Лекц 2 Vlastivosti-dielektrikiv 26

1.

Властивості діелектриків
Діелектричні матеріали є основним видом електротехнічних матеріалів, з
якими доведеться зустрітися на практиці майбутнім інженерамелектрикам. Всі діелектрики поділяються на пасивні та активні. Пасивні
діелектричні матеріали використовуються як ізоляція струмопровідних
чи екранних частин електроустаткування та для накопичення заряду в
конденсаторах. Активні діелектрики використовують для генерування,
модуляції та перетворення сигналів.

2.

Класифікація пасивних діелектриків
1
За агрегатним станом
Газоподібні, рідкі, тверді
2
За походженням
Природні, штучні, синтетичні
3
За хімічним складом
Органічні, неорганічні,
елементоорганічні

3.

Вимоги до діелектриків
Електрофізичні
Механічні
Теплофізичні
Фізико-хімічні
Діелектрична проникність,
Щільність, вага, міцність на
Теплопровідність,
Хімічна стійкість,
електропровідність,
стискування, розривання
теплоємність,
вологостійкість,
діелектричні втрати,
або згинання, в'язкість
нагрівостійкість,
вологопроникність,
теплостійкість, горючість
розчинність
електрична міцність,
трекінгостійкість

4.

Поляризація діелектриків
Поляризація - це процес зміщення зв'язаних заряджених частинок або орієнтації полярних молекул під дією електричного поля. В результаті
діелектрик набуває електричного моменту, направленого проти прикладеного поля.
Зміщення частинок
Виникнення моменту
Поляризаційний заряд
Під дією електричного поля відбувається
Діелектрик набуває електричного моменту,
На поверхні діелектрика виникає
зміщення зв'язаних заряджених частинок
направленого проти прикладеного поля
поляризаційний заряд, що визначає його
діелектрика
діелектричну проникність
Електричний момент одиниці об'єму речовини
M = N·a·E = N·q·d,
P = M/V = N·q·d/S·d = n·q·d
де N – число зв’язаних частинок в діелектрику, a –
поляризовність частинок речо- вини під дією поля напруженістю
Е, d – відстань між центрами зміщених під дією поля зарядів
протилежного знаку з абсолютною величиною q, не обов'язково
крат- ною заряду електрона.
де n – концентрація частинок, що приймають участь у
поляризації (кількість части- нок в одиниці об'єму).
Якщо враховувати тільки заряд на відповідних поверхнях
об'єму, то d = δ, і
Р = q/S = sпд,
тобто електричний момент одиниці об'єму речовини дорівнює
поверхневій густині поляризаційного заряду sпд.

5.

Саме цей заряд визначає значення відносної діелектричної проникності er, яка в свою чергу входить в
коефіцієнт пропорціональності між напруженістю електричного поля E та електричною індукцією D (яка
дорівнює сумі густини заряду на еле- ктродах для вакууму sп і поляризаційної густини заряду sпд, зумовленого
поляризацією діелектрика).
В вакуумі для конденсатора з однорідним полем:
Dв = sп = ε0E.
Якщо заповнити конденсатор діелектриком, то
D = sп + sпд = e0E + naE = e0 (1+ na/e0)E = e0(1+c)E = e0erE = eaдE ,
де e0 = 8,85·10-12 ф/м – електрична стала (абсолютна діелектрична проникність ваку- уму), c – діелектрична
сприйнятливість, eaд – абсолютна діелектрична проникність діелектрика.
Абсолютна діелектрична проникність eaд – коефіцієнт пропорційності
між напруженістю електричного поля та електричною індукцією.
D =eaдE.
Відносна діелектрична проникність er – відношення абсолютної діелектричної проникності речовини до аболютної діелектричної проникності вакууму: er =
εад/ε0

6.

Реакція джерела напруги на поляризацію діелектрика:
а – вакуумний конденсатор, б – конденсатор з діелектриком, що поляризується, в – діелектрик в
електричному полі без контакту з електродами, г – взаємне розташування ємнісного і омічного
струмів на фазовій діаграмі
Для компенсації зв'язаних зарядів електрорушійна сила джерела напруги збільшує поверхневу густину вільних зарядів на
електродах і відновлює попередню величину напруженості поля Е=U/d, що була у вакуумі (рис. б).
Якщо діелектрик з нанесеними електродами розглядати як конденсатор, то за- ряд на електродах
дорівнює:
Q = q0 + qd = СU,
де q0 – заряд конденсатора при умові, що його обкладки розділяє вакуум; qd – заряд, що
зумовлений поляризацією діелектрика; С – ємність конденсатора.

7.

Види поляризації
1
Електронна
Зміщення електронних оболонок відносно ядер атомів
2
Іонна
Зміщення іонів відносно положення рівноваги в кристалічній
гратці
3
Дипольна
Орієнтація полярних молекул у напрямку поля
4
Міграційна
Накопичення вільних зарядів на межах неоднорідностей

8.

Класифікація видів поляризації
За типом частинок
За характером зміщення
За зовнішніми факторами
Електронна
Пружна
Електрична
Іонна
Релаксаційна
Механічна
Дипольна
Теплова

9.

Класифікація видів поляризації в
залежності від чинника

10.

Схема, що пояснює зв’язок між типом діелектриків і видом поляризації

11.

Пружна поляризація
При пружному зміщенні заряджених частинок під дією електричного поля виникає повертаюча сила, пропорційна відхиленню
від положення рівноваги. Це приводить до деформації потенціальної енергії і зміщення мінімуму енергії в нове положення
рівноваги, що зумовлює поляризацію.
Прикладення поля
Зміщення частинок
1
Електричне поле діє на заряджені
2
частинки
Нове положення рівноваги
Встановлюється нове положення
рівноваги
4
Частинки зміщуються від положення
рівноваги
Виникнення сили
3
З'являється повертаюча сила

12.

F = – kx,
де k – коефіцієнт, якій характеризує жорсткість зв`язку частинки (по аналогії з механічною
пружиною); х – зміщення частинки від положення рівноваги. Цій силі відповідає потенційна енергія
W = kx2/2,
тобто у відсутності поля вона має вигляд параболи (рис. 2.6). Прикладене поле дає свій вклад в
потенціальну енергію
W = – q×E×x,
де q – заряд частинки; Е – напруженість електричного поля.
Потенційна енергія зарядженої
частинки при безінерційній пружній
поляризації

13.

Електронна поляризація
Електронна поляризація характерна для будь-якого діелектрика. Вона зумовлена деформацією електронних оболонок атомів і молекул під дією
електричного поля. Час встановлення електронної поляризації дуже малий - близько 10^-15 с. Тому вона проявляється на всіх частотах, аж до
10^14...10^15 Гц.
Деформація електронної оболонки
Частотна залежність
Зміщення електронної хмари відносно ядра атома під дією
Електронна поляризація проявляється на всіх частотах до 10^15 Гц
електричного поля

14.

Схематичне зображення електронної (а) та іонної (б) поляризації
Відносна діелектрична проникність при електронній поляризації дорівнює
er =1 + na /e0.
Для газоподібних діелектриків при нормальних умовах
er =1 + 3,03·1036α,
де a = 4πε0R3– поляризовність частинок.

15.

Іонна поляризація
Іонна поляризація має місце в іонних діелектриках і зумовлена пружним зміщенням різнойменно заряджених іонів відносно
рівноважного положення. Час встановлення іонної поляризації складає близько 10^-13 с, частотний діапазон - до 10^13 Гц.
Зміщення іонів
Пружне зміщення різнойменно заряджених іонів у кристалічній
гратці
Іонні діелектрики з щільною упаковкою іонів (наприклад,
кварц, корунд, слюда та ін.), в яких є електронна та іонна
поляризація, мають типові значення er
= 4...10, а кристали, що містять іони титану можуть мати er навіть
більше 100.
Крім того порушується відповідність er = ν2, так, наприклад,
для NaCl er = 5,85, а ν2 = 2,37, для CaCo3 відповідно 6,1 і 2,78, для
TiO2 – 114 і 7,3.
Частотна залежність
Іонна поляризація проявляється на частотах до 10^13 Гц

16.

Дипольна поляризація
Дипольна поляризація характерна для діелектриків з полярними молекулами. Вона зумовлена орієнтацією диполів у напрямку електричного
поля. Час встановлення дипольної поляризації для полярних діелектриків знаходиться у межах 10^-4 ... 10^-8 с, частотний діапазон - 10^4 - 10^8
Гц.
Орієнтація диполів
Частотна залежність
Повертання полярних молекул у напрямку електричного поля
Дипольна поляризація проявляється на частотах 10^4 - 10^8 Гц

17.

Релаксаційна поляризація
Релаксаційна поляризація характеризується термоактиваційним характером переходів
частинок між положеннями рівноваги. При вимкненні зовнішнього поля зміщення
частинок не зникає одразу, а релаксує з часом, що призводить до діелектричних втрат.
1
Прикладення поля
Електричне поле порушує симетрію потенціальних ям
2
Термоактивовані переходи
Частинки здійснюють переходи між положеннями рівноваги
Потенційна енергія зарядженої частинки
при релаксаційній поляризації
3
Встановлення поляризації
Формується середнє зміщення частинок
4
Релаксація
При вимкненні поля поляризація поступово зникає

18.

Електронно-релаксаційна поляризація пов'язана з непружним зміщенням слабо зв'язаних
електронів або дірок, а в деяких іонних діелектриках – певного виду структурних дефектів –
"центрів фарбування", що пов’язані з розташуванням елект- ронів замість негативних іонів у
вузлах кристалічної гратки.
Іонно-релаксаційна поляризація спостерігається в іонних діелектриках з не- щільною упаковкою
іонів та аморфних іонних діелектриках і пов’язана з непружним переміщенням слабо зв’язаних чи
домішкових іонів між двома локальними дефектами, а також орієнтацією квазідиполів, що утворені
іоном в міжвузлі і вакансією
значення er для іонних діелектриків з нещільною упаковкою іонів та аморфних іонних
діелектриків, для яких характерні механізми електронної, іон- ної, іонно-релаксаційної та
електронно-релаксаційної поляризації (наприклад, ситали, скло та деякі види кераміки), від 5...
15 до 30... 40.

19.

Специфічні види поляризації
Спонтанна поляризація
Міграційна поляризація
Виникає в сегнетоелектриках
Зумовлена накопиченням вільних
внаслідок міжчастинкової
носіїв заряду на межах областей з
взаємодії без зовнішнього поля.
різними властивостями або біля
Характеризується доменною
електродів.
структурою.
Електретна поляризація
"Заморожена" поляризація, що зберігається після зняття зовнішнього
поля. Створює постійне електричне поле навколо діелектрика.
Схематичне зображення поляризацій: а –
спонтанної; б – міграційної в двошаро- вому
полярному діелектрику; в – електретної

20.

Інерційні властивості поляризації
Схематичне зображення частотних залежностей εr для різних видів
діелектриків.