1.3. Диэлектрические материалы Лекция 1.3.1. Поляризация диэлектриков Основные электрические свойства диэлектриков
Диэлектрики — вещества, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. Это широкий класс электротехнических материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и интетических, органических, неорганических и элементоорганических. По выполняемым функциям они делятся на пассивные и активные. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов. В активных диэлектриках (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), электрические свойства зависят от управляющих сигналов, способных изменять характеристики электротехнических устройств и приборов.
По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из неполярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные диэлектрики состоят из несимметричных молекул (диполей). Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом – р.
В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивается в виде тепла. Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики.
Основные электрические свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 3.
Таблица 3 — Электрические свойства диэлектриков и их характеристики
Относительная диэлектричес-кая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических потерь
Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние.
Различают два вида поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без выделения энергии рассеяния, т.е. без выделения тепла, за время 10 -15 – 10 -13 с; поляризация не совершается мгновенно, а нарастает или убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревает — это релаксационная поляризация за время от 10 -8 до 10 2 с.
К первому виду относятся электронная и ионная поляризации.
Электронная поляризация (Cэ, Qэ) – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за время 10 -15 с. Наблюдается такая поляризация для всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n 2 .
Ионная поляризация (Cи, Qи) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10 -13 с. С повышением температуры смещение усиливается и в результате ослабления упругих сил между ионами, а температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.
Ко второму виду относят все релаксационные поляризации.
Дипольно-релаксационная поляризация (Cдр, rдр, Qдр) связана с тепловым движением диполей при полярной связи между молекулами. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, выделения энергии в виде тепла (rдр). Время релаксации здесь порядка 10 -8 – 10 -6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.
Ионно-релаксационная поляризация (Cир, rир, Qир) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений получают избыточные набросы в направлении поля и смещаются по силовой линии его. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации, энергия активации и частота собственных колебаний происходит в течение 10 -6 – 10 -4 с и связано законом
(13)
где f – частота собственных колебаний частиц; — энергия активации; k –постоянная Больцмана (8,63 10 -5 ЭВ/град); T – абсолютная температура по К 0 .
Электронно — релаксационная поляризация (Cэр, rэр, Qэр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10 -8 – 10 -6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, Са+2, Ва+2, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах наличие максимума в температурной зависимости ( диэлектрической проницаемости). для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты.
Структурные поляризации различают:
Миграционная поляризация (Cм, rм, Qм) протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 10 2 с.Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в при электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации. Для сегнетоэлектриков различают спонтанную или самопроизвольную поляризацию,(Cсп, rсп, Qсп), когда идет значительное рассеяние энергии или выделение тепла за счет доменов (отдельные области, вращающихся электронных оболочек) , смещающихся в электрическом поле, т. е. еще в отсутствии электрического поля в веществе есть электрические моменты, а при некоторой напряженности внешнего поля наступает насыщение и наблюдается возрастание поляризации.
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАТЕРИАЛОВ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Материалы, применяемые в электронной технике, принято классифицировать на электротехнические, конструкционные и материалы специального назначения. Электротехническими называют материалы, обладающие особыми свойствами по отношению к электромагнитному полю. К ним относятся: проводники, диэлектрики, полупроводники и магнитные материалы. Проводники — это материалы с сильно выраженной электропроводностью. По применению их делят на материалы высокой проводимости (для проводов различного назначения, токопроводящих деталей, электрических контактов) и материалы высокого сопротивления (для резисторов и нагревательных элементов). Диэлектрики — это материалы, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. По применению различают пассивные диэлектрики (электроизоляционные) и активные диэлектрики (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), свойствами которых можно управлять внешним энергетическим воздействием. Полупроводники — это материалы с сильной зависимостью электропроводности от концентрации и вида примесей, дефектов структуры и внешних энергетических воздействий (температуры, электромагнитных полей, освещенности и т.д.). По отношению к магнитному полю большинство электротехнических материалов — немагнитные либо слабомагнитные вещества. Существует особая группа материалов, проявляющих сильные магнитные свойства. Магнитные материалы способны сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле. По особенностям процесса намагничивания, связанным с их строением, они делятся на ферромагнетики и ферримагнетики (ферриты). Различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Магнитомягкие материалы легко перемагничиваются. Их применяют в электромагнитах и переменных магнит- ных полях в качестве сердечников трансформаторов, магнитопро- 6
водов электрических машин, реле и т.д. Магнитотвердые материалы трудно размагничиваются, обладают большим запасом магнитной энергии; их используют для изготовления постоянных магнитов и устройств для записи и хранения информации. Основной характеристикой электротехнических материалов яв- ляется удельная электропроводность — γ, Сименс/м, как коэф- фициент пропорциональности между плотностью тока j (А/м 2 ) и напряженностью электрического поля E (В/м) в законе Ома
| j = γ E . | (1.1) |
Удельная электропроводность зависит только от свойств материала. Этой характеристикой обычно пользуются в теории. На практике, для оценки электропроводности материалов и систем более широко используется обратная величина — удельное электриче- ское сопротивление — ρ , Ом·м ,
| ρ = | 1 . | (1.2) |
| γ |
Для основных групп электротехнических материалов значение ρ составляет: • проводники — ρ < 10 -5 Ом·м; • диэлектрики - ρ >10 8 (до 10 16 ) Ом·м; • полупроводники — ρ = 10 -5 …10 8 Ом·м. Что касается магнитных материалов, по величине удельной проводимости (удельному сопротивлению) они могут быть проводниками, полупроводниками или диэлектриками. Среди материалов, применяемых в электротехнических устройствах и приборах, особое место занимают сплавы с высокими упругими свойствами, которые применяются для упругих элементов (токопроводящие пружины, подвески, растяжки, мембраны и т.д.), и сплавы с особыми свойствами теплового расширения (спла- вы инварного типа). Различают сплавы с минимальным коэффициентом линейного расширения, предназначенные для деталей приборов с повышенными требованиями постоянства линейных размеров при изменении температуры, и сплавы с заданным коэффици-
ентом линейного расширения — для создания вакуумплотных спаев с другими материалами (стеклом, керамикой и т.д.).
1.2. Основы зонной теории твердого тела
Зонная теория является основой современных представлений о процессах, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Она рассматривает движение валентных электронов в периодическом потенциальном поле кристаллической решетки с учетом корпускулярно-волновых свойств элементарных частиц. В квантовой теории движение электронов описывается волновой функцией, и разрешенными орбитами для электронов изолированного атома являются только те, на длине волны которых (2π r ) укладывается целое число волн де Бройля λ : 2π r = n · λ , n = 1, 2, 3… Длина волны де Бройля составляет
| λ = | h | = | h | , [м], | (1.3) |
| m u | 2 m Э | ||||
| e | e |
где m e — масса электрона; h — постоянная Планка; u — тепловая ско- рость движения свободных электронов, м/с; Э = m e u 2 — кинетиче- 2 ская энергия электронов. Исходя из этого постулата, можно определить радиус разрешенных орбит и соответствующие им энергетические уровни электронов. Таким образом, изолированный атом имеет дискретный энергетический спектр : электроны занимают определенные энергетические уровни. Некоторые из них электроны занимают в нормальном невозбужденном состоянии атома, на более высоких энергетических уровнях электроны могут находиться в возбужденном состоянии при внешнем энергетическом воздействии. После прекращения энергетического воздействия электроны возвращаются на более низкие энергетические уровни. Переход электронов с одних энергетических уровней на другие происходит дискретно и
сопровождается поглощением, либо выделением квантов энергии (рис. 1). Рис. 1. Схема энергетических уровней: а — атома: 1 — уровень невозбужденного атома, 2 — уровени возбужденного атома; б — твердого тела: 1 — валентная зона (заполнена электронами), 2 — зона проводимости (зона свободных энергетических уровней), 3 — запрещенная зона В кристалле между соседними атомами возникают силы обменного взаимодействия , что приводит к перекрытию электронных оболочек и обобществлению электронов. Обобществленные валентные электроны любого вещества могут свободно перемещаться без затраты энергии от атома к атому по всему кристаллу путем обмена (туннельный переход). Вследствие обменного взаимодействия дискретные энергетические уровни изолированных атомов в кристалле расщепляются, образуя энергетические зоны . Разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными интервалами энергии. Количество энергетических уровней, составляющих энергетическую зону, определяется числом атомов в твердом теле. Если в 1см 3 кристалла содержится 10 22 …10 23 атомов, а ширина зоны в среднем составляет 1 эВ (электронвольт), то уровни в зоне отстоят друг от друга на 10 -22 …10 -23 эВ. Это означает, что энергетическая зона характеризуется квазинепрерывным спектром, и достаточно
малейшего энергетического воздействия, чтобы вызвать переход электронов с одного уровня на другой при наличии там свободных состояний. Внутренние электронные оболочки изолированных атомов, как правило, заполнены электронами, соответствующие им энергетические зоны также оказываются заполненными. Самую внешнюю из заполненных электронами зон называют валентной зоной . Ближайшую к валентной разрешенную зону свободных энергетических уровней называют зоной проводимости . Валентная зона и зона проводимости отделены друг от друга запрещенной зоной — энергетическим барьером, ∆ Э (рис. 1). Принципиальное отличие проводниковых материалов от диэлектриков и полупроводников заключается в различной реакции на внешнее электрическое поле, что иллюстрируют энергетические диаграммы (рис. 2). Рис. 2. Схема энергетических зон: а — проводника, б — полупроводника, в — диэлектрика В проводниках (металлах) зона проводимости вплотную примыкает к валентной зоне (∆ Э = 0). Валентная зона не полностью заполнена электронами, имеются свободные энергетические подуровни, которые с зоной проводимости образуют энергетический спектр свободных уровней (рис. 2,а). В электрическом поле добавочная
Проводники и диэлектрики в электрическом поле
Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E → включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E 0 → и внутреннее поле E ‘ → которое создается заряженными частицами вещества.
Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.
Проводники
Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.
Вследствие поляризации полное электрическое поле E → = E 0 → + E ‘ → = 0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E 0 → .
Рисунок 1 . 5 . 4 . Поляризация неполярного диэлектрика.
В электрическом поле E ‘ → связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E 0 → . В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.
Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.
Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 10 10 – 10 12 В / м . При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.
Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.
Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.
Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.
В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла N a C l , в котором ионы N a + и C l – составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла N a C l является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.
Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E ‘ → связанных зарядов и полное поле E → будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E → точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:
В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q , напряженность электрического поля E → этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:
E → = 1 4 π ε 0 · Q ε r 3 r → , φ = 1 4 π ε 0 Q ε r .
Материалы способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле это
Электреты относятся к классу активных диэлектриков и представляют собой материалы, способные после зарядки в электрическом поле долго сохранять электрический заряд.
Использовать постоянную поляризацию в качестве электрического аналога магнита впервые предложил Хевисайд. Он же придумал слово «электреты» и предсказал их практическое применение в качестве удобного и доступного источника электрического поля, не требующего батарей. Первые эксперименты с электретами были выполнены Егучи, который взял карнаубский воск, расплавил его, а затем поляризовал и охладил в сильном электрическом поле. При этом он ожидал, что смещенные заряды и ориентированные диполи окажутся заморожены и у соответствующих электродов появятся положительные и отрицательные поверхностные заряды. Эти заряды периодически им измерялись (рис. 1).
Рис. 1. Рассеченный конденсатор: оба электрода прилегают к электрету и замкнуты на землю (а), верхний электрод отсоединяется от земли и удаляется от электрета (б)
При измерениях электрет помещается между закороченными пластинами конденсатора и его поверхностные заряды индуцируют равные заряды противоположного знака на прилегающих электродах. Затем верхний электрод изолируется и удаляется и измеряется его заряд.
Егучи обнаружил, что если электрет хранится в условиях экранирования его поверхности металлическими пластинами, то величина поверхностного заряда постепенно уменьшается, меняет знак, а затем вновь возрастает до некоторого постоянного значения, имеющего знак, противоположный первоначальному заряду. Если после этого электрет оставался некоторое время не экранированным, заряд уменьшался, но при экранировании частично восстанавливался. Гросс ( Gross , 1949) впервые объяснил такое поведение электретов (рис. 2) как взаимодействие между поверхностными гетерозарядами, обусловленными объемной поляризацией и имеющими знак, противоположный знаку прилегающего электрода при поляризации, и гомозарядами, обусловленными свободными зарядами и имеющими тот же знак, что и знак прилегающего электрода.
Происхождение гомозарядов объясняется следующим образом. При увеличении объемной поляризации в начале зарядки (стадия А) поле в зазоре между диэлектриком и электродом увеличивается до тех пор, пока не происходит пробой воздушного промежутка, при котором осаждаются ионы того же знака, что и потенциал электрода. При дальнейшей поляризации происходят повторные разряды, еще больше увеличивающие гомозаряд. В конце поляризации на поверхностях диэлектрика существует смесь гетеро- и гомозарядов.
Любой детектор плотности поверхностных зарядов показывает их алгебраическую сумму. По окончании поляризации и закорачивания прикладываются экранирующие электроды (стадия Б), при этом внутреннее поле в диэлектрике значительно уменьшается, так что объемная поляризация снижается, а индуцированный гетерозаряд спадает и остается только гомозаряд. Далее электрод удаляется (стадия В), гомозаряд восстанавливает внутреннее поле в том же направлении, что и начальное поляризующее поле, нарастает объемная поляризация, вызывающая появление гетерозаряда, в то же время гомозаряд уменьшается под действием собственного поля. Когда электрод прикладывается снова (стадия Г), поляризация опять уменьшается.
Рис. 2. Типичное поведение электрета на различных стадиях: А – поляризация внешним полем; Б — электроды закорочены;
В — верхний электрод удален; Г—электрет вновь экранирован.
Из приведенною выше анализа поведения электретов ясно, что спад гетеро- и гомозарядов можно исследовать по отдельности, проводя измерения на стадиях Б и В. Кроме того, поскольку дипольная релаксация и проводимость, ответственные за спад гетеро- и гомозарядов в электретах, являются термически активированными процессами, то можно ускорить проведение измерений. Температурную зависимость времени спада можно определять при повышенных температурах, когда это время мало, и по полученной энергии активации путем экстраполяции находить значение для комнатной температуры. Типичные значения постоянной времени τ в уравнении спада поверхностного заряда q е =q0 e хр(- t / τ ) приведены в табл. 1 для полиэтилентерефталата (ПЭТ) и фторированного этиленпропиленового сополимера (ФЭП).
Таблица 1. Постоянная времени τ спадания заряда электрета
Постоянная времени τ , годы