Электропроводность диэлектриков
У диэлектриков очень широкая запрещенная зона, поэтому свободные носители заряда практически отсутствуют. Основной причиной электропроводности является наличие в объеме и на поверхности ионов различных примесей. При высоких температурах проводимость также может быть обусловлена ионами самого материала. Различают объемную и поверхностную электропроводность.
Объемная электропроводность создается ионами примесей или ионами диэлектрика, которые, находясь в состоянии первоначального закрепления и совершая тепловые колебания, способны преодолеть силы взаимодействия с другими молекулами и перейти в новое положение временного закрепления. В отсутствие электрического поля направления перемещения ионов равновероятны, и ток равен нулю. При наличии поля движение ионов создает ток, плотность которого равна
где NT — концентрация диссоциированных ионов;
υT— средняя скорость движения ионов.
Скорость υT пропорциональна напряженности поля:
Здесь μT— подвижность ионов.
Следовательно, можно записать:
Здесь 
— удельная объемная проводимость диэлектрика. Величины NT и μT зависят от температуры:
где NT — концентрация диссоциированных ионов;
N — общая концентрация ионов;
μT - предельная подвижность ионов;
ЕД — энергия диссоциации, необходимая для того, чтобы преодолеть действие сил молекулярного взаимодействия;
Епер — энергия перемещения диссоциированного иона, необходимая для перемещения иона из одного состояния закрепления в другое.
Подставляя NT и μT в формулу для σД, получаем
где А — коэффициент пропорциональности, включающий в себя NT и μT;
Е.а — суммарная энергия активизации (Еа = Е,Д + ЕПЕР).
Так как в объеме имеются как ионы примеси, так и собственные ионы, то
(1.28)
Здесь А1 и Е1 характеризуют примесную ионную электропроводность, А2 и Е2 — собственную. При низких температурах преобладает первое слагаемое, а при высоких — второе. Ток, создаваемый движением ионов, называют током сквозной проводимости —Iск.
Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями, различными дефектами на поверхности диэлектрика. По способности реагировать на влагу различают гидрофобные и гидрофильные материалы. Гидрофобные материалы практически не смачиваются, и их удельное поверхностное сопротивление велико. Гидрофильные материалы смачиваются, поэтому на поверхности диэлектрика образуется непрерывный токопроводящий слой. Способность материала поглощать влагу называется адсорбцией. Такой способностью обладают полярные и ионные диэлектрики. Для уменьшения поверхностной электропроводности создают защитные гидрофобные покрытия.
Диэлектрические потери
Диэлектрическими потерями называют мощность, расходуемую электрическим полем на поляризацию диэлектрика. Эта мощность выделяется в виде тепла. Поглощение мощности диэлектриком обусловлено медленными поляризациями и электропроводностью диэлектрика.
Если между обкладками конденсатора помещен неполярный диэлектрик, то пропорционально изменению напряженности электрического поля изменяются электрические моменты диполей и, соответственно, электрические заряды, наводимые на обкладках конденсатора, вследствие чего в диэлектрике возникает ток смещения (емкостный ток), пропорциональный скорости изменения напряженности поля:
Если напряженность поля изменяется по синусоидальному закону, то
При этом Iсм опережает приложенное напряжение на угол π/2 (рис. 1.32). Если между обкладками конденсатора помещен полярный диэлектрик, то поворот неупругих диполей запаздывает относительно изменения напряжения на величину временной релаксации τ0 = 10-8 с, в результате чего возникающий ток опережает напряжение на угол φ < 90°. Этот ток называется током абсорбции. Таким образом, ток смещения (IСМ) обусловлен электронной поляризацией, а ток абсорбции (Iа6) — дипольной. Кроме того, в диэлектрике существует сквозной ток 1СK, совпадающий по фазе с приложенным напряжением. Следовательно, полный ток равен I = Iаб + ICМ + IСК. Активная составляющая такого тока равна /а = 1СК + Iаа6, а реактивная – IP = Iсм + Iaa6.
Угол 8, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением, называют углом диэлектрических потерь. Тангенс угла диэлектрических потерь, как это следует из векторной диаграммы, можно рассчитать по формуле
Из-за наличия тока 
, в диэлектрике выделяется мощность
Таким образом, потери энергии в диэлектрике определяются величиной tgδ. У широко применяемых диэлектриков tg δ = (2...5) 10-3, у высококачественных диэлектриков tg δ = (2...5) 10-4.
У неполярных диэлектриков при возрастании температуры tgδ увеличивается (рис. 1.33, кривая 1), так как потери растут из-за возрастания тока Iск.
У полярных диэлектриков (рис. 1.33, кривая 2) возможности поворота молекул при низких температурах ограничены из-за сил трения между ними. Поэтому количество молекул, участвующих в процессе дипольной поляризации, и время установления поляризации т0 невелики, вследствие чего tgδ имеет небольшую величину. По мере роста температуры облегчается поворот молекул, возрастает их количество и уменьшается время τ0, что ведет к увеличению tgδ (участок 1). Так происходит до тех пор, пока время τ0 не окажется равным длительности периода изменения поля. При этом условии дипольная поляризация получает наибольшее развитие и tgδ достигает максимума. При еще более высоких температурах время τо становится существенно меньше периода изменения напряженности поля, поэтому запаздывание дипольной поляризации относительно изменений поля практически исчезает и tgδ уменьшается (участок 2). С повышением частоты максимум tgδ смещается в область более высокой температуры. При дальнейшем повышении температуры tgδ начинает увеличиваться, что связано с возрастанием сквозного тока (участок 3).
В неполярных диэлектриках с увеличением частоты возрастает ток Iр, а ток Iа сохраняется неизменным, поэтому tgδ уменьшается (рис. 1.34, кривая 1).
В полярных диэлектриках в области низких частот ток Iа6 не велик, поэтому при повышении частоты tgδ уменьшается за счет роста тока IСМ. Затем с ростом частоты возрастает число переориентации полярных молекул в единицу времени и увеличивается ток /аб, вследствие чего растет tgδ. На частоте fm время установления дипольной поляризации становится равным длительности периода изменения напряженности поля и tgδ достигает максимума. При дальнейшем повышении частоты не хватает времени для переориентации полярных молекул, поэтому увеличивается ток Iааб, что ведет к уменьшению tgδ (рис. 1.34, кривая 2).