Диэлектрические материалы Диэлектрические материалы функционально делятся: пассивные диэлектрики

Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы функционально делятся: пассивные диэлектрики – выполняющие роль электроизоляционных материалов или служащие диэлектриком в конденсаторах постоянной емкости активные – служащие для генерации, усиления, модуляции электрических сигналов.

Основные характеристики диэлектрических материалов: диэлектрическая проницаемость электрическая восприимчивость электрическая прочность тангенс угла диэлектрических потерь

Особенность диэлектриков – поляризация под действием внешнего электрического поля. Суть этого явления заключается в смещении связанных зарядов в диэлектрике в направлении вектора напряженности внешнего поля Ε. При этом возникает индуцированное (наведенное) электрическое поле, а каждый объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp.

Количественно интенсивность поляризации определяется поляризованностью Ρ: P = dp / dV. По направлению вектор поляризации совпадает с вектором электрического момента p (от отрицательного заряда к положительному).

У обычных (линейных) диэлектриков поляризованность пропорциональна напряженности внешнего поля: P = 0E [Кл/м2], где  – электрическая восприимчивость, 0 = 8,8510–12 Ф/м. 1 Ф = 1 Кл/В.

В изотропных веществах направления Ρ и Ε совпадают. В анизотропных диэлектриках величина  зависит οτ направления внешнего поля и вектор Ρ образует с вектором Ε в пространстве некоторый угол.

На практике для характеристики способности диэлектрика поляризоваться во внешнем поле используют безразмерный параметр ε – относительную диэлектрическую проницаемость. Диэлектрическая проницаемость и электрическая восприимчивость связаны простым соотношением:  =  +1, для любого вещества ε > 1, а для вакуума  = 0, ε = 1.

Величина диэлектрической проницаемости характеризует способность вещества образовывать электрическую емкость и показывает, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора при заполнении его данным диэлектриком. Величина диэлектрической проницаемости, а также ее зависимость от температуры и частоты внешнего поля, определяется теми видами поляризации, которые одновременно проявляются в материале.

Наиболее важными видами поляризации являются: 1. Электронная – возникает вследствие деформации электронных оболочек под действием внешнего поля. Наблюдается в атомах любого вещества. Время установления  10–15 с, поэтому электронная поляризация не зависит от частоты поля.

2. Ионная – возникает вследствие смещения противоположно заряженных ионов в веществах с ионным типом связи. Время установления этого вида поляризации также мало ( 10–13 с) и она не зависит от частоты поля.

3. Дипольно-релаксационная – возникает в полярных диэлектриках за счет частичной ориентации молекул-диполей под действием внешнего поля. Время установления и исчезновения этого вида поляризации значительно больше, чем электронной и ионной. Это связано с тем, что поворот диполей в направлении внешнего поля требует преодоления сопротивления межмолекулярных сил. Поэтому дипольно-релаксационная поляризация связана с потерями энергии.

4. Спонтанная (самопроизвольная) – наблюдается у сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже температуры, называемой точкой Кюри, в объеме материала появляются отдельные области – домены, обладающие электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. Однако суммарная поляризованность равна нулю, так как домены ориентированы беспорядочно. Наложение внешнего поля ориентирует домены, что дает эффект очень сильной поляризации.

Характерной особенностью сегнетоэлектриков является нелинейность зависимости поляризованности и диэлектрической проницаемости от напряжённости внешнего поля (гистерезис, петля гистерезиса).

Диэлектрики характеризуются величиной σ < 10–10 (Омсм)–1. Электропроводность диэлектрика в большинстве случаев носит ионный характер и обусловлена наличием примесей. Для твердых диэлектриков различают сквозную (объёмную) и поверхностную электропроводность.

Для оценки электроизоляционных материалов по электропроводности используют значения удельного объёмного сопротивления [Омм] и удельного поверхностного сопротивления [Ом]. Электрическая прочность диэлектрика характеризуется напряжённостью поля пробоя – отношением пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя: Е = U / d

Важнейшей характеристикой диэлектрического материала являются диэлектрические потери – энергия, рассеиваемая в диэлектрике в единицу времени при воздействии электрического поля, и вызывающая нагрев диэлектрика. При частотах выше 20 кГц эта величина становится одним из самых важных параметров материала.

Количественно потери характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь. Для идеального диэлектрика разность фаз между током и напряжением составляет 90, активная мощность N = IU, потери отсутствуют.

В реальном диэлектрике разность фаз отличается от 90 на угол . Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь характеризуют удельные потери: P = 2fE20tg [Вт/м3], где f – частота поля, Гц. Величина tg называется коэффициентом диэлектрических потерь. Низкочастотные диэлектрики: tg = 0,1  0,001 Высокочастотные диэлектрики: tg < 0,001

Классификация диэлектрических материалов

Большинство природных материалов обладает диэлектрическими свойствами. Однако в электронной технике применяются практически исключительно искусственные и синтетические диэлектрики, то есть получаемые переработкой природного сырья; путем сложного химического синтеза.

Органические полимеры Подавляющее большинство органических материалов, используемых для изготовления электрической изоляции, относится к группе полимеров. Полимерами называют молекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев – мономеров. Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов элементарных звеньев, называют сополимерами.

Органические полимеры Сополимеры: Свойства сополимеров существенно отличаются от свойств механической смеси отдельных полимеров. Синтез сополимеров с разным составом и строением молекулярных цепей обеспечивает большое многообразие свойств получаемых диэлектриков.

Органические полимеры Реакцию образования полимера из мономеров называют полимеризацией. Чаще всего полимеризация протекает по цепному механизму. Реальные полимерные материалы – это смеси веществ с различной степенью полимеризации, то есть с различной молекулярной массой. Поликонденсация – реакция образования полимеров, сопровождающаяся выделением из сферы реакции воды или др. низкомолекулярных продуктов.

Органические полимеры ПОЛИМЕРИЗАЦИЕЙ получают: полиэтилен полипропилен полистирол ПВХ (поливинилхлорид) тефлон (политетрафторэтилен, фторопласт-4) полиметилметакрилат и др. ПОЛИКОНДЕНСАЦИЕЙ получают: фенолформальдегидные смолы полиэфирные смолы полиамиды полиуретаны и др.

Органические полимеры Полимеры полученные путем поликонденсации, как правило, обладают пониженными электрическими свойствами по сравнению с материалами, получаемыми по реакциям полимеризации. Причина – наличие в поликонденсационных диэлектриках остатков побочных низкомолекулярных веществ (воды, кислот, спиртов), которые увеличивают проводимость материала, а также наличие полярных групп (-ОН, -NH- и т.д.). Полярные группы увеличивают диэлектрические потери и гигроскопичность материала.

Органические полимеры В зависимости от пространственной структуры макромолекул полимеры подразделяются на: ЛИНЕЙНЫЕ и ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ. В линейных полимерах макромолекулы представляют собой цепочечные последовательности повторяющихся звеньев. В пространственных полимерах макромолекулы связаны в общую сетку, что приводит к неограниченному возрастанию молекулярной массы, которая характеризует уже не отдельную макромолекулу, а некоторую область полимера.

Органические полимеры Иногда пространственные полимеры называют полимерными телами.

Органические полимеры

Органические полимеры

Органические полимеры Структура полиэтилена (фрагмент)

Органические полимеры Гибкие нерегулярные макромолекулы полимеров имеют тенденцию сворачиваться в сфероподобные структуры – глобулы: Жесткие полимерные цепи, которым трудно сворачиваться в глобулы, за счет сил межмолекулярного взаимодействия могут организовываться в пачки – пучки параллельных молекул.

Органические полимеры Некоторые полимеры могут быть получены в виде кристаллов. Кристаллические полимеры – жесткие материалы с высоким модулем упругости и малой деформируемостью. На практике чаще образуются структуры полимеров, в которых имеет место чередование кристаллических и аморфных прослоек. Такие структуры называют сферолитами либо фибриллами.

Органические полимеры а – складчатая структура макромолекул в пластинчатом кристалле, б – сферолит с радиальной периодичностью в аморфно-кристаллическом материале, в – фибриллярное строение полимеров.

Органические полимеры Аморфные полимеры в зависимости от температуры могут находиться в трех физических состояниях: Стеклообразном. Высокоэластичном. Вязкотекучем. Полимеры, которые находятся в высокоэластичном состоянии в условиях эксплуатации, называют эластомерами (например: каучуки, резины). Состояние высокой эластичности является промежуточным между жидкостью и твердым телом.

Органические полимеры По химическому составу полимеры можно подразделить на ОРГАНИЧЕСКИЕ (главная цепь построена из атомов углерода или представляет собой комбинацию углерода с О, N, S, P) и ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИЕ (главная цепь не содержит атомов углерода, но обрамляется органическими группами или атомами водорода). Пример – кремнийорганические соединения (полиорганосилоксаны):

Линейные полимеры