Диэлектрики, классификация, основные свойства

Это твердые, жидкие и газообразные вещества, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации. Термин введен Фарадеем для обозначения веществ, проницаемых для электрического поля.

По другому определению это вещества с -10 Ом м, либо, имеющие ∆ > 3эВ.

Это большая и разнообразная группа веществ, которую по функциональному назначению в электронной технике разделяют на две подгруппы:

1. электроизоляционные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики)

2. управляемые материалы (активные диэлектрики).

Требования к электроизоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Для первых должна быть малая диэлектрическая проницаемость , для вторых наоборот – большая .

Управляемые диэлектрики подразделяют по принципу управления. Они используются для усиления сигналов по мощности, создания преобразователей, элементов памяти, датчиков, генераторов колебаний и так далее.

Иногда проводят классификацию диэлектриков на основе особенностей строения или их свойств.

Поляризация – это состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента объема. Различают поляризацию под действием внешнего электрического поля, спонтанную, под действием механических напряжений.

Способность поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью . = , где

С_Д – емкость конденсатора из данного диэлектрика;

С_О – емкость конденсатора в вакууме (геометрическая емкость)

Абсолютная связана с относительной = , где

-переводной коэффициент, зависящий от системы единиц.

В CИ = 8,854*10 Ф/м (const)

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектрика связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества.

Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность P= , где dp – единичный электрический момент; dV – единица объема.

Механизмы поляризации:

1. электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов, =10 с, поэтому называют мгновенной. Имеет место у всех видов диэлектриков.

2. ионная поляризация – обусловлена смещением связанных ионов в кристаллической решетке на расстояние меньшее периода решетки. Для кристаллов NaCl Na⁺ смещается в направлении поля, а Cl^- - против поля. =10 с.

3. дипольно-релаксационная поляризация – дипольные моменты ориентируются в электрическом поле. Свойственна полярным жидким и твердым органическим веществам. Время релаксации – промежуток времени в течение которого поляризация под действием тепловой энергии уменьшается в 2,7 раза. Сильное влияние оказывает значение температуры.

4. ионно-релаксационная поляризация – слабо связанные ионы перемещаются на расстояния большие постоянной решетки (неорганические стекла, ионные диэлектрики с неплотной упаковкой). После снятия Е ионы постепенно возвращаются.

5. электронно-релаксационная поляризация – механизм тот же, но касается слабосвязанных носителей заряда.

6. резонансная поляризация – наблюдается в диэлектриках при световых частотах и относится к собственной частоте электронов или ионов, при которой резко возрастает поглощение электромагнитной энергии. Изменение с изменением частоты называемой диэлектрической дисперсией.

7. миграционная поляризация – имеет место в неоднородных по структуре и проводимости материалах и наличии проводящих примесей. Перемещения ограничиваются границами неоднородностей.

8. самопроизвольная поляризация – существует у группы материалов, обладающих особенностями сегнетовой соли (NaKC₄H₄O₆*4H₂O) и поэтому названных сегнетоэлектриками.

В зависимости от влияния напряженности поля Е на диэлектрики подразделяются на линейные и нелинейные (активные).

Линейные диэлектрики можно разделить на несколько групп, исходя из механизмов поляризации:

1. неполярные диэлектрики (г, ж, тв) обладают электронной поляризацией (водород, бензол, сера, парафин, полиэтилен).

2. полярные (дипольные) диэлектрики – органические жидкие и твердые вещества, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризацией (нитробензол, фенол-формальдегидные смолы, хлоруглеводороды, капрон).

3. ионные диэлектрики – твердые неорганические диэлектрики:

а) с ионной и электронной поляризацией (кварц, слюда, корунд и другие)

б) с ионной, электронной и релаксационной поляризацией (неорганические стекла, многие виды керамики)

Большое влияние на линейных диэлектриков оказывает их агрегатное состояние.

Газы. Поляризация незначительна, близка к 1, , где n –показатель преломления. Поляризация либо электронная, либо дипольная, если молекулы газа полярны. тем больше, чем больше радиус молекул, пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре. Для воздуха .

Жидкости могут состоять из полярных и неполярных молекул. Для неполярных и < 2,5 - электронная поляризация. Для полярных жидкостей имеет место электронная и дипольно-релаксационная поляризация. Чем больше электрическое значение диполя, тем больше . При частотах более 10⁹ – 10¹⁰ Гц уменьшается. (Н₂О)= 60-85.

В твердых телах возможны все виды поляризации. Наименьшее значение у твердых тел из неполярных молекул (электронная поляризация) . Парафин – 2,0; сера – 3,8; алмаз – 5,7. Твердые тела состоящие из ионных кристаллов имеет больше. Корунд Al₂O₃ - 10; TiO₂ – 110; CaTiO₃ – 150, для стекол - = 4 - 20.

У полярных органических диэлектриков сильно зависит от Т, f.