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 Q0.
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 Qд . Суммарный полный заряд в конденсаторе с диэлектриком: Q = Q0 + Qд = εrQ0, где εr — относительная диэлектрическая проницаемость.
Рис. 1
Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами:
C0 = Q0/U.
Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами:
C = Q/U.
Из этих формул следует, что εr = С/С0-отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости того же конденсатора, где между электродами вакуум.
Емкость плоского конденсатора: С = ε0εrS/h, где ε0 = 8,85·10-12 Ф/м — электрическая постоянная. Произведение ε0εr называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.
Поляризованное состояние диэлектрика характеризуется также электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р (Кл/м2), которая связана с диэлектрической проницаемостью Р = ε0(εr – 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.