Материаловедение и технология конструкционных материалов (стр. 4 )

Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризациями. В этой группе целесообразно выделить две подгруппы материалов ввиду существенного различия их электрических характеристик:

1) диэлектрики с электронной и ионной поляризациями;

2) диэлектрики с электронной, ионной и релаксационными поляризациями.

К первой группе преимущественно относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, каменная соль (рисунок 1.2,а), корунд, рутил). Ко второй принадлежат неорганические стекла, материалы, содержащие стекловидную фазу (фарфор, микалекс), и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке.

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризующиеся спонтанной, электронной, ионной и электронно-ионно-релакса-ционной поляризациями: сегнетова соль, метатитанат бария и другие.

Приведенная выше классификация диэлектриков позволяет до известной степени предопределять основные их электрические свойства, как это показано далее.

2.5 Диэлектрическая проницаемость газов

Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице.

Поляризация газа может быть чисто электронной или же дипольной, если молекулы газа полярны, однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация. Диэлектрическая проницаемость газа тем выше, чем больше радиус молекулы.

Диэлектрическая проницаемость газов возрастает с увеличением давления. Для воздуха диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях равна 1,00058. При давлении 4 МПа проницаемость возрастает до величины 1,0218. Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется изменением числа молекул в единице объема газа. Это число пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.

Влияние влажности воздуха на его диэлектрическую проницаемость (при нормальных температуре и давлении) таково:

Относительная влажность воздуха, %	0	50	100
Значение ε	1,00058	1,00060	1,00064

Это влияние незначительно при нормальной температуре, но заметно усиливается при повышенной температуре.

2.6 Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики могут быть построены из неполярных или полярных (дипольных) молекул. Значения диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелики и близки к значению квадрата показателя преломления света.

Зависимость диэлектрической проницаемости неполярной жидкости от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема.

Влияние температуры и частоты на диэлектрическую проницаемость неполярной жидкости показано на рисунке 2.2.

Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объема.

Сильнополярные жидкости, характеризующиеся очень высоким значением диэлектрической проницаемости, например вода, этиловый спирт, не могут найти практического применения в качестве диэлектриков вследствие их большой проводимости.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости полярных жидкостей имеет более сложный характер, чем неполярных.

tкип - температура кипения

Рисунок 2.2 - Зависимости диэлектрической проницаемости

неполярной жидкости от температуры (а) и от частоты (б)

Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, использующихся в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5.

2.7 Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость твердых тел может принимать самые различные числовые значения в соответствии с разнообразием структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых телах возможны все виды поляризации.

Для твердых неполярных диэлектриков характерны те же закономерности, что и для неполярных жидкостей и газов. Это подтверждается данными таблицы 2.1 и зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры, показанной на рисунке 2.3. При переходе парафина из твердого состояния в жидкое (температура плавления около 54°С) происходит резкое уменьшение диэлектрической проницаемости вследствие сильного понижения плотности вещества.

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диэлектрическую проницаемость, лежащую в широких пределах. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных кристаллов в большинстве случаев положителен.

Таблица 2.1 - Диэлектрическая проницаемость и показатель

преломления некоторых неполярных твердых

диэлектриков при температуре 20°С

Материал	n	n2	ε
Парафин	1,43	2,06	1,9-2,2
Полистирол	1,55	2,40	2,4-2,6
Сера	1,92	3,69	3,6-4,0
Алмаз	2,40	5,76	5,6-5,8

Рисунок 2.3 - Зависимость диэлектрической проницаемости

от температуры для неполярного диэлектрика - парафина

Исключением являются кристаллы, содержащие ионы титана: рутил (TiО2) и некоторые титанаты. У них отрицательный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости (ТКε). Отрицательный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости этих кристаллов объясняется преобладающей в них электронной поляризацией, усиленной под влиянием добавочного внутреннего поля при ионном смещении.

В таблице 2.2 приведены значения диэлектрической проницаемости и ее температурного коэффициента для некоторых ионных кристаллов (при Т=20°С).

Таблица 2.2 - Значения ε и ТКε ионных кристаллов

Кристалл	ε	ТКε×10 6 , K-1
Каменная соль (NaCl)	6	+150
Корунд (Al2O3)	10	+100
Рутил (TiO2)	110	-750
Титанат кальция (CaO×TiO2)	150	-1500

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц (в которых наблюдается, помимо электронной и ионной, также и ионно-релаксационная поляризация), характеризуются в большинстве случаев сравнительно невысоким значением диэлектрической проницаемости и её большим положительным температурным коэффициентом. Примером может служить электротехнический фарфор, зависимость диэлектрической проницаемости которого от температуры показана на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Температурная зависимость диэлектрической

проницаемости электротехнического фарфора

Для неорганических стекол (квазиаморфных диэлектриков) диэлектрическая проницаемость лежит в сравнительно узких пределах, примерно от 4 до 20, причем температурный коэффициент диэлектрической проницаемости всегда имеет положительное значение.

Полярные органические диэлектрики обнаруживают дипольную поляризацию в твердом состоянии.

К таким диэлектрикам относятся целлюлоза и продукты ее переработки, полярные полимеры. Дипольная поляризация наблюдается также у льда. Диэлектрическая проницаемость указанных материалов в большой степени зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения.

Можно отметить, что и диэлектрическая проницаемость льда резко меняется в зависимости от температуры и частоты. При низких частотах и температуре, близкой к 0°С, лед, как и вода, имеет ε=80, однако с понижением температуры диэлектрическая проницаемость быстро падает и доходит до 2,85.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков велика и имеет резко выраженную зависимость от напряженности поля и от температуры. Характерной особенностью сегнетоэлектриков является наличие в них диэлектрического гистерезиса (отставание изменений электрической индукции от изменений напряженности электрического поля). К сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль, титанат бария, кислый фосфорнокислый калий и другие.

В сегнетоэлектриках наблюдается явление электрического старения, выражающееся в уменьшении диэлектрической проницаемости со временем. Возможная причина этого явления - перегруппировка доменов. Особенно резкое изменение диэлектрической проницаемости со временем наблюдается в сегнетоэлектриках при температурах, близких к точке Кюри.

Нагревание сегнетоэлектрика до температуры выше точки Кюри и последующее охлаждение возвращают диэлектрическую проницаемость к нормальному значению. Такое же восстановление диэлектрической проницаемости можно осуществить, воздействуя на сегнетоэлектрик электрическим полем повышенной напряженности

Лекция 3

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

3.1 Основные понятия

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая поляризационные ток или токи смещения в диэлектриках.

Токи смещения упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большинства технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения. При переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.