Диэлектрики

Этот класс веществ настолько разнообразен, что его трудно классифицировать. Если проводники и полупроводники в большинстве своём являются кристаллическими материалами, что определяет однородность физических процессов в них, то диэлектрики находят применение самых различных видов: кристаллические вещества, аморфные, органические, неорганические, твёрдые, жидкие, газообразные.

 

Электропроводность диэлектриков

При подаче постоянного напряжения электропроводность диэлектриков можно представить графиком:

 

 

Рисунок 34

 

 

1 – 2 остаточный ток, имеет малое, но конечное значение;

2 – 3 ток, обуславливающий процесс заряда ёмкости и поляризацию диэлектрика.

 

Для остаточного тока можно определить остаточную электропроводность по формуле:

,

где L – длина диэлектрика,

S – площадь поперечного сечения диэлектрика,

U₀ – напряжение на диэлектрике.

Эта формула не точно описывает величину проводимости диэлектрика, так как не учитывает напряжение поляризации, а для многих диэлектриков (например, парафин, слюда) напряжение поляризации ≈ 0,99. С учётом этого выражение для истинной проводимости примет вид:

.

Из зонной теории известно, что ширина запрещённой зоны диэлектриков достигает 10эВ, следовательно, ионизация (отрыв электрона от атома) возможна только при очень больших энергиях (температура должна быть сравнима с температурой поверхности Солнца), что на практике не применимо. Но, при температуре выше абсолютного нуля есть статистическая вероятность того, что электрон всё-таки приобретёт необходимую для отрыва энергию. Статистическое распределение носителей заряда описывается формулой:

.

При любой температуре мы получим некоторое число электронов, способных перемещаться по объёму вещества. Выражение для электропроводности примет вид:

.

Этой же формулой определяется температурная зависимость электропроводности диэлектриков. График этой зависимости представлен на рисунке 36

Однако на практике собственная электропроводность диэлектриков крайне незначительна (в частности про комнатной температуре). Чаще имеет место примесная электропроводность.

 

 

Рисунок 35

а – идеальная характеристика;

б – реальная характеристика.

Кривая 1 иллюстрирует случай молекулярно-структурных изменений в диэлектрике при нагреве;

Кривая 2 отражает наличие различных видов носителей зарядов с различными энергиями ионизации.

 

Для электропроводности на переменном напряжении большое значение приобретает явление поляризации.

Поляризация – состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента объёма этого диэлектрика.

Способность различных материалов поляризовываться характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью:

,

где С – ёмкость конденсатора с диэлектриком,

- ёмкость конденсатора в вакууме (вез диэлектрика).

Существует множество разновидностей поляризации. Различают:

· Электронную.

· Ионную

· Дипольно-релаксационную

· Ионно-релаксационную

· Электронно- релаксационную

· Миграционную

· Резонансную

· Спонтанную

Рассмотрим основные виды поляризации подробнее.

 

Электронная поляризация

Характерна для атомов, у которых отсутствует какой-либо природный электрический момент.

 

 

Рисунок 36

 

Данная поляризация присуща всем веществам независимо от их природы, однако часто маскируется другими видами поляризации.

 

Ионная поляризация

Характерна для веществ, имеющих структуру ионного кристалла, при этом электроны одного компонента присваиваются другим.

При подаче электрического поля, ионы кристаллической решётки смещаются, происходит упругое искажение решётки. До тех пор, пока оно упругое, поляризация – чисто ионная.

 

 

Рисунок 37

 

 

Дипольно-релаксационная поляризация

Характерна для веществ, молекулы которых уже имеют природный дипольный момент. Например, молекула воды

 

 

Рисунок 38

 

По механизмам поляризации различают полярные и неполярные диэлектрики.

Для неполярных характерна электронная поляризация. Примерами служат: водород Н₂, бензол, парафин, полиэтилен.

Полярные (дипольные) диэлектрики имеют одновременно электронную и дипольно-релаксационную виды поляризации.

Примеры: эпоксидные компаунды и смолы, капрон, хлорированные углеводороды.

 

Ионные соединения

Их разделяют на соединения

с ионной и электронной поляризацией (корунд, слюда, кварц);

с ионной и электронно-релаксационной (неорганические стёкла, многие виды керамики).

По признаку наличия потерь выделяют:

1. линейные диэлектрики с малыми потерями (рисунок 39а);

2. диэлектрики с большими потерями (рисунок 39б).

 

 

Рисунок 39

 

Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты

Для различных типов поляризации она будет иметь разные формы. Однако, в общем виде можно сказать примерно следующее.

На низких частотах диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты входного сигнала, или от величины напряжения.

Затем наблюдается рост диэлектрической проницаемости, обусловленный явлением резонанса. В наиболее явном виде это характерно для полярных диэлектриков.

После прохождения максимума наблюдается резкое падение диэлектрической проницаемости практически до нуля.

 

 

Рисунок 40

 

f_рез – частота, с которой переориентация ещё возможна (или же, - это собственная частота молекул диэлектрика).

 

К конкретному диэлектрику данная зависимость не применима. Это своего рода обобщённая форма, на которую накладываются резонансы различных типов поляризации.

При приложении переменного напряжения диэлектрики проводят переменную составляющую, так как переполяризация молекул, представляющая собой направленное движение связанных носителей заряда, по сути, элементарный акт электропроводности.

Диэлектрик, находясь в сильных электрических полях, может потерять свои свойства изоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называется пробоем. Минимальное напряжение, приложенное к диэлектрику, приводящее к пробою называется напряжением пробоя .

 

 

Рисунок 41

 

Пробой может возникнуть в результате чисто электрических, тепловых, а в некоторых случаях и электрохимических процессах.

 

Классификация диэлектриков основана на применении в аппаратуре.

 

Диэлектрики

 

Изоляционные

 

Конденсаторные

Изоляционные диэлектрики используются для создания электрической изоляции.

Конденсаторные – для создания требуемых значений ёмкости. В некоторых случаях – для обеспечения определённого характера зависимости ёмкости от внешних факторов.

Отнесение диэлектрика к той или иной группе не может быть абсолютно однозначным, так как в различных условиях один и тот же диэлектрик может выполнять разные функции. Например оксид кремния SiO₂ используется и в качестве изоляционного, и в качестве конденсаторного материала, а также в качестве маскирующего материала и активного диэлектрика (кварц).

Следовательно для отнесения диэлектрика к тоё или иной подгруппе необходимо оценить комплекс параметров, присущих диэлектрику и сопоставить с теми условиями, в которых ему предстоит работать. Однако в общем виде можно утверждать: важнейшие параметры:

 

для конденсаторных диэлектриков:

для изоляционных диэлектриков

 

Очень редко диэлектрики применяются только как изоляционные или конденсаторные. Например, ПВХ – материал только изоляционный, титанат стронция – только конденсаторный.

Подавляющее большинство же диэлектриков применяются и как изоляционные, и как конденсаторные: слюда, керамике, стекло, полимерные плёнки.

 

Конденсаторные диэлектрики делятся на:

Пассивные диэлектрики: выполняют накопительную функцию, классифицируются исходя из особенностей строения, структуры.

Активные диэлектрики: предназначены для создания устройств, выполняющих в аппаратуре функции генерации, преобразования, накопления, хранения информации. Применяются в функциональной электронике. Их, в свою очередь, делят по признаку управляющих воздействий.

 

Полимеры (пластмассы)

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев мономеров.

Реакцию образования полимера называют полимеризацией в том случае, если она протекает без выделения побочных продуктов, или поликонденсацией в том случае, если реакция протекает с выделением побочных продуктов.

Для начала и завершения реакции формирования молекулы полимера необходимы радикалы – части молекул, образующиеся при разрыве электронной пары и содержащие неспаренный электрон (оборванную связь).

Полиэтилен:

R─CH₂─CH₂─…─CH₂─R₁;

 

H H

─ C ─ C ─

H H n

 

где n – степень полимеризации.

Свойства полимеров очень сильно зависят от того, с помощью какого типа реакции они образуются. Различают два типа полимеров: линейные и пространственные.

Линейные полимеры - те, у которых соотношение длины и диаметра несоизмеримы L>>d. Они формируются по реакции полимеризации. Гибкие, пластичные, легкоплавкие, термопластичные, хорошо обрабатываемые, обладают отличными электроизоляционными свойствами.

Пространственные полимеры – те, которые образуются из молекул, разрастающихся во всех трёх координатах. При создании определённых условий мы можем добиться того, что всё изделие будет состоять из одной пространственной молекулы. Отсюда и набор свойств, характерных для них: большая жёсткость, механическая прочность, температура плавления значительно выше, чем у линейных, причём некоторые пространственные полимеры вообще не плавятся, а только обугливаются, разрушаются, что обуславливает их термореактивное свойство.

Линейные полимеры растворимы в различных растворителях, пространственные – практически не растворимы.

 

Типичные линейные полимеры:

полиэтилен,

полиэтилентерефталат (лавсан),

полиметокрилат (оргстекло),

поливинилхлорид,

политетрафторэтилен (фторопласт),

капрон,

полистирол.

 

 

Типичные пространственные полимеры:

эпоксидные смолы,

эбонит,

эскабон.

 

Электрические свойства

Строение макромолекул различных типов полимеров определяет их электрические свойства. Все химические связи углерода в той или иной степени полярны, однако, если молекула имеет симметричное строение, суммарный дипольный момент может быть равен нулю. Вещества с несимметрично построенными звеньями имеют дипольный момент, отличный от нуля, что, соответственно, ухудшает их электроизоляционные свойства.

Важным фактором является также то, по какой реакции образуется тот или иной полимер, так как при поликонденсации выделяются какие-либо побочные продукты, то часть этих продуктов оказывается замурованной в объёме промера, что приводит к ухудшению электроизоляционных свойств.

Нагревостойкость. Большинство органических полимеров длительно работать при температуре до 100°С. При более высоких температурах они просто очень быстро стареют.

Среди линейных полимеров наиболее интересными свойствами обладают фторсодержащие полимеры (фторопласты) или кремнийорганические полимеры (полиимиды).