Диэлектрики

К диэлектрикам относятся материалы с удельным электрическим сопротивлением более 10 Ом-м обладающие свойством поляризации. Диэлектрики являются самой многочисленной группой материалов, отличающихся многообразием химического состава структуры, а также электрических, механических и других свойств.

Существуют различные классификации диэлектриков:

1. По агрегатному состоянию: газообразные, жидкие твердые.

2. По способности к поляризации: неполярные, полярные.

3. По химическому составу: органические и неорганические.

4. По структуре: кристаллические, аморфные.

5. По виду выходного параметра: активные, пассивные.

Разнообразно применение диэлектриков в современной технике. Кроме широкого известного использования диэлектриков в качестве изоляции от воздействия электрического тока, они все в большей степени применяются в качестве активных элементов современной электронной аппаратуры: запоминающих устройств вычислительной техники, преобразователей механических воздействий в электрический сигнал и наоборот, а также в термочувствительных и других датчиках.

Диэлектрики обладают характерными свойствами, наиболее важными из которых является их способность поляризоваться в электрическое поле. Основными параметрами электрических свойств диэлектриков являются:

• удельное электрическое сопротивление;

• диэлектрическая проницаемость;

• коэффициент диэлектрических потерь;

• электрическая прочность.

1. Поляризация диэлектриков

Основное электрическое свойство диэлектриков - способность поляризоваться под воздействием электрического поля, в котором возможно существование внутреннего электрического поля.

Поляризация представляет собой процесс смещения и упорядочения связных электрических зарядов в диэлектриках под действием внешнего электрического поля.

По этому признаку все диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные.

В тех материалах, в атомах которых электрон вращается вокруг ядра (протона) по круговой орбите, центры приложения как положительных, так и отрицательных зарядов совпадают. За счет быстрого вращения по круговой орбите отрицательный заряд электрона практически находится в центре системы. Дипольный электрический момент атома μ = qL, где q - положительный или равный ему отрицательный заряд частицы; L - расстояние между зарядами. В данном случае L = 0 и соответствует μ = 0.

Диэлектрики, у которых дипольный электрический момент равно нулю, называются неполярными. К таким диэлектрикам относятся одноатомные (Не, Аr, Кr) и двухатомные (H2, N2, Cl2) газы. Слабо полярны все углеводороды и некоторые органические материалы.

Если такой материал поместить в электрическое поле, то центр отрицательного заряда изменит свое положение и система, (атом) превратится в диполь с наведенным электрическим моментом:

Рисунок – 1. Дипольная молекула

m = αE

где: Е - напряженность электрического поля; α - коэффициент пропорциональности или поляризуемость, т.е. способность поляризоваться.

Рассмотренный вид поляризации называется электронный и происходит практически мгновенно (за время 10¹⁵ с.). Этот вид поляризации относится к упругим видам, не сопровождается рассеиванием энергии, т.е. за счет упругой деформации или смещения атомов, ионов или молекул материала из положения равновесия под действием электрического поля и быстро возвращается в исходное положение при снятии воздействия внешнего поля. Электронная поляризация характерна для всех типов диэлектриков.

Примером полярного диэлектрика является материал, обладающий молекулярным строением, когда центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают. В простейшем случае молекула состоит из положительного и отрицательного иона. В отсутствии внешнего электрического поля каждая молекула обладает собственным электрическим дипольным моментом μ неравным нулю. За счет теплового движения все дипольные молекулы расположены хаотично и суммарная поляризация материала равна нулю.

Если такой диэлектрик поместить в электрическое поле Ен, то дипольные молекулы примут некоторое ориентированное положение. На поверхности материала появятся связанные поверхностные заряды. Эти заряды некомпенсированные в отличие от внутренних зарядов и именно они создают собственное поле диэлектрика Ев, вызванное поляризацией, напряженность которого направлена на встречу Ен. Суммарная напряженность электрического поля Е оказывается несколько меньше, чем в случае отсутствия диэлектрика электродами (в вакууме). Такой вид поляризации называется дипольнорелаксационной, замедленной поляризацией, так как связан с перемещением крупных частиц материала и происходит за более ощутимое время 10^-2 ... 10^-10 с. За время установления поляризации (время релаксации) принимают время, в течение которого при снятии электрического поля поляризация диэлектрика уменьшается в е раз.

Величина, характеризующая степень ослабления напряженности внешнего поля внутренним полем диэлектрика, является одной из важных электрических характеристик диэлектрика - диэлектрической проницаемостью и обозначается буквой е:

ε=Ен/Ен – Ев

Рисунок 2. Поляризация диэлектрика

В неполярных диэлектриках происходят только упругие виды поляризации, в полярных – как упругие, так и релаксационные. Значение е зависит от вида поляризации. Для полярных диэлектриков она обычно больше, чем для неполярных и зависит от частоты приложенного напряжения, температуры и влажности.

Рисунок 3. Поляризация неполярного диэлектрика