики являются научной основой та­кой отрасли промышленности, как материаловедение ... , но и в электрических, магнитных, химических и др. В основе термодинамического метода лежат следующие поня­тия ...
  3. Физико-химические основы технологии строительных материалов

    Документ
    ... Рассмотрены основные разделы одноименного курса: теоретические основы дорожно-строительного материаловедения, активационно- ... создания бездефектных материалов 86 1.4.6. Физико-химические основы технологии производства асфальтобетонных смесей и ...
  4. Материаловедение и технология конструкционных материалов

    Учебно-методический комплекс
    ... – дать основы материаловедения, принципы выбора необходимых материалов, привить навыки практического определения физико-механических ... группу химических соединений. 6.3.1. Классификация полимеров и свойства полимеров По происхождению полимеры разделяют ...
  5. Евгений петрович прокопьев ( rus )( eng ) общий список публикаций антиматерия и позитроника позитроника и нанотехнологии позитроника позитронная аннигиляция физика сложных систем синергетика материаловедение нанотехнологии другие смежные проблемы

    Документ
    ... . Прокопьев Е.П. О поверхностных состояниях на границе раздела полупроводник-металл. М., 1985. 5 с. - Деп. в ... процессах. Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния ...

Другие похожие документы..