Основные электрофизические свойства диэлектриков

Электропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3...7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении [[i]].

Диэлектрическая проницаемость и поляризованность. На рис. 1 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рис. 1, в) между электродами вакуум, в конденсаторе (рис. 1, б) – диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродах U, то напряженность электрического поля Е = U/h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q ₀.

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи с электрическим моментом: т = ql, где q — суммарный положительный (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l — расстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q _д. Суммарный полный заряд в конденсаторе с диэлектриком: Q = Q₀ + Q _д = ε_rQ₀, где ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость.

Рис. 1

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами:

C ₀ = Q ₀/ U.

Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами:

C = Q / U.

Из этих формул следует, что ε_r = С / С ₀-отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости того же конденсатора, где между электродами вакуум.

Емкость плоского конденсатора: С = ε₀ε_r S / h, где ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м — электрическая постоянная. Произведение ε₀ε_r называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Поляризованное состояние диэлектрика характеризуется также электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р (Кл/м²), которая связана с диэлектрической проницаемостью Р = ε₀(ε_r – 1 )Е. Поляризованность является векторной величиной.

Поляризация диэлектриков. Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и неупругую (медленную, релаксационную) поляризации. Упругая поляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток. К таким быстрым поляризациям относятся электронная (завершающаяся за время 10^-16...10^-13 с) и ионная упругая (завершающаяся за время 10^-14...10^-13 с).

Электронная поляризация. В электрическом поле в атомах, ионах или молекулах деформируются электронные оболочки. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10^-13 м) в пределах своих атомов и молекул. Такая поляризация происходит у всех атомов и молекул независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации.

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярны. Неполярными диэлектриками являются: газы — гелий, водород, азот, метан; жидкости — бензол, четырех хлористый углерод; твердые — алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин.

Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало отдичается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков с ростом температуры уменьшается незначительно и не изменяется с ростом частоты приложенного напряжения.

Ионная упругая поляризация происходит в кристаллических диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных кристаллах, слюде, керамике. В электрическом поле в таких диэлектриках происходит смешение электронных оболочек в каждом ионе — электронная поляризация. Смещаются относительно друг друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов, т. е. происходит упругая ионная поляризация. Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента, увеличивающего поляризованность, а следовательно, и диэлектрическую проницаемость. Ионная поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 10¹²...10¹³ Гц. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи между ионами и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле.