[7] Диэлектрические Материалы (Материалы с сайта Арсеньева)

7. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

7.1 Определения и классификация

Согласно зонной теории твердого тела диэлектри­ки— это вещества, у которых запрещенная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует.

По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики. Электроизоляционными называют материалы, применяе­мые для создания электрической изоляции между различными токоведущими частями радиоэлектронной аппаратуры. Активными диэлектриками называют материалы, применяемые для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подраз­деляют на твердые, жидкие и газообразные. В особую группу мож­но выделить твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но в процессе изготовления изоляции отверждаются и в период эксплуатации представляют собой твер­дые вещества, например лаки, компаунды.

По химической основе диэлектрические материалы подразделя­ют на органические, неорганические и элемёнтоорганические — промежуточные по своему составу между первыми двумя.

Органическими называют материалы, содержащие в своем составе углерод. Материалы, в состав которых углерод не входит, называют неорганическими. Однако есть ряд соединений, имеющих а своем составе углерод и относящихся к неорганическим веществам: оксиды углерода, сероуглерод, угольная кислота и ее соли.

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

В последнее время диэлектрические материалы все шире приме­няют при изготовлении различных радиоэлектронных приборов и устройств, следовательно, растут и требования, предъявляемые к диэлектрикам.

Для оценки эксплуатационных свойств диэлектриков и возмож­ных областей их применения необходимо изучить физические явле­ния, которые имеют место в материалах при воздействии на них электромагнитного поля, и определить параметры: поляризацию, электропроводность, диэлектрические потери, электрическую проч­ность, а также физико-химические и механические свойства. Кроме того, нужно установить параметры, количественно определяющие свойства диэлектрических материалов.

7.2. Поляризация конденсированных сред

7.2.1. Определения и основные виды поляризации

Одним из основных процессов, происходящих в диэлек­трике под действием электрического поля, является процесс поляризации. Под поляризацией понимают процесс измене­ния расположения заряженных частиц в пространстве, в ре­зультате которого последний приобретает электрический момент.

В зависимости от природы вещества различают следую­щие виды поляризации:

1
. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. На рис. 7.2.1 показана схема моделей атома водорода в отсутствии внешнего электрического поля (а) и при его воздействии (б).

Рис. 7.2.1

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около 10^-15с), поэтому иногда ее называют мгновенной. Электронная поляризация происхо­дит без потерь электрической энергии вплоть до резонансных частот, т.е. до частот порядка 10¹⁴—10¹⁶ Гц. Значение диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией равно квадрату показателя преломления ве­щества (ε=n²).

2. Ионная поляризация ха­рактерна для твердых тел с ионным строением и обуслов­лена смещением упруго связан­ных ионов на расстояние (Δх) меньше периода решетки (рис. 7.2.2). Смещение двух разно­именных заряженных ионов приводит к появлению элемен­тарного электрического момен­та р_n: р_n = q Δх, где q — заряд иона. Сумма всех таких элементарных моментов, приходя­щихся на единицу объема, определяет ионный вклад в про­цесс поляризации диэлектрика.

Р
ис. 7.2.2

Время установления ионной поляризации порядка 10^-12—10^-13 с; так же как и электронная, ионная поляризация проис­ходит без потерь электрической энергии вплоть до резонанс­ных частот, поэтому электронную и ионную поляризации от­носят к мгновенным и упругим видам поляризации.

Р
ис. 7.2.3

3. Дипольпо-релаксационная поляризация вызвана неко­торой ориентацией под влиянием внешнего электрического поля находящихся в хаотическом тепловом движении дипольных (полярных) молекул. Под полярной молекулой или ди­полем понимают молекулу, в которой центры тяжести поло­жительных и отрицательных зарядов в пространстве не сов­падают, в результате чего молекула даже в отсутствии внешнего электрического поля имеет отличный от нуля электри­ческий момент: p_q=q l, где l — расстояние между центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов. Молекулы, в которых центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают в пространстве, являются неполярными.

На рис. 7.2.3 показано примерное расположение дипольных молекул в отсутствии электрического поля (а) и при его воздействии на диэлектрик (б).

Поворот диполей в электрическом поле требует затрат энергии на преодоление некоторого сопротивления и, следо­вательно связан с потерями энергии. После снятия поля ди­поля постепенно дезориентируются. Время, в течение кото­рого упорядоченность ориентиропанных полем диполей вслед­ствие теплового движения уменьшается в е раз, называется временем релаксации.

Время релаксации τ₀, энергия активации E_A и частота собственных колебаний f релаксирующих частиц связаны соотношением

τ₀=(2fe^EA^/KT)^-1

4. Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ион­ных диэлектриках, характеризующихся неплотной упаковкой ионов. Под действием поля слабосвязанные ионы вещества, возбужденные тепловыми колебаниями решетки, могут сме­щаться в направлении поля на расстояния, превышающие постоянную решетки. При этой поляризации также происхо­дит необратимое рассеяние электрической энергии.

5. Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектов» электронов или дырок.

6. Миграционная поляризация является дополнительным механизмом поляризации, происходящим в твердых телах неоднородной структуры при наличии макроскопических неоднородностей и примесей. При внесении такого материала в электрическое поле происходит миграция (перемещение) свободных зарядов проводящих и полупроводящих фаз в пределах каждой фазы.

В результате на границах раздела происходит накопление зарядов противоположных знаков. Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны (10^-1-10^-3 с).

Таблица7.2.1

Наименование группы диэлектриков	Виды поляризации	Перечень некоторых материалов, входящих в данную группу
Неполярные диэлектрики	Электронная	Твердые, жидкие и газообразные неполярные и слабополярные (т.е. состоящие из вещества. Например: поли этилен, фторопласт и т.д.
Полярные диэлектрики	Электронная и дипольно-релаксационная	Полярные (т.е. состоящие из по­лярных молекул) органические по­лужидкие и твердые вещества. На­пример, поливинилхлорид, эпоксидная смола, гетинакс
Диэлектрики	Ионная и элек­тронная	Кристаллические вещества с плот­ной упаковкой ионов: кварц, слюда, корунд и др.
	Ионная, электрон­ная, ионно и элек­тронно-релакса­ционная	Кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов, а также многие виды керамики, неорганиче­ские стекла
Сегнетоэлектрики	Спонтанная, электронная, ионная, электронно и ионно-релаксационная	Ниобат лития, танталат лития, титанат бария, сегенетоэлектрическая керамика

7. Резонансная поляризация происходит за счет электрон­ных переходов в ионах, составляющих решетку или лока­лизованных на дефектах кристаллической решетки. Для этого вида поляризации характерна сильная зависимость как от структуры материала так и от конкретных технологических условий его получения. Энергии переходов и, следовательно, частота лежат в диапазоне световых частот.

8. Самопроизвольная (спонтанная) поляризация сущест­вует только у определенной группы твердых диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками. Данный вид поляризации происходит в отсутствии электрического поля и будет рас­смотрен более подробно в п.7.2.5.

7.2.2. Классификация диэлектриков по виду поляризации

Все диэлектрики по виду поляризации делятся на несколь­ко групп, данные по которым приведены в табл. 7.2.1.

7.2.3. Основные параметры, характеризующие процесс поляризации

К

оличественно интенсивность процессов поляризации оце­нивается параметром, называемым поляризованностью ве­щества Р. Поляризованпостъ, Кл/м², численно равна отноше­нию индуцированного электрического момента некоторого объема диэлектрика к величине этого объема, когда послед­ний стремится к нулю:

(7.2.2)

Поляризованность — векторная величина. Размерность поляризованности совпадает с единицей измерения поверхностной плотности электрических зарядов и электрического смещения D, которое определяется как

(7.2.3)

где ε_o— электрическая постоянная (ε_o =8,85х10^-12 Ф/м).

Способность диэлектрика к поляризации в электрическом ноле можно охарактеризовать поляризуемостью частицы α, диэлектрической восприимчивостью χ. и относительной ди­электрической проницаемостью ε, которые связаны с поляри­зованностью вещества следующими соотношениями:

P = N α E, (7.2.4)

Р = ε_o (ε—1)E= ε_o χ Е. (7.2.5)

Здесь N — число частиц в единице объема диэлектрика, E — напряженность электрического поля. В случае изотроп­ных диэлектриков направление Р и Е совпадают. Для анизо­тропных сред диэлектрическая восприимчивость, а, следова­тельно, и относительная диэлектрическая проницаемость, яв­ляются тензорными характеристиками.

Из сравнения выражений (7.2.4) и (7.2.5) можно найти связь между относительной диэлектрической проницаемостью, ди­электрической восприимчивостью и поляризуемостью диэлек­трика:

Ε=χ+1=1+N_α/ε (7.2.6)

В технике при рассмотрении способности материалов к поляризации чаще всего используют безразмерный пара­метр— относительную диэлектрическую проницаемость ε .

7.2.4. Диэлектрическая проницаемость

К понятию относительной диэлектрической проницаемости (в дальнейшем просто диэлектрическая проницаемость) мож­но подойти, анализируя известное выражение для закона Кулона

F=q₁ q₂ /(4π ε_o ε r²) (7.2.7)

из которого следует, что диэлектрическая проницаемость по­казывает во сколько раз сила взаимодействия между заряда­ми q₁ и q₂ в данной среде меньше чем в вакууме.

О

тносительная диэлектрическая проницаемость и относи­тельная магнитная проницаемость определяют условия и ско­рость распространения электромагнитных волн в среде:

(7.2.8)