Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков, страница 8

с различными временамирелаксации, в зависимости диэлектрической проницаемости от частоты можетнаблюдаться несколько областей дисперсии.Ионно-релаксационная поляризацияИонно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с ионнымтипом химических связей, например в неорганических стеклах, имеющих неплотнуюупаковку ионов, электротехническом фарфоре и других. Слабо связанные ионывещества под действием приложенного электрического поля среди хаотическихтепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля, исмещаются на расстояния, существенно превышающие величину смещения ионов приупругой ионной поляризации.

После исчезновения внешнего поля ионы постепенновозвращаются к центрам равновесия. При этом наблюдается необратимое рассеяниеэнергии в виде тепла. Поляризация этого типа наблюдается при низких частотах.32Миграционная поляризацияМиграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках,имеющих проводящие и полупроводящие включения, слои с различной проводимостьюи т.п. При внесении неоднородных диэлектриков в электрическое поле свободныезаряды смещаются и концентрируются на граничных слоях включений, вприэлектродных слоях и т.д., образуя пространственные заряды, поле которых внешнепроявляет себя как "дополнительный" механизм поляризации.

Для устранениямиграционной поляризации и создания материала с небольшими потерями необходимоизбавиться от пор, механических включений и примесей, прежде всего обладающихбольшой подвижностью ионов Li+, Na+, K+.При наличии миграционной поляризации диэлектрическая проницаемостьдиэлектриков на низких частотах, имеющая повышенные значения, с увеличениемчастоты резко уменьшается по закону, близкому к гиперболическому.Электронно-релаксационная поляризацияЭлектронно-релаксационнаяполяризацияхарактернадлятвердыхдиэлектриков, содержащих дефекты или примесные ионы, способные захватыватьэлектроны. Такие захваченные на "ловушках" электроны или дырки при отсутствииэлектрического поля могут под действием тепловых флуктуаций переходить из одноговероятного положения в другое.

При этом суммарный электрический момент единицыобъема диэлектрика будет равен нулю. Во внешнем электрическом поле такиепереходы будут осуществляться преимущественно в направлении поля и в объемедиэлектрика индуцируется электрический дипольный момент, т.е. будет происходитьполяризация. Время релаксации данного механизма поляризации при комнатнойтемпературе 10-2 - 10-7с.Этот вид поляризации существенную роль играет в поликристаллическойкерамике типа рутила TiO2, перовскита CaTiO3, в керамических материалах,изготовленных на основе сложных оксидов титана, циркония, ниобия, тантала, свинца,церия, висмута, имеющих важное техническое значение.Наиболеевероятныймеханизмвозникновениятепловойэлектроннойполяризации в этих веществах связан с возникновением анионных вакансий,возникающих в процессе высокотемпературного синтеза, при котором часть ионовкислорода покидает свои места.Кислородные вакансии являются эквивалентными положительными зарядами,вблизи которых для их компенсации в соответствии с принципом электронейтральностилокализуются квазисвободные электроны, которые и обусловливают тепловуюэлектроннуюполяризацию.Электронно-релаксационнаяполяризацияиграетсущественную роль на низких частотах в люминесцирующих широкозонных и оксидныхполупроводниках.Спонтанная поляризацияВ некоторых классах полярных ионных кристаллов и веществах, относящихся кгруппе жидкокристаллических, в определенном температурном интервале наблюдаютсяфазовые переходы без изменения агрегатного состояния, в процессе которыхпроисходит существенная перестройка их структуры.

Такая перестройка не нарушаяфизически и химически однородное состояние вещества, приводит к существенномуизменению электрических свойств диэлектриков (проводимости, диэлектрической33проницаемости), оптической активности и др. Вблизи фазовых переходов, возникающихпри изменении параметров окружающей среды, данные параметры могут изменятьсярезко, иногда на несколько порядков по величине. Такие фазовые переходы, прикоторых неполярные вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят в полярноесостояние называют сегнетоэлектрическими, а сам процесс перехода в новоесостояние спонтанной поляризацией.Неполярная фаза, как правило, является более высокотемпературной, чемполярная, но в каждом сегнетоэлектрическом веществе фазовые переходы имеют своиособенности.Для сегнетоэлектриков характерны зависимости диэлектрической проницаемостиот температуры с резко выраженным максимумом, который наблюдается вблизи точкиперехода (точки Кюри Тк).Рис.

2.11. Зависимость диэлектрическойпроницаемости от температуры вдоль осей a и c дляBaTiO3Сегнетоэлектрикихарактеризуютсянеобычайновысокимизначениями35диэлектрической проницаемости (до 10 ÷10 ), хотя некоторые водорастворимыесегнетоэлектрики имеют ε=5÷6. Характерные свойства сегнетоэлектриков обусловленыналичием у них доменной структуры - взаимосвязанных микрообластей, в пределахкоторых векторы поляризации структурных ячеек имеют одинаковое направление.Частотная зависимость диэлектрической проницаемости для наиболее изученногопоказананарисунке.ДлясегнетоэлектрикатитанатабарияBaTiO3сегнетоэлектрических материалов характерно нелинейное изменение диэлектрическойпроницаемости от напряженности электрического поля, поэтому они относятся кнелинейным диэлектрикам.34Рис.

2.12. Частотная зависимость диэлектрическойпроницаемости для титаната барияЗависимость диэлектрической проницаемости оттемпературы, давления, влажности, напряженияХарактертемпературнойзависимостидиэлектрическойпроницаемостидиэлектриков с различными видами поляризаций часто определяют с помощьютемпературного коэффициента диэлектрической проницаемости:Ткε =1 dε -1,К .ε dT(19)Влияние давления на диэлектрическую проницаемость учитывается барическимкоэффициентом диэлектрической проницаемости:Бкε =1 dε, Па −1 .ε dP(20)Для линейных диэлектриков, барический коэффициент, как правило, положителен,т.к. при всестороннем сжатии диэлектрика увеличивается число молекул, способныхполяризоваться в единице объема.

В некоторых полярных жидкостях в зависимостидиэлектрической проницаемости от давления наблюдается максимум.Увлажнение заметно увеличивает ε гигроскопических диэлектриков, что, в первуюочередь, можно объяснить высокими значениями диэлектрической проницаемости воды(ε=81). Вместе с тем, при увлажнении уменьшается удельное сопротивление,увеличивается угол диэлектрических потерь и уменьшается электрическая прочностьдиэлектрика.Для линейных диэлектриков, используемых главным образом в качествеэлектрической изоляции и диэлектрика конденсаторов, диэлектрическая проницаемостьв большинстве случаев может считаться практически независящей от напряжения.Сильно выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от напряжения,приложенного к диэлектрику, характерна для сегнетоэлектриков.35Рис. 2.13. Зависимость диэлектрическойпроницаемости от напряженности поля для:1 – линейного и 2 – нелинейного диэлектрикаДиэлектрическая проницаемость смесейНа практике часто используются неоднородные композиционные диэлектрики,представляющие собой смеси двух или более различных веществ - компонентов смеси.К таким материалам относятся многие пластические массы, состоящие из связующего инаполнителей, керамические, волокнистые, пропитанные и непропитанные пористыематериалы и т.п.Длярасчетаэффективнойдиэлектрическойпроницаемостисмесипредполагается, что ее отдельные компоненты не вступают друг с другом в химическиереакции, т.е.

смесь является физической.Простейшим неоднородным диэлектрикомявляется плоский конденсатор, который можно рассматривать как два параллельно (а)или последовательно (б) соединенных конденсатора с однородными диэлектриками.Обозначая через y1 и y2 доли объемного содержания (объемные концентрации)первого и второго компонента для рассмотренного случая будем иметь дляпараллельного соединения:ε * = y1 ⋅ ε 1 + y 2 ⋅ ε 2 ;(21)для последовательного соединения:ε * = ε1 ⋅ ε 21.y1 ⋅ ε 1 + y 2 ⋅ ε 2(22)Для более общего случая смеси, состоящей из m компонентов для параллельногосоединения:i=mε = ∑ yiε i ;*(23)i =1для последовательного соединения:i =m⎛ yi⎜⎜=∑*εi =1 ⎝ ε i1⎞⎟⎟.⎠(24)Для расчета статистической смеси (хаотической, неупорядоченной впространстве) предложено большое число формул, из которых широкое применение36имеет формула Лихтенеккера.

Эта формула, носящая название логарифмическогозакона смешения, для смеси двух компонентов имеет вид:∗(25)lg ε = y1lg ε1 + y2lg ε2 ;а для m компонентовi=mlg ε * = ∑ y i ⋅ lg ε i .(26)i =1Для "вспененных" материалов (пенопластов, пенокерамики и др.), заполненныхбольшим количеством мелких пор, из последней формулы (считая, что для газов ε =1, аплотность равна нулю) получается уравнениеD*lg ε =⋅ lg ε Ti ,DT*гдеεт(27)и DT - диэлектрическая проницаемость и плотность сплошного, твердогодиэлектрика, aматериала.ε*и D* - диэлектрическая проницаемость и плотность вспененногоОсновные виды поляризации в некоторыхгазообразных, жидких и твердых диэлектрикахМатериалДиэлектрическаяпроницаемостьПолярностьВиды поляризацииГазыВоздух1.00058неполярныйэлектроннаяЭлегаз1.00191неполярныйэлектроннаяАммиак1.0066полярныйэлектронная, дипольнаяЖидкостиКабельное масло МН-42.2неполярныйэлектроннаяБензол2.218неполярныйэлектроннаяТрихлордифенил5.9полярныйэлектронная, дипольнаяПарафин1.9 - 2.2неполярныйэлектроннаяПолистирол2.2 -2.6неполярныйэлектроннаяОрганическое стекло4.0полярноеФенолоформальдегиднаясмолаКаменная соль4.5полярная6.0неполярнаяэлектронная, дипольнорелаксационнаяэлектронная, дипольнорелаксационнаяэлектронная, ионнаяТитанат кальция150полярныйСегнетокерамика ВК-320000полярнаяБариевое стекло10полярноеТвердые диэлектрикиэлектронная, ионная,электронно-релаксационнаяэлектронная, ионная,спонтаннаяэлектронная, ионная, ионнорелаксационнаяВопросы для самопроверкиВопрос.

Что такое поляризация диэлектрика?37Ответ. Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарныйобъем диэлектрика приобретает электрический момент.Вопрос. За счет чего возникает электрический момент в объеме диэлектрика?Ответ. Возникновениеэлектрического момента в объеме образцадиэлектрического материала или участка электрической изоляции может происходитьпод действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно(самопроизвольно).Вопрос. Что называется относительной диэлектрической проницаемостью?Ответ. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собойотношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того жеконденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика.Вопрос. Какие диэлектрики называются линейными и нелинейными?Ответ.

Для линейных диэлектриков зависимость поляризованностинапряженности поля носит линейный характер, для нелинейных - нелинейный.отВопрос. Какие диэлектрики называются неполярными?Ответ. Неполярные диэлектрики (нейтральные) состоят из неполярных молекул, укоторых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают.Следовательно, неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и ихэлектрический момент равен нулю.Вопрос.