Диэлектрики

Этот класс веществ настолько разнообразен, что его трудно классифицировать. Если проводники и полупроводники в большинстве своём являются кристаллическими материалами, что определяет однородность физических процессов в них, то диэлектрики находят применение самых различных видов: кристаллические вещества, аморфные, органические, неорганические, твёрдые, жидкие, газообразные.

Электропроводность диэлектриков

При подаче постоянного напряжения электропроводность диэлектриков можно представить графиком:

Рисунок 34

1 – 2 остаточный ток, имеет малое, но конечное значение;

2 – 3 ток, обуславливаемый процессом заряда ёмкости и поляризацией диэлектрика.

Для остаточного тока можно определить остаточную электропроводность по формуле:

,

где L– длина диэлектрика,

S– площадь поперечного сечения диэлектрика,

U₀– напряжение на диэлектрике.

Эта формула не точно описывает величину проводимости диэлектрика, так как не учитывает напряжение поляризации, а для многих диэлектриков (например, парафин, слюда) напряжение поляризации ≈ 0,99. С учётом этого выражение для истинной проводимости примет вид:

.

Из зонной теории известно, что ширина запрещённой зоны диэлектриков достигает 10эВ, следовательно, ионизация (отрыв электрона от атома) возможна только при очень больших энергиях (температура должна быть сравнима с температурой на поверхности Солнца), что на практике не возможно. Но, при температуре выше абсолютного нуля есть статистическая вероятностьтого, что электрон всё-таки приобретёт необходимую для отрыва энергию. Статистическое распределение носителей заряда описывается формулой:

.

При любой температуре мы получим некоторое число электронов, способных перемещаться по объёму вещества. Выражение для электропроводности примет вид:

.

Этой же формулой определяется температурная зависимость электропроводности диэлектриков. График этой зависимости представлен на рисунке 35

Однако на практике собственная электропроводность диэлектриков крайне незначительна (в частности при комнатной температуре). Чаще имеет место примесная электропроводность.

Рисунок 35

а – идеальная характеристика;

б – реальная характеристика.

Кривая 1 иллюстрирует случай молекулярно-структурных изменений в диэлектрике при нагреве;

Кривая 2 отражает наличие различных видов носителей зарядов с различными энергиями ионизации.

Для электропроводности на переменном напряжении большое значение приобретает явление поляризации.

Поляризация– состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента объёма этого диэлектрика.

Способность различных материалов поляризоваться характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью:

,

где С– ёмкость конденсатора с диэлектриком,

- ёмкость того же конденсатора в вакууме (без диэлектрика).

Существует множество разновидностей поляризации. Различают:

• Электронную.

• Ионную

• Дипольно-релаксационную

• Ионно-релаксационную

• Электронно- релаксационную

• Миграционную

• Резонансную

• Спонтанную

Рассмотрим некоторые виды поляризации подробнее.

Электронная поляризация

Характерна для атомов, у которых отсутствует какой-либо природный электрический момент.

Рисунок 36

Данная поляризация присуща всем веществам независимо от их природы, однако часто маскируется другими видами поляризации.

Ионная поляризация

Характерна для веществ, имеющих структуру ионного кристалла, при этом электроны одного компонента присваиваются другим.

При подаче электрического поля, ионы кристаллической решётки смещаются, происходит упругое искажение решётки. До тех пор, пока оно упругое, поляризация – чисто ионная.

Рисунок 37

Дипольно-релаксационная поляризация

Характерна для веществ, молекулы которых уже имеют природный дипольный момент. Например, молекула воды

Рисунок 38

По механизмам поляризацииразличают полярные и неполярные диэлектрики.

Для неполярных характерна электронная поляризация. Примерами служат: водород Н₂, бензол, парафин, полиэтилен.

Полярные (дипольные) диэлектрики имеют одновременно электронную и дипольно-релаксационную виды поляризации.

Примеры: эпоксидные компаунды и смолы, капрон, хлорированные углеводороды.

Ионные соединения

Их разделяют на соединения

с ионной и электронной поляризацией (корунд, слюда, кварц);

с ионной и электронно-релаксационной (неорганические стёкла, многие виды керамики).

По признаку наличия потерьвыделяют:

1. линейные диэлектрики с малыми потерями (рисунок 39а);

2. диэлектрики с большими потерями (рисунок 39б).

Рисунок 39

Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты

Для различных типов поляризации она будет иметь разные формы. Однако, в общем виде можно сказать примерно следующее.

На низких частотах диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты входного сигнала, или от величины напряжения.

Затем наблюдается рост диэлектрической проницаемости, обусловленный явлением резонанса. В наиболее явном виде это характерно для полярных диэлектриков.

После прохождения максимума наблюдается резкое падение диэлектрической проницаемости практически до нуля.

Рисунок 40

f_рез– частота, с которой переориентация ещё возможна (или, как говорят, - это собственная частота молекул диэлектрика).

К конкретному диэлектрику данная зависимость не применима. Это своего рода обобщённая форма, на которую накладываются резонансы различных типов поляризации.

При приложении переменного напряжения диэлектрики проводят переменную составляющую, так как переполяризация молекул, представляющая собой направленное движение связанных носителей заряда, по сути, элементарный акт электропроводности.

Диэлектрик, находясь в сильных электрических полях, может потерять свои свойства изоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называется пробоем. Минимальное напряжение, приложенное к диэлектрику, приводящее к пробою называетсянапряжением пробоя .

Рисунок 41

Пробой может возникнуть в результате чисто электрических, тепловых, а в некоторых случаях и электрохимических процессов.

Классификация диэлектриков основана на признаке применения в аппаратуре.

Все диэлектрики делятся на две большие группы:

• конденсаторные;

• изоляционные.

Изоляционные диэлектрики используются для создания электрической изоляции.

Конденсаторные – для создания требуемых значений ёмкости. В некоторых случаях – для обеспечения определённого характера зависимости ёмкости от внешних факторов.

Отнесение диэлектрика к той или иной группе не может быть абсолютно однозначным, так как в различных условиях один и тот же диэлектрик может выполнять разные функции. Например, оксид кремния SiO₂используется и в качестве изоляционного, и в качестве конденсаторного материала, а также в качестве маскирующего материала и активного диэлектрика (кварц).

Следовательно, для отнесения диэлектрика к той или иной подгруппе необходимо оценить комплекс параметров, присущих диэлектрику и сопоставить с теми условиями, в которых ему предстоит работать. Однако в общем виде можно утверждать: важнейшие параметры:

для конденсаторных диэлектриков:

для изоляционных диэлектриков

Очень редко диэлектрики применяются только как изоляционные или конденсаторные. Например, ПВХ – материал только изоляционный, титанат стронция – только конденсаторный.

Подавляющее большинство диэлектриков применяются и как изоляционные, и как конденсаторные: слюда, керамика, стекло, полимерные плёнки.

Конденсаторныедиэлектрики делятся на:

Пассивныедиэлектрики: выполняют накопительную функцию, классифицируются исходя из особенностей строения, структуры.

Активныедиэлектрики: предназначены для создания устройств, выполняющих в аппаратуре функции генерации, преобразования, накопления, хранения информации. Применяются в функциональной электронике. Их, в свою очередь, делят по признаку управляющих воздействий.

Полимеры (пластмассы)

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев мономеров.

Реакцию образования полимера называют полимеризациейв том случае, если она протекает без выделения побочных продуктов, илиполиконденсациейв том случае, если реакция протекает с выделением побочных продуктов.

Для начала и завершения реакции формирования молекулы полимера необходимы радикалы – части молекул, образующиеся при разрыве электронной пары и содержащие неспаренный электрон (оборванную связь).

Полиэтилен:

R─CH₂─CH₂─…─CH₂─R₁;

H H

─ C ─ C ─

H H n

где n– степень полимеризации.

Свойства полимеров очень сильно зависят от того, с помощью какого типа реакции они образуются. Различают два типа полимеров: линейные и пространственные.

Линейные полимеры - те, у которых соотношение длины и диаметра несоизмеримы L>>d. Они формируются по реакции полимеризации. Гибкие, пластичные, легкоплавкие, термопластичные, хорошо обрабатываемые, обладают отличными электроизоляционными свойствами.

Пространственные полимеры – те, которые образуются из молекул, разрастающихся во всех трёх координатах. При создании определённых условий мы можем добиться того, что всё изделие будет состоять из одной пространственной молекулы. Отсюда и набор свойств, характерных для них: большая жёсткость, механическая прочность, температура плавления значительно выше, чем у линейных, причём некоторые пространственные полимеры вообще не плавятся, а только обугливаются, разрушаются, что обуславливает их термореактивное свойство.

Линейные полимеры растворимы в различных растворителях, пространственные – практически не растворимы.

Типичные линейные полимеры:

полиэтилен,

полиэтилентерефталат (лавсан),

полиметилкрилат (оргстекло),

поливинилхлорид,

политетрафторэтилен (фторопласт),

капрон,

полистирол.

Типичные пространственные полимеры:

эпоксидные смолы,

эбонит,

эскапон.

Электрические свойства

Строение макромолекул различных типов полимеров определяет их электрические свойства. Все химические связи углерода в той или иной степени полярны, однако, если молекула имеет симметричное строение, суммарный дипольный момент может быть равен нулю. Вещества с несимметрично построенными звеньями имеют дипольный момент, отличный от нуля, что, соответственно, ухудшает их электроизоляционные свойства.

Важным фактором является также то, по какой реакции образуется тот или иной полимер, так как при поликонденсации выделяются какие-либо побочные продукты, то часть этих продуктов оказывается замурованной в объёме полимера, что приводит к ухудшению электроизоляционных свойств.

Нагревостойкость. Большинство органических полимеров могут длительно работать при температуре до 100°С. При более высоких температурах они просто очень быстро стареют.

Среди линейных полимеров наиболее интересными свойствами обладают фторсодержащие полимеры (фторопласты) или кремнийорганические полимеры (полиимиды).

Фторопласт

Это уникальный материал, обладающий огромной электрической прочностью (до 250 МВ/м), отличной нагревостойкостью (выдерживают до 400°С). Особенно высока химическая стойкость: кислоты и щёлочи не оказывают на него влияния, фторопласт незначительно реагирует лишь с расплавленными щелочными металлами. При превышении определённой температуры он не плавится, а разлагается с выделением атомарного фтора.

Структура аналогична полиэтилену

F F

─ C ─ C ─

F F n

Поскольку атомы фтора крупнее и связь с атомами углерода сильнее, то эта молекула гораздо более устойчива, нежели молекула полиэтилена.

Так как фторопласт не плавится и не переходит в вязко-текущее состояние, то и обычные методы формовки пластмасс неприменимы. Он перерабатывается в изделие методом спекания и порошка. Превосходно обрабатывается механическим путём, обладает замечательно большой диэлектрической проницательностью и малым тангенсом угла потерь.

Применяется как конденсаторный (для ВЧ устройств, устройств, требующих большое значения напряжения пробоя) и как изоляционный (благодаря электрической прочности и термостойкости) диэлектрик.

Диэлектрическая проницаемость неполярных полимеров в основном определяется электронной поляризацией, следовательно, не зависит от частоты и слабо зависит от температуры. Потери в линейных полимерах главным образом обусловлены релаксационными явлениями (дипольно-групповые).

В общем же, потери очень малы, следовательно, их нередко используют как изоляторные диэлектрики, для ВЧ и СВЧ устройств.

Полярные полимеры – материалы с повышенными потерями дипольно-релаксационного типа. К ним относят ПВХ и полиметилкрилат, которые используют в качестве электроизоляционных – конструкционных материалов.

Неорганические стёкла

Стекла – неорганические квазиаморфные твердые вещества.

Различают их по составу:

• элементарные;

• халькогенидные;

• оксидные.

В основе оксидных неорганических стекол – стеклообразующий окисел (SiO₂,P₂O₅,B₂O₃,GeO₂).

Наиболее распространены стёкла на основе SiO₂– силикатные (дёшевы, доступны, хорошо обрабатываемы, обладают хорошими механическими характеристиками, неплохими электроизоляционными свойствами).

В стекловарную печь загружают шихту измельчённых компонентов, которые предварительно тщательно смешивают в нужных пропорциях. При нагреве шихта плавится, летучие компоненты удаляются, оставшиеся окислы реагируют между собой, что приводит к образованию однородной стекломассы, которая используется для изготовления изделий, отливкой, формовкой, либо комбинацией этих воздействий с последующей релаксацией внутренних напряжений.

Свойства стёкол сильно зависят от состава начальной шихты:

1. безщелочныестёкла обладают высокой нагревостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами. Однако из них трудно изготовить изделия со сложной конфигурацией, так как они мало пластичны в расплавленном состоянии.

2. щелочныестёкла без тяжёлых окисловобладают пониженной нагревостойкостью и худшими электроизоляционными свойствами, но повышенной технологичностью. Являются группой обычных (бытовых) стёкол.

3. щелочные стёкла с высоким содержанием тяжёлых окислов. Увеличение доли тяжёлых окислов приводит к улучшению электроизоляционных свойств стекла при сохранении технологичности.

4. кварцевоестекло получают из чистого оксида кремнияSiO₂при температуре 1700°С. Обладает хорошими электроизоляционными свойствами, но плохо обрабатывается. Имеет оригинальный комплекс свойств: высокую нагревостойкость, малый ТКЛР и высокий предел прочности на сжатие. В отличие от предыдущих групп, пропускает УФ излучение.

По назначению различают:

1. электровакуумное стекло. ТКЛР подобран таким образом, чтобы он совпадал с ТКЛР металлов, используемых для формирования выводов;

2. изоляционные стёкла используются для изоляции выводом в металлостеклянных корпусах различных приборов;

3. цветные стёкла (светофильтры, глазури, эмали);

4. лазерные стёкла используются в качестве рабочих тел лазеров. Для достижения нужных свойств в стекло вводятся центры генерации – ионы неодима Nd^3+;

5. стекловолокно получают методом вытяжки через фильеры с быстрой намоткой на вращающиеся барабаны;

6. световоды;

Рисунок 42