Определение, основные свойства

Диэлектрическими материалами являются материалы с высоким удельным сопротивлением (более 10⁹ Ом×см), с шириной запрещенной зоны более 3 эВ, способные к поляризации [5]. Поляризация - это состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема. Способность диэлектриков поляризоваться в электрическом поле определяется относительной диэлектрической проницаемостью

, (3.1)

где С _Д - емкость конденсатора с данным диэлектриком; С ₀ - емкость того же конденсатора в вакууме. Абсолютная диэлектрическая проницаемость

e_а = e₀e, (3.2)

где e₀ = 8,85×10^-12 Ф/м - электрическая постоянная. Значение e зависит от механизма поляризации диэлектрика.

Наиболее важные виды поляризации:

− электронная − смещение орбит электронов относительно атомных ядер в электрическом поле. Время установления поляризации 10^-15 с. Встречается у всех диэлектриков;

− ионная − смещение относительно друг друга ионов, образующих кристаллическую решетку. Время установления поляризации 10^-13 с;

− дипольная − поворот дипольных молекул в полярных диэлектриках. Принадлежит к числу медленных видов поляризации.

Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты приложенного напряжения у полярных диэлектриков. Для неполярных диэлектриков, имеющих только электронную поляризацию, характерно то, что e не зависит от частоты электрического поля. Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры (рис. 3.1). Помимо частоты и температуры на диэлектрическую проницаемость может влиять влажность. Так, e гигроскопичных диэлектриков обычно возрастает при увеличении влажности. На практике часто приходится встречаться с композиционными диэлектриками, представляющими смесь двух или большего числа компонентов.

Рис. 3.1. Графики зависимости диэлектрической проницаемости от температуры: 1 − для неполярных диэлектриков; 2 − для ионных диэлектриков; 3 − для полярных диэлектриков

Для модели плоского конденсатора, диэлектрик которого состоит из двух сплошных диэлектриков, имеющих различные e, запишем:

а) для параллельного соединения e*= y1e1 + y2e2;

б) для последовательного соединения , где e₁, e₂ - относительные диэлектрические проницаемости компонeнтов; y ₁, y ₂ - объемные концентрации компонентов (y ₁ + y ₂ = 1) [7].

Во многих случаях (пластические массы, керамики и т.д.) диэлектрик представляет собой неупорядоченную статистическую смесь компонентов. Для расчета e^* статистической смеси используется формула Лихтенекера, или логарифмический закон смещения: lge^*= y ₁lge₁+ y ₂lge₂. Для вспененных пластмасс (пенопласты)

, (3.3)

где d_n, d _м- средние плотности вспененного материала и сплошного материала соответственно; e_м - диэлектрическая проницаемость сплошного материала.

Реальные диэлектрики обладают конечным значением удельного сопротивления. Причиной этого является наличие подвижных ионов как основного материала, так и примесей. Значение ионной электропроводности диэлектриков определяется таким же выражением, как и у полупроводников: g = е m n, где n - концентрация свободных ионов; m - подвижность ионов. Ионная электропроводность происходит подобно диффузии по вакантным узлам. Поэтому, используя соотношение Эйнштейна D = j _Т m, можно выразить электропроводность диэлектриков

g = en ( (3.4)

Электропроводность диэлектриков зависит в основном от быстро диффундирующих примесей, для которых D = 10^-5...10^-7 см²/с. К таким примесям относятся ионы меди, золота, серебра, калия, натрия, водорода. Ионы натрия и водорода при комнатной температуре легко проникают через тонкие пленки, а при высоких температурах - и через стенки кварцевой аппаратуры. Коэффициент диффузии экспоненциально увеличивается с повышением температуры. Поэтому температурная зависимость проводимости диэлектриков

g = Aехр(– / j _Т), (3.5)

где А − константа, − энергия активации диффузии, такая же, как у собственных полупроводников. Рассмотренная выше электропроводность является объемной. Однако благодаря неизбежному увлажнению, окислению и загрязнению поверхностных слоев твердых диэлектриков создается заметная поверхностная электропроводность.

В диэлектриках наблюдаются потери энергии приложенного электрического поля. Эти потери называются диэлектрическими. Они возникают как на постоянном, так и на переменном токе. Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряженность поля превышает некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем. В диэлектриках возможны следующие виды пробоя: тепловой, электрический, электрохимический, ионизационный.

Дата добавления: 2015-10-21