[7] Диэлектрические Материалы (987507), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

ω _{m1 m2} =m₁ ω₁ + m₂ω₂

где m₁ и m₂ — любые целые числа, причем m₁ + m₂ равно показателю степени, в которой электрическое поле входит в соответствующий член уравнения.

Если ограничиться лишь квадратичным членом, то для случая, когда m₁ + m₂ =2, возможны четыре процесса:

1) генерация второй гармоники первого луча 2ω₁ (в этом случае m₁ = 2, m₂ = 0);

2) генерация второй гармоники второго луча 2ω₂ (в этом случае m₁ = 0, m₂ =2);

3) генерация луча с суммарной частотой ω₁ + ω₂;

4) генерация луча с частотой, равной разности ω₁ - ω₂ (в обоих случаях m₁ = m₂=l).

7.3. Электропроводность диэлектриков

7.3.1. Основные понятия

Все диэлектрические материалы под воздействием по­стоянного напряжения обладают некоторой незначительной электропроводностью. По сравнению с электропроводностью проводниковых и полупроводниковых материалов электропро­водность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

1. Э

   лектропроводность диэлектриков в отличие от про­водников и полупроводников чаще всего носит не электрон­ный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина за­прещенной зоны в диэлектриках ΔЕ>>KT и, следовательно, мала вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Ионный механизм проводимости опре­деляется наличием дефектов по Френкелю или Шоттки и за­ключается в перемещении либо междуузельных ионов, либо заряженных вакансий. При этом суммарная электропровод­ность диэлектрика может быть представлена в виде:

(7.3.1)

где (q_i— заряд; n_i — концентрация; μ_i — подвижность i-го но­сителя заряда. Носителями заряда в этом случае являются ионы как самого диэлектрика (собственная проводимость), так и ионов примесей (примесная проводимость).

Концентрация свободных носителей в диэлектриках столь незначительна, что электропроводность их определяется не столько дрейфом носителей в электрическом поле, сколько иными механизмами, в частности «перескоком» носителей заряда с ловушки на ловушку (так называемая «прыжковая» электропроводность).

Подвижность ионов определяется их энергией, т. е. часто­той тепловых колебаний и вероятностью преодоления ими потенциального барьера, которая прямо пропорциональна ехр(—W/кт), (W — потенциальный барьер между ловуш­ками).

Электронный вид электропроводности наблюдается лишь в некоторых диэлектрических материалах с атомной или ионной кристаллической решеткой. К этим материалам отно­сятся окислы металлов с большой валентностью, например TiO₂, ряд титанатов (ВаТiO₃, CaTiO₃, SrTiO₃), некоторые ви­ды электроизоляционной керамики.

Вид электропроводности можно установить эксперимен­тально, используя закон Фарадея: ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды, при элек­тронной электропроводности это явление не наблюдается.

В коллоидных системах, представляющих собой тесную смесь двух фаз, одна из которых (дисперсионная фаза) в виде мелких частиц взвешена в другой (дисперсионной среде), на­блюдается молионный характер электропроводности. Носите­лями заряда в этом случае являются заряженные группы молекул — молионы. К коллоидным системам относятся: жид­кие лаки, компаунды, увлажненные масла и т.п.

В то же время вышесказанное не является чем-то окон­чательно полным. Яркой иллюстрацией этого является откры­тие высокотемпературной сверхпроводимости в ряде специаль­ных керамических материалах, например, в системе Y₂O₃×2BaO×3CuO. Если подходить с позиций формальной зонной модели это должны быть типичные диэлектрические материалы, однако особенности строения их энергетических зон не только обуславливают в них металлический тип элек­тропроводности, но и делают возможным достижение состоя­ния сверхпроводимости при температуре выше азотных (77 К).

2. Электрический ток, возникающий в диэлектрике в ре­зультате описанных выше механизмов электропроводности, т. е. вызванный наличием свободных носителей зарядов, на­зывают сквозным током утечки I_скв.

Протекающие во времени процессы смещения связанных зарядов, т. е. процессы поляризации, являются причинами возникновения в диэлектриках поляризационных токов или токов смещения. Токи смещения, обусловленные электронной или ионной поляризациями, очень кратковременны. Токи сме­щения, обусловленные различными видами замедленной по­ляризации иногда называются абсорбционными токами —I_абс При постоянном напряжении I_абс возникают в моменты вклю­чения или выключения напряжения и спадают со временем до нуля. При переменном напряжении они присутствуют в течение всего времени приложения напряжения. Таким обра­зом, полный ток через диэлектрик, называемый током утечки, равен сумме токов смещения и токов сквозной проводимости:

I_ут = I_скв + I_см (7.3.2)

Учитывая, что плотность тока смещения

I_см =dD/dτ ≈ J_абс (7.3.3)

можно записать

I
_ут = I_скв + I_абс (7.3.4)

В (7.3.3) dD/dτ —характеризует скорость изменения вектора электрического смещения, обусловленного мгновенными (электрон­ными и ионными) и замедленными видами поляризации. На­личие токов абсорбции приводит к характерной зависимости тока утечки через диэлектрик от времени (рис. 7.3.1).

Рис. 7.3.1

Из рисунка видно, что после завершения процессов поляризации (для обычных диэлектриков это время около 1 минуты) в диэлектрике протекает только сквозной ток проводимости. В неоднородных диэлектриках ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика — дефектах решетки, границах раздела и т. п. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным. Накопление в диэлектрике объемных зарядов приводит и к такому нежелательному явлению, как неполный разряд кон­денсатора при коротком замыкании его обкладок, характе­ризуемый коэффициентом абсорбции, равным отношению остаточного напряжения к начальному. Накопление зарядов может вызвать появление шумов в электронных схемах.

Явления, связанные с протеканием тока абсорбции, ис­пользуют при изготовлении электретов — постоянно поляри­зованных диэлектриков, способных длительно сохранять наэлектролизованное состояние и создавать электрическое поле в окружающей среде. Электрет изготавливают из расплавов некоторых органических и неорганических диэлектриков пу­тем охлаждения в сильном электрическом поле. При охлаж­дении подвижность молекул резко ограничивается и диполи остаются ориентированными, сохраняя некоторую упорядо­ченность ориентации. Этот эффект может быть связан с про­цессом «замораживания» сместившихся ионов или с остаточ­ной поляризацией заряженных точечных дефектов. Поляри­зация электрета вызывает появление поверхностных зарядов, знак которых либо совпадает с полярностью напряжения, приложенного до охлаждения (гомозаряды), либо противо­положен ей (гетерозаряды).

При помещении электретного материала в электрическое поле заряды, обеспечивающие эффект поляризации могут возникать, как минимум, по двум механизмам. Гомозаряды переходят из электрода или из воздушного зазора на поверх­ность материала и захватываются там поверхностными ло­вушками. Гетерозаряд электрета распределяется по всему объему диэлектрика и образуется за счет релаксационных механизмов поляризации. Разность этих видов заряда опре­деляет итоговый заряд поверхности электрета.

3. Для твердых диэлектриков различают поверхностный, I_s, и объемный I_v ток утечки и соответственно объемную и поверхностную электропроводность. Общий ток I через ди­электрик равен

I=I_v+I_s (7.3.4)

а электропроводность G=G_v+G_s

Величины, обратные проводимости, называют объемным и поверхностным сопротивлением участка изоляции.

Поверхностная электропроводность диэлектриков обычно обусловлена наличием влаги, загрязнений и дефектов на поверхности материала. Значение ее тем ниже, чем меньше полярность вещества, относительная влажность воздуха, чем чище поверхность диэлектрика.

С целью уменьшения поверхностной проводимости и ее стабилизации применяют различные методы очистки поверх­ности, например, промывку спиртом, водой с последующей просушкой, химическое или ионно-плазменное травление, а также покрытие изделий различными лаками, компаунда­ми и т.п.

7.3.2. Удельная электрическая проводимость и удельное электрическое сопротивление диэлектриков

а) Основные понятия

Удельная электрическая проводимость γ или обратная ей величина — удельное электрическое сопротивление ρ—явля­ются важнейшими параметрами, характеризующими способность материалов проводить электрический ток.

Определение удельной проводимости для диэлектрических материалов аналогично ее определению для проводниковых материалов, т.е. основано на законе Ома, однако этот пока­затель характеризует электропроводность диэлектриков толь­ко для случая постоянного электрического поля. Причиной этого является существование абсорбционных токов в диэлек­трике, определение которых для замедленных видов поляри­зации представляет значительные трудности.

На практике удельная электрическая проводимость ди­электрических материалов находится па основе измерений тока через одну минуту после подключения к диэлектрику постоянного напряжения, т. е. по сквозному току проводи­мости:

R_Д=U/(I_ут-Σi_аб)=U/I_скв

Требования к поддержанию постоянного напряжения, а также постоянной температуры очень строги, так как при их несоблюдении возникают большие различия в результатах измерений. Удельное электрическое сопротивление диэлек­триков изменяется в широких пределах от 10⁶—10⁸Ом*м — для низкокачественных электроизоляционных материалов, та­ких как: асбоцемент, текстолит и др.; до 10¹⁴—10¹⁶Ом*м — для лучших высококачественных изоляционных материалов: полиэтилена, полистирола, фторопласта-4 и др.

Для сравнительной оценки объемной и поверхностной электропроводности различных типов твердых диэлектриков используют понятие удельного объемного ρ _v, Ом*м, и удель­ного поверхностного сопротивления ρ_s. Удельное объемное сопротивление численно равно сопротивлению куба с ребром 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого диэлектрика, если ток проходит через /:ве противоположные грани этого куба. В случае плоского образца материала в однородном поле

ρ_v =R_v * S/h (7.3.5)

где S — площадь электрода, м²; h — толщина образца, м.

Удельное поверхностное сопротивление ρ_s, Ом, численно равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две противоположные стороны этого квадрата

ρ_s=R_s*d/l (7.3.6)

где R_s — поверхностное сопротивление материала между па­раллельными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстоянии l.

По удельным сопротивлениям можно определить соот­ветственно удельную объемную проводимость γ_v =1/ ρ_v См*м^-1 и удельную поверхностную проводимость γ_s =1/ ρ_s, См.

Как следует из изложенного выше, удельное поверхност­ное сопротивление материалов отличается от удельного объ­емного сопротивления не только способами его определения, по и единицами измерения, следовательно, они не могут чис­ленно сравниваться друг с другом.

б) Зависимость удельного сопротивления диэлектриков от температуры и напряженности электрического поля

Температурная зависимость удельной электропроводности диэлектрических материалов определяется зависимостью от температуры концентрации носителей заряда и их подвиж­ности.

Полагая, что при ионной электропроводности число ионов и их подвижность находятся в экспоненциальной зависимости от температуры, имеем

N=n₀ exp(-ΔE_и/(KT)); μ=μ₀ exp(-ΔE_п/(KT)); (7.3.7)

Характеристики

Список файлов учебной работы