Поляризація діелектричних матеріалів та їх діелектрична проникність

ЖИТОМИРСЬКИЙ ВІЙСЬКОВИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ С.П. КОРОЛЬОВА

НАЦІОНАЛЬНОГО АВІАЦІЙНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Поляризація діелектричних матеріалів та їх діелектрична проникність

Житомир 2010

1. Загальні відомості про будову речовини

Види зв’язку

Всі речовини – газоподібні, рідинні та тверді – побудовані з атомів та молекул. Основними елементарними частками атомів є протони, нейтрони та електрони. Ядро атома складається з протонів та нейтронів, а електрони заповнюють його оболонки. Іони це атоми або групи атомів, які втратили або приєднали електрони. Молекула це найменша частина речовини, що зберігає її хімічні властивості. В склад молекул може входити різне число атомів. Так, наприклад гелій – неон, аргон це гази, що мають одноатомні молекули; водень, кисень, азот – мають двоатомні молекули. В залежності від будови зовнішніх електронних оболонок атомів, між останніми існують різні види зв’язку.

Ковалентний зв’язок – виникає при об’єднанні електронів двома сусідніми атомами.

Якщо двоатомна молекула складається з атомів одного елемента (Н₂, N₂,Сl₂) , то електронна пара в однаковій мірі належить обом атомам. В цьому випадку молекулу та існуючий в ній ковалентний зв’язок називають неполярним або нейтральним. В таких молекулах центри однакових за величиною та протилежних за знаком зарядів в просторі співпадають. Якщо ж двоатомна молекула складається з атомів різних елементів, електронна пара може бути зміщена до одного з атомів. В таких випадках ковалентний зв’язок називають полярним, а молекули з полярним зв’язком, у яких центри протилежних за знаком зарядів у просторі не співпадають і знаходяться на деякій відстані один від одного - полярними або дипольними.

Ковалентний зв’язок може існувати, як в молекулах так і в атомах, які створюють кришталеву решітку (алмаз, кремній, германій). Іонний зв’язок – визначається силами електростатичного притягання між позитивними та негативними іонами. Прикладом є галогени лужних металів, які мають високу механічну міцність (хлористий натрій, хлористий цезій). Металевий зв’язок спостерігається між атомами в металах. Атоми металів здатні віддавати зовнішні електрони, перетворюючись в позитивні іони, або їх приєднувати, перетворюючись в нейтральні атоми. Таким чином, метал можна розглядати як систему (кришталеву решітку) з позитивних іонів, що знаходяться в середовищі вільних колективізованих електронів. Наявність вільних електронів пояснює електричну та теплову провідність металів. Зв’язок між позитивною решіткою та негативними електронами обумовлює монолітність металу.

Рис. 1. Схематичне зображення двоатомної молекули з ковалентним зв’язком

Полярна молекула характеризується дипольним моментом:

,

де q – абсолютне значення заряду 2∙10 ^–19 [Кл], l -відстань між зарядами (2-5)∙10 ^–10[м], тому дипольний момент складає десь 10 ^–30 ÷ 5∙10 ^–29 [Кл∙м].

Молекулярний зв’язок – (зв’язок Ван-дер-Ваальса) виникає між молекулами в яких існує внутрішній ковалентний зв’язок. Зв’язок забезпечується узгодженим рухом валентних електронів в сусідніх молекулах. Прикладом є парафін з низькою температурою плавлення.

Класифікація речовин за їх електричними властивостями. Всі речовини в залежності від їх електричних властивостей поділяють на провідникові матеріали, діелектрики та напівпровідники.

Умовне зображення енергетичної діаграми має вигляд:

Звичайно зображають тільки другу частину діаграми:

Провідникові матеріали

Різницю між ними наглядно можна зобразити за допомогою енергетичних діаграм. В основі енергетичних діаграм лежить дослідження спектру речовини, що знаходиться в газоподібному вигляді, коли атоми розташовані на відносно великій відстані один від одного. В спектрі видно, що для атомів кожної речовини існують певні спектральні лінії. Це говорить про наявність різних енергетичних рівнів для різних атомів.

Особливості:

1.         Багато вільних електричних зарядів

2.         Відсутня заборонена зона.

3.         Малий питомий опір ρ = 10 ^–6 ÷ 10 ^–3 [Ом ∙ см].

4.         З ростом температури електричний опір збільшується.

5.         Виникаюче електричне поле зникає миттєво, якщо його не підтримувати ззовні.

6.         Змінюється рухливість електронів.

7.         Концентрація електронів є постійною.

Ізоляційні матеріали, діелектрики

Особливості:

1.         Вільних електричних зарядів немає.

2.         Велика величина забороненої зони DWзз ≥ 10 еВ

3.         Великий питомий опір ρ = 10 ¹⁰ ÷ 10 ²⁰ [Ом ∙ см].

4.         З ростом температури електричний опір зменшується.

5.         Виникаюче електричне поле існує довго.

Напівпровідникові матеріали

Особливості:

1.         Слабкий зв’язок електронів з атомами.

2.         Питомий опір має значення між провідниками та діелектриками

ρ = 10 ^-3 ÷ 10 ¹⁰ [Ом∙ см].

3.         Незначна заборонена зона DWзз = 0,36 ÷ 5,3 [е∙В].

4.         З ростом температури електричний опір значно зменшується, зростає концентрація носіїв струму, рухомість носіїв заряду змінюється незначно.

2. Поляризація діелектриків та діелектрична проникність діелектричних матеріалів

Діелектрик в електричному полі

Основною властивістю будь-якого діелектрика є процес його поляризації при прикладенні до нього електричної напруги. Поляризація – це обмежене зміщення зв’язаних зарядів або орієнтація дипольних молекул в діелектрику при впливі на нього зовнішнього електричного поля. Позитивні заряди зміщуються або орієнтуються в напрямку вектора напруженості поля Е, а негативні в зворотному напрямку. В результаті цього кожний елементарний об’єм діелектрика отримує індукований (наведений) електричний момент. Утворення індукованого електричного моменту p в діелектрику і являє собою явище поляризації. Кількісно інтенсивність поляризації діелектрика визначається поляризованою P, що дорівнює відношенню індукованого електричного моменту об’єму діелектрика до цього об’єму, коли останній прямує до нуля.

P = dp/dV

Поляризована – векторна величина: її напрямок співпадає з електричним моментом – від негативного заряду до позитивного. Одиниця вимірювання модуля поляризованої [Кл/м²].

Поляризація характеризується значенням діелектричної проникності та кутом діелектричних втрат, якщо при поляризації виникає струм через товщу діелектрика, або по його поверхні.

Наявність струму пояснюється наявністю незначної кількості вільних зарядів в діелектрику та кількісно характеризується питомою об’ємною електричною провідністю та питомою поверхневою електричною провідністю діелектрика.

Будь-який діелектрик можна використовувати тільки при певній напрузі. При перевищенні цієї напруги настає пробій – повна втрата діелектричних якостей діелектриків. Значення напруги, при якій виникає пробій діелектрика, називають пробивною напругою. Під впливом електричного поля зв’язані електричні заряди діелектрика зміщуються. При зникненні електричного поля вони повертаються в попередній стан. Якщо діелектрик помістити між двома електродами то утвориться конденсатор, заряд якого описується виразом :

,

де С – ємність конденсатора;

U – прикладена напруга

Заряд конденсатора можна описати виразом :

Q₀ – заряд, який був би на електродах (обкладинках) при наявності вакууму між ними;

Q_Д – заряд, обумовлений поляризацією діелектрика, що фактично розділяє електроди.

Відносна діелектрична проникність e_r , це відношення заряду при наявності діелектрика між обкладинками до заряду при його відсутності (між обкладинками вакуум):

З формули видно, що для будь-якого матеріалу діелектрика відносна діелектрична проникність >1 і тільки для вакууму = 1.

Співвідношення для e_rможна записати так:

 ,

 ,

де С₀ – величина ємності конденсатора при наявності вакууму між електродами.

Відносна діелектрична проникність e_r є відношенням ємності конденсатора з діелектриком між обкладинками до ємності конденсатора з вакуумом. Більшість діелектриків характеризуються лінійною залежністю електричного зміщення від напруженості електричного поля, яке створюється в діелектрику.

Особливу групу складають діелектрики, в яких зі зміною напруженості поля зміщення відбувається нелінійно. Такі діелектрики називаються сегнетоелектриками. Вперше це явище було виявлено у сегнетової солі (NaKC₄ H₄ O₆ 4H₂ O).

Залежність діелектричної проникності від температури характеризується температурним коефіцієнтом діелектричної проникності.

,

при малих приростах

 

Вказує, як зміниться відносна діелектрична проникність при зміні температури на 1[К].

Залежність діелектричної проникності від тиску характеризується виразом:

при малих приростах р можлива формула:

Висновок: діелектрична проникність дозволяє виконати кількісну оцінку властивостей різних типів діелектричних матеріалів

Основні види поляризації діелектриків

Існує два основних види поляризації:

1. Поляризація під дією електричного поля – практично миттєва, пружна, без розсіювання енергії та без виділення тепла. До цього виду поляризації відносяться електронна та іонна поляризації.

2. Поляризація, яка здійснюється не миттєво, а з повільним нарощуванням та спадом, що супроводжується розсіюванням енергії в діелектрику, а відповідно з його нагрівом. Такий вид поляризації називається релаксаційною поляризацією.

Особливим механізмом володіє резонансна поляризація, яка виникає в діелектриках на високих частотах.

Різні види поляризації зручно розглядати на еквівалентній схемі.

Рис.1

Ємність конденсатору з діелектриком та накопичений в ньому електричний заряд обумовлюється сумарною дією різних видів поляризації.

1.         Q₀ , C₀ – відповідає власному полю електродів, якщо між ними вакуум.

2.         Q_е, C_е – відповідає електронній поляризації.

Електронна поляризація – це пружне зміщення та деформація електронних оболонок атомів та іонів. Час встановлення дуже малий і складає ≈ 10 ^–15 [с]. Електронна поляризація спостерігається у всіх діелектриках і не пов’язана з втратами енергії.

3. Q_i , C_i– відповідає іонній поляризації. Характерна для твердих матеріалів з іонною будовою та обумовлена зміщенням пружно зв’язаних іонів. Час встановлення ≈ 10 ^–13 [с].

4.  – відповідає дипольно-релаксаційній поляризації. Скорочено називають дипольною. Дипольні матеріали, які заходяться в хаотичному тепловому русі, орієнтуються під дією поля, що і стає причиною поляризації.

Поворот диполів в напрямку поля у в’язкому середовищі потребує подолання деякого опору, а тому виникають втрати енергії. На еквівалентній схемі це відображено активним опором .

Проміжок часу, за який відновлюється орієнтація диполів за рахунок теплового руху в 2,7 рази відносно початкового стану, називають “часом релаксації”.

Дипольна поляризація притаманна полярним газам і рідинам, а також деяким твердим матеріалам. Прикладом є целюлоза.

5.  – відповідає іонно-релаксаційній поляризації. Слабо зв’язані іони речовини під впливом зовнішнього електричного поля зміщуються в напрямку поля. Після зняття дії електричного поля дія іонно-релаксаційної поляризації поступово зменшується за експоненціальним законом. Відбувається в неорганічному склі та в деяких іонних кристалічних неорганічних речовинах.

6. – відповідає електронно-релаксаційній поляризації. Виникає внаслідок збудження тепловою енергією надлишкових (дефектних) електронів або дірок. Характерна для діелектриків з великим внутрішнім полем та електронною електропровідністю. Прикладом є діоксид титана забруднений домішками Са (кальцію) та Ва (барію).

7. – відповідає міграційній поляризації. Це додатковий механізм поляризації. Виникає в твердих матеріалах з неоднорідною структурою при макроскопічних неоднорідностях та наявності домішок.

8. Rіз – відповідає опору ізоляції скрізному струму через діелектрик.

Висновок

В одному й тому ж матеріалі діелектрика при різних умовах (температура, частота) може виникати різна поляризація, що необхідно враховувати при виборі діелектрика для конкретних умов застосування.

Класифікація діелектриків за видом поляризації

За видом поляризації всі діелектрики поділяються на чотири групи:

1.         Діелектрики в яких спостерігається, електронна поляризація – це неполярні, або слабо полярні гази, рідини, або тверді матеріали (парафін, сірка, полістирол, бензол, водень).

2.         Діелектрики в яких спостерігається, як електронна так і дипольно-релаксаційна поляризація. До них відносяться полярні (дипольні) органічні напіврідинні та тверді матеріали (епоксидні смоли, целюлоза, масляно-каніфольні компаунди).

3.         Тверді неорганічні діелектрики з електронною, іонною та іонно-електронно-релаксаційною поляризацією. До цієї групи відносять кристалічні матеріали – кварц, слюда, кам’яна сіль, а також матеріали з скловидною фазою – неорганічне скло, фарфор.