Электрофизические свойства диэлектрических материалов

Диэлектриками называют материалы, обладающие незначительной электропро­водностью. Основным электрическим свойством диэлектриков является их спо­собность к поляризации. Под поляризацией диэлектрика понимают процесс упо­рядочения его связанных электрических зарядов под действием электрического поля. Различают несколько механизмов поляризации.

Электронная поляризация

Этот вид поляризации представляет собой упругое смещение и деформацию элект­ронных оболочек атомов и ионов. В чистом виде проявляется в неполярных диэлек­триках, состоящих из электрически нейтральных молекул, у которых центры от­рицательных и положительных зарядов совпадают (полистирол, полиэтилен и др.).

Если такой диэлектрик поместить в электрическое поле между обкладками кон­денсатора, то в каждом из атомов произойдет смещение электронных оболочек относительно своего ядра в сторону положительного электрода (рис. 1.22), в резуль­тате чего образуются упругие диполи, количественно характеризуемые величиной электрического момента т = q*l, где l — расстояние между центрами положитель­ного и отрицательного зарядов диполя. Процесс образования упругих диполей протекает практически мгновенно (в течение 10^-14... 10^-16 с) и наблюдается у всех видов диэлектриков.

Величина электрического момента пропорциональна напряженности электричес­кого поля ξ:

Здесь — электронная поляризуемость, зависящая от структуры молекулы или атома, Ф*м².

Интенсивность процесса поляризации оценивают величиной электрического мо­мента единицы объема материала:

Здесь п — количество частиц в единице объема. Величину Р_др называют поляризованностью диэлектрика. О способности диэлектрика поляризоваться судят по увеличению емкости конденсатора при помещении между его обкладками этого диэлектрика.

При отсутствии диэлектрика (рис. 1.23, а) емкость конденсатора равна

(1.25)

где ε₀ — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (8,84*10^-12 Ф/м); S — площадь обкладок конденсатора; d — расстояние между обкладками.

При этом на обкладках конденсатора существуют электрические заряды, величи­на которых равна

Здесь U— напряжение между обкладками конденсатора.

При наличии диэлектрика (рис. 1.23, б) на его поверхности появляются поляри­зационные заряды, а на обкладках конденсатора — наведенные заряды Q_НАВ, при этом емкость конденсатора возрастает и становится равной.

Это увеличение емкости учитывают путем введения безразмерного коэффициен­та ε, называемого относительной диэлектрической проницаемостью, который по­казывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора без диэлектрика. При наличии диэлектрика емкость конденсатора равна

(1.26)

Для неполярных диэлектриков ε = 2...2,5.

Относительная диэлектрическая проницаемость ε и поляризованность Р_ДР связа­ны между собой соотношением:

(1.27)

Дипольная поляризация

Этот вид поляризации имеет место в полярных диэлектриках, молекулы которых представляют собой твердые диполи (бакелит, целлюлоза, эпоксидная смола), электрические моменты которых ориентированы произвольно (рис. 1.24).

Под воздействием поля эти молекулы частично ориентируются вдоль силовых линий поля, что и является причиной поляризации. Поворот диполей в направ­лении поля связан с преодолением межмолекулярных сил, поэтому протекает сравнительно медленно и сопровождается потерями энергии на нагрев диэлект­рика. После прекращения действия поля ориентированность частиц постепенно ослабевает и поляризованность диэлектрика уменьшается, что может быть запи­сано в виде формулы

где Р_ДР (0) — величина поляризованности в момент времени t₀, когда прекращает­ся действие поля;

τ₀ — время релаксации, то есть такой промежуток времени, в течение которого поляризованность уменьшается в е раз (е = 2,71) от первоначального значения.

Процесс дипольной поляризации сопровождается электронной поляризацией, поэтому степень поляризованности полярного диэлектрика оказывается более высокой и е достигает 6-9.

Ионная поляризация

Этот вид поляризации происходит в кристаллических диэлектриках, имеющих плотную ионную структуру (слюда). Под действием сил внешнего электрического поля в ионных кристаллах происходит упругое смещение ионов относительно свое­го первоначального положения (рис. 1.25) на расстояние, меньшее периода решетки.

Смещению ионов препятствуют упругие силы химической связи. В состоянии равновесия действие сил электрического поля уравновешивается действием сил химической связи, то есть

где k_УПР — коэффициент упругой связи;

Δх — смещение ионов.

Следовательно, величина смещения ионов будет равна

Время установления ионной поляризации— порядка 10^-13с. Величина относи­тельной диэлектрической проницаемости е составляет 5—12. В ионных диэлект­риках с неплотной упаковкой ионов (органическое стекло и некоторые другие вещества) ионы под воздействием поля смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия поля ионы постепенно возвращаются к цент­ру равновесия. Такой вид поляризации называется ионно-релаксационной.

Спонтанная поляризация

Этот вид поляризации имеет место в группе твердых диэлектриков, получивших название сегнетоэлектриков. У таких диэлектриков даже при отсутствии внешнего электрического поля наблюдается самопроизвольная (спонтанная) ориентация твердых диполей в отдельных областях, называемых доменами, линейные разме­ры которых лежат в пределах от 10^-4 до 10^{-1 см. В каждом из доменов электричес­кие моменты диполей направлены одинаково, а в разных доменах — по-разному (рис. 1.26, а). Поэтому общий электрический момент сегнетоэлектрика равен нулю.}

Механизм возникновения спонтанной поляризации можно проследить на приме­ре титаната бария (ВаТiO₃), который по своей научной значимости и техничес­кому применению занимает ведущее место среди сегнетоэлектриков.

При температуре выше 120 °С (точка Кюри) титанат бария обладает кристалли­ческой структурой, имеющей форму куба (рис. 1.27). Размеры элементарной ячей­ки больше удвоенной суммы ионных радиусов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в пределах октаэдра, образован­ного ионами кислорода. Вследствие интенсивного теплового движения ион титана непрерывно перебрасывается от одного кислородного иона к другому, благодаря чему усредненное во времени его положение совпадает с центром элементарной ячейки. Поэтому ячейка не обладает электрическим моментом.

При температуре ниже 120 °С энергия теплового движения недостаточна для пере­броса иона титана из одного равновесного положения в другое, ион локализуется вблизи одного из кислородных ионов, вследствие чего нарушается кубическая симметрия в расположении заряженных частиц и элементарная ячейка приобре­тает электрический момент. Одновременно с этим искажается форма ячейки — она вытягивается по направлению оси, проходящей через центры ионов кислорода и титана, сблизившихся между собой. Взаимодействие между заряженными час­тицами соседних ячеек приводит к тому, что смещение ионов титана происходит в них согласованно, в одном направлении, в результате чего образуются домены.

Если сегнетоэлектрик поместить в электрическое поле, то по мере роста напряжен­ности поля будет происходить обратимое смещение границ доменов в направле­нии поля (рис. 1.26, 6) и линейное возрастание электрической индукции D (участок 0А на рис. 1.26, г). В сильных электрических полях смещение доменных границ принимает необратимый характер, при этом разрастаются те домены, у которых вектор спонтанной поляризации имеет наименьший угол с направлением вектора напряженности электрического поля. Одновременно с этим происходит поворот диполей по направлению поля. Этому процессу соответствует участок АВ на рис 1.26, г. При некоторой напряженности поля, соответствующей точке В, все до­мены сегнетоэлектрика оказываются сориентированными вдоль силовых линий поля (рис. 1.26, в), наступает техническое насыщение. Кривую ОАВ называют основной кривой поляризации диэлектрика. В области насыщения наблюдается некоторое увеличение индукции, что объясняется электронной и ионной поляризацией.

Если после насыщения напряженность поля уменьшить до нуля, то сохранится вызванная полем ориентация доменов и будет наблюдаться некоторая остаточная индукция D_Г. При изменении направления поля происходит переориентация векторов спонтанной поляризации, индукция быстро уменьшается, и при напря­женности –Е_С, называемой коэрцетивной силой, она становится равной нулю. Даль­нейшее увеличение напряженности поля вновь переводит сегнетоэлектрик в со­стояние технического насыщения (точка С).

Таким образом, при поляризации сегнетоэлектриков изменение индукции отстает от изменения напряженности поля. Это явление называется гистерезисом. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затрачиваемой за один период из­менения напряженности электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика определяется по основной кривой поляризации:

На рис. 1.28 представлена зависимость индукции и относительной диэлектри­ческой проницаемости от напряженности поля. Относительная диэлектрическая проницаемость, измеренная в слабых нолях, называется начальной. В сильных по­лях относительная диэлектрическая проницаемость достигает значения 10⁴-10⁶.