Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003), страница 10

1.29, кривая 2). В области низких температур повышение температуры ведет к ослаблению межмолекулярных сил, что облегчает поворот диполей под действием сил поля. В области высоких температур а уменьшается из-за возрастания беспорядочных тепловых колебаний. В ионных кристаллах с плотной упаковкой наряду с уменьшением плотности вещества наблюдается возрастание поляризуемости ионов вследствие ослабления упругих связей между ними при тепловом расширении, поэтому диэлектрическая проницаемость с ростом температуры возрастает (о„= +100 1О ' 1/К). У некоторых кристаллов, содержащих ион титана (рутил Т10„перовскит СаТЮ,), преобладает электронная поляризация, поэтому с ростом температуры диэлектрическая проницаемость уменьшается (а, = — 1500 10 ' 1/К для перовскита, а, = -750 10-' 1/К для рутила).

Эти диэлектрики применяют в термокомпенсирующих конденсаторах. В ионных кристаллах с неплотной упаковкой с увеличением температуры возрастает число слабо связанных ионов„поэтому диэлектрическая проницаемость возрастет. Температурный коэффициент таких диэлектриков достигает величины ч.100 10 '1/К. Наиболее сильная зависимость от температуры наблюдается у сегнетоэлектриков (рис. 1.30), у которых увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации доменов. Поэтому поляризованность доменов с ростом температуры возрастает, что ведет к увеличению диэлектрической проницаемости.

Рост диэлектрической проницаемости происходит до температуры Т», называемой тиемлершпурой Кюри. За пределами этой температуры происходит распад доменных структур и резкое уменьшение диэлектрической проницаемости. тк т Рис. 1.30 Частотная зависимость проницаемости обусловлена инерционностью процессов поляризации.

У неполярных диэлектриков, характеризующихся электронной поляризацией, процесс образования упругих диполей протекает практически мгновенно, поэтому диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты (рис. 1.31, кривая 1). й гг лис.

1.в1 Глава 1. Электрофизические свойства рвдиоматериалов У полярных диэлектриков в области низких частот вплоть до частоты г", твердые диполи успевают поворачиваться за половину периода колебаний, поэтому диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты (рис. 1.31, кривая 2). На частотах выше 1, диполи не успевают следовать за изменениями электрического поля, вследствие чего снижается интенсивность дипольной поляризации и резко уменьшается диэлектрическая проницаемость.

На частотах выше Гз процесс дипольной поляризации полностью отсутствует и сохраняется только электронная поляризация. Электропроводностьдиэлектриков У диэлектриков очень широкая запрещенная зона, поэтому свободные носители заряда практически отсутствуют. Основной причиной электропроводности является наличие в объеме и на поверхности ионов различных примесей. При высоких температурах проводимость также может быть обусловлена ионами самого материала. Различают объемную и поверхностную электропроводность, Объемная электропроводность создается ионами примесей или ионами диэлектрика, которые, находясь в состоянии первоначального закрепления и совершая тепловые колебания, способны преодолеть силы взаимодействия с другими молекулами и перейти в новое положение временного закрепления.

В отсутствие электрического поля направления перемещения ионов равновероятны, и ток равен нулю. При наличии поля движение ионов создает ток, плотность которого равна 1 = Ч тч тттл где Ут — концентрация диссоциированных ионов; о, — средняя скорость движения ионов. Скорость пт пропорциональна напряженности поля: от= рте Здесь рт — подвижность ионов. Следовательно, можно записать: ~ = Ч д~т рт й' = о.к Здесь о, = д Хт рт — удельная объемная проводимость диэлектрика. Величины Хт и рт зависят от температуры: Мт =Хехр — — ' Е рт = р ехр~- —, йт !' где Ж вЂ” концентрация диссоцнированных ионов; Ж вЂ” общая концентрация ионов; р — предельная подвижность ионов; 51 1.3. Электрофизические свойства диэлектрических материалов Е, — энергия диссоциации, необходимая для того, чтобы преодолеть действие сил молекулярного взаимодействия; Š— энергия перемещения диссоциированного иона, необходимая для перемещения иона нз одного состояния закрепления в другое.

Подставляя Хг и )гг в формулу для о„получаем и, =Аехр — —" где А — коэффициент пропорциональности, включающий в себя Уг и рг; Е» — суммарная энергия активизации (Е, = Е, + Е, ). Так как в объеме имеются как ионы примеси, так и собственные ионы, то о, = А,ехр — — '- +А,ехр — — ' (828) Здесь А, и Е, характеризуют примесную ионную электропроводность, А, и Е,— собственную.

Прн низких температурах преобладает первое слагаемое, а при высоких — второе. Ток, создаваемый движением ионов, называют током сквозной проводимости — 1,„. Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями, различными дефектами на поверхности диэлектрика. По способности реагировать на влагу различают гидрофобные н гидрофильные материалы. Гидрофобные материалы практически не смачиваются, и их удельное поверхностное сопротивление велико.

Гидрофильные материалы смачиваются, поэтому на поверхности диэлектрика образуется непрерывный токопроводящий слой. Способность материала поглощать влагу называется адсорбцией. Такой способностью обладают полярные и ионные диэлектрики. Для уменьшения поверхностной электропроводности создают защитные гидрофобные покрытия. Диэлектрические потери Диэлектрическими потерями называют мощность, расходуемую электрическим полем на поляризацию диэлектрика. Эта мощность выделяется в виде тепла.

Поглощение мощности диэлектриком обусловлено медленными поляризациями и электропроводностью диэлектрика. Если между обкладками конденсатора помещен неполярный диэлектрик, то пропорционально изменению напряженности электрического поля изменяются электрические моменты диполей и, соответственно, электрические заряды, наводимые на обкладках конденсатора, вследствие чего в диэлектрике возникает ток смещения (емкостный ток), пропорциональный скорости изменения напряженности поля: Ю 1с» ееа дг ' Если напряженность поля изменяется по синусоидальному закону, то 1,„= Ого С. Глава 1. Эле изические свойства адиоматериалов При этом 1 опережает приложенное напряжение на угол я/2 (рис.

1.32). Если между обкладками конденсатора помещен полярный диэлектрик, то поворот не- упругих диполей запаздывает относительно изменения напряжения на величину временной релаксации т, = 10 г с, в результате чего возникающий ток опережает напряжение на угол гр < 90', Этот ток называется током абсорбции. Таким образом, ток смещения (1 ) обусловлен электронной полярюацией, а ток абсорбции (1и) — дипольной. Кроме того, в диэлектрике существует сквозной ток 1,„, совпадающий по фазе с приложенным напряжением. Следовательно, полный ток равен1=1„+1,„+1 .Активнаясоставляющаятакоготокаравна1,=1,„+1„~,ареактивная — 1, = 1,„+ 1„,. lкы Рис.

1.32 Угол б, дополняющий до 90' угол фазового сдвига между током и напряжением, называют углом йалектрическик потерь. Тангенс угла диэлектрических потерь, как зто следует ю векторной диаграммы, можно рассчитать по формуле гйб= 1,,/1,. Из-за наличия тока 1, в диэлектрике выделяется мощность Р,= (!1, = У1, гяб. Поскольку 1, = (! ю С, то Р, = (Р ю С гя б. Таким образом, потери энергии в диэлектрике определяются величиной гяб. У широко применяемых диэлектриков гй б = (2...5) 10 з, у высококачественных диэлектриков гяб = (2...5) 10 '. У неполярных диэлектриков прн возрастании температуры гй б увеличивается (рис. 1.33, кривая 1), так как потери растут из-за возрастания тока 1,„. О 1 2 3 Т Рис. 1.33 53 1.3.

Электрофизические свойства диалект ических материалов У полярных диэлектриков (рис. 1.33, кривая 2) возможности поворота молекул при низких температурах ограничены из-за сил трения между ними. Поэтому количество молекул, участвующих в процессе дипольной поляризации, и время установления поляризации т, невелики, вследствие чего гя Ь имеет небольшую величину. По мере роста температуры облегчается поворот молекул, возрастает их количество и уменьшается время т„что ведет к увеличению гйб (участок 1). Так происходит до тех пор, пока время т, не окажется равным длительности периода изменения поля. При этом условии дипольная поляризация получает наибольшее развитие и гяб достигает максимума.

При еще более высоких температурах время т, становится существенно меньше периода изменения напряженности поля, поэтому запаздывание дипольной поляризации относительно изменений поля практически исчезает и гяб уменьшается (участок 2). С повышением частоты максимум гяб смещается в область более высокой температуры.

При дальнейшем повышении температуры гя Ь начинает увеличиваться, что связано с возрастанием сквозного тока (участок 3). В неполярных диэлектриках с увеличением частоты возрастает ток 1„а ток 1„сохраняется неизменным, поэтому Гяб уменьшается (рис. 1.34, кривая 1). о ь Рис. 1.зе В полярных диэлектриках в области низких частот ток 1„не велик, поэтому при повышении частоты гя б уменьшается за счет роста тока 1,„. Затем с ростом частоты возрастает число переориентаций полярных молекул в единицу времени и увеличивается ток 1„„вследствие чего растет Гяб .