Диэлектрики – это самая многочисленная группа материалов. Они бывают природными и синтетическими, органическими и неорганическими, газообразными, жидкими, твердыми, аморфными, кристаллическими.
Разнообразно и применение диэлектриков в современной технике. Известно, что диэлектрические материалы применяются в качестве изоляции от воздействия электрического тока. Но в современной РЭА и в вычислительной технике они все чаще применяются как активные элементы, как ЗУ, как преобразователи механических воздействий в электрический сигнал и наоборот, в качестве термочувствительных датчиков и так далее.
Но при всем многообразии диэлектрических материалов все диэлектрики обладают характерными особенностями. Важными из них является способность поляризоваться в электрическом поле.
Поляризация диэлектриков
Поляризация – это процесс смещения и упорядочения связанных электрических зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля.
Способность материала поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью. Диэлектрик, включенный в электрическую цепь можно рассматривать как конденсатор определенной емкости Cд:
ε = Cд ∕ C0, (4.1)
показывает во сколько раз емкость конденсатора с данным диэлектриком CД больше емкости того же конденсатора в вакууме С0.
Произведение относительной диэлектрической проницаемости ε на электрическую постоянную ε0 называется абсолютной диэлектрической проницаемостью:
εа = ε 0 ∙ εr, (4.2)
где ε0 = 8,854 ∙ 10-12 Ф/м – электрическая постоянная.
Относительная диэлектрическая проницаемость (далее диэлектрическая проницаемость) безразмерная величина; она количественно определяет способность диэлектрика поляризоваться и образовывать электрическую ёмкость
εr вакуума = 1, εr любого в-ва > 1.
Она может составлять несколько единиц, несколько десятков и даже сотен и тысяч единиц. (См. таблицу 4.1)
Таблица 4.1
| Материал | ε | Материал | ε | ||||
| Парафин | 1,9 – 2,2 | Пьезокерамика | 100 – 1800 | ||||
| Полистирол | 2,4 – 2,6 | Гетинакс | 5 – 6 | ||||
| Сера | 3,6 – 4,0 | Текстолит | 6 – 7 | ||||
| Алмаз | 5,6 – 5,8 | Стёкла | 4 – 25 | ||||
| Камен. соль | Ситалл | 5 – 8 | |||||
| Рутил (TiO2) | Сегнетовая соль | До 6000 | |||||
| Корунд (Al2O3) | |||||||
В зависимости от агрегатного состояния (жидкое, твёрдое, газообразное) и структуры диэлектриков различают следующие виды поляризации
Электронная поляризация
Все материалы состоят из атомов, а атом из ядра (протонов) и электронов, вращающихся вокруг него. В отсутствие внешнего электрического поля, электроны быстро вращаются вокруг ядра по круговой орбите и центры приложения зарядов положительного и отрицательного совпадают. Если теперь этот атом поместить в однородное электрическое поле с напряженностью ε, то отрицательно заряженные электроны при своем вращении сместятся в сторону положительного электрода (рисунок 4.1). Центр отрицательного заряда изменит свое положение, и система превратится в диполь. Таким образом, произошла поляризация диэлектрика. Этот вид поляризации называется электронной, происходит она практически мгновенно за время ≈ 10-15 с, поэтому её называют мгновенной. Она характерна для всех типов диэлектриков. Она происходит без рассеивания энергии, проявляется на всех частотах, т.е. практически не зависит от частоты (f = 1014 - 1016 Гц).
Электронная поляризация – это упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов.
Рисунок 4.1 – схематическое изображение электронной поляризации: а – неполяризованный атом при отсутствии электрического поля; б – поляризованный атом при воздействии электрического поля.
ε уменьшается с увеличением температуры, т.к. происходит тепловое расширения диэлектрика и число частиц в единице объема уменьшается.
Изменение ε от Т характеризуется ТК (температурный коэффициент) диэлектрической проницаемости.
αε = ∂ε ∕ (ε ∙ ∂T) (4.3)
Рисунок 4.2 – График зависимости диэлектрической проницаемости полимеров от частоты:
1 – полистирол; 2 – политетрафторэтилен.
Ионная поляризация
Характерна для твердых тел с ионным строением (каменная соль; в узлах кристаллической решетки находятся ионы Na+ и Cl¯).
При приложении поля ионы Na смещаются по направлению внешнего электрического поля Е, а ионы Cl – против направления (рисунок 4.3). Смещение двух разноименно заряженных ионов приводит к появлению элементарного электрического момента:
μ = q ∙ ∆ x, (4.4)
где ∆ x - смещение ионов.
Сумма всех этих элементарных электрических моментов определяет ионную поляризацию.
Время установления 10-13 с.
Поляризованность P увеличивается с увеличением температуры, т.к. диэлектрик расширяется, расстояние между ионами увеличивается, значит ослабляются силы упругой связи между ионами
Поляризация не зависит от t, не связана с потерями энергии.
Рисунок 4.3 – Схематическое изображение ионной поляризации. Ионная кристаллическая решетка:
а – при отсутствии электрического поля; б – при воздействии электрического поля.
