Характеристика и классификация диэлектриков

Диэлектрики — вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц — электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур. Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т. п.).

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением, теплоты.

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т. е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли).

Активными (управляемыми) диэлектриками являются:

Пироэлектрики (от др.-греч. р? с — огонь) — кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Типичные представители пироэлектриков: турмалин, титанат бария, титанат свинца.

Сегнетоэлектрики — кристаллы, в определённом интервале температур которых возникает спонтанная поляризация кристалла даже в отсутствие внешнего электрического поля. Примеры: сегнетова соль, двойная соль винной кислоты KNaC4H4O6· 4Н2О Пьезоэлектрики — диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть они могут под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности. В быту можно наблюдать пьезоэффект, например, в зажигалке, где искра образуется от нажима на пьезопластинку.

Электролюминофор — это вещество, испускающее свет под действием сильного электрического поля. Вероятно, первым учёным, наблюдавшим свечение электролюминофора, оказался О. В. Лосев, описавший в 1923 году излучение света кристаллами карбида кремния под действием напряжения.

ЭЛЕКТРЕТЫ — диэлектрики, способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внеш. воздействия, вызвавшего поляризацию, и образовывать вокруг себя электрическое поле. Примеры: галогениды щелочных металлов, корунд, сера, фарфор, керамика.

Диэлектрики так же делятся на полярные и неполярные.

Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.

Полярные (дипольные) диэлектрики — это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. К ним относятся нитробензол, кремнийорганические соединения, фенолформальдегидные смолы, хлорированные углеводороды, капрон и др.

Поляризация диэлектриков происходит в следствие смещения электрических зарядов в диэлектрике атомов, молекул, ионов под действием приложенного напряжения. С поляризацией диэлектрика связана одна из важнейших характеристик — диэлектрическая проницаемость вещества.

Диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз электрическое поле в диэлектрике меньше электрического поля в вакууме и дает возможность судить об интенсивности процессов поляризации и качестве диэлектрика. Поляризация диэлектрика определяется суммарным действием различных механизмов поляризации. Температурная и частотная зависимость диэлектрической проницаемости несут информацию о механизмах поляризации и их относительном вкладе в поляризацию диэлектрика.

Рассматривая явления поляризации необходимо отметить две группы: упругая поляризация, протекающая практически мгновенно под действием электрического поля, не сопровождающаяся рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике (выделением теплоты) релаксационная поляризация, нарастающая и убывающая в течение некоторого промежутка времени и сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. его нагреванием.

Различают следующие виды поляризации.

1) Электронная поляризация При подаче напряжения в диэлектрике создается электрическое поле, и электроны в атомах смещаются относительно ядра к положительному электроду. Смещенные электроны с положительными зарядами ядер атомов образуют пары связанных друг с другом электрических зарядов, которые называются упругими диполями. Образование их происходит мгновенно (10−15 с). Они исчезают, если с диэлектрика снято напряжение. Этот процесс образования упругих диполей называется электронной поляризацией.

Величина e зависит от концентрации атомов (молекул) в диэлектрике и их структуры, определяющей поляризуемость бэ атома (молекулы), и описывается выражением:

e = 1 + nбэ, где е — диэлектрическая проницаемость; n — концентрация частиц (атомов, молекул) в диэлектрике; бэ — электронная поляризуемость, определяемая структурой молекулы или атома.

Если диэлектрик кристалл, то у него е больше, чем у аморфного диэлектрика, т.к. плотность упаковки атомов и молекул больше в кристаллическом состоянии.

Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света n.

поляризация диэлектрик дипольный е = n2.

2) Ионная поляризация (или поляризация ионного смещения).

Поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов. Характерна для твердых тел с ионным строением, т. е. для кристаллических диэлектриков. Всякий ионный кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. При наложении напряжения в нем начинают действовать электрические силы, и ионы смещаются: положительные — в одном направлении, отрицательные — в противоположном. Каждая пара ионов образует упругий диполь. Время установления ионной поляризации 10−13 с. Наряду с процессом поляризационного смещения протекает электронная поляризация. Интенсивность этих процессов у кристаллических диэлектриков велика, поэтому больше е = 7 ч 12 и выше.

Электронная и ионная поляризации относятся к упругой поляризации. Остальные, рассматриваемые далее, являются различными проявлениями релаксационной поляризации.

3) Дипольная релаксационная поляризация (ориентационная).

Поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым движением частиц.

Диэлектрик может состоять из полярных молекул. Такая молекула состоит из положительных и отрицательных ионов и ее дипольный электрический момент:

м = q· l,.

4) Электронно-релаксационная поляризация.

Поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления и электронной электропроводностью, а также полупроводников.

5) Упруго-дипольная поляризация.

Поляризация наблюдается у дипольных молекул некоторых кристаллов, закрепленных и только ограниченно поворачивающихся на небольшой угол.

6) Междуслойная поляризация.

Поляризация обусловлена проводящими и полупроводящими включениями и наличием слоев с различной проводимостью. Поляризация проявляется в твердых телах неоднородной структуры (слоистые пластики) в области низких частот, и связана со значительными потерями электрической энергии.

7) Самопроизвольная (спонтанная) поляризация.

Поляризация характерна для сегнетоэлектриков, веществ, разбивающихся на области (домены), обладающие спонтанным дипольным моментом в отсутствие внешнего поля. Взаимная ориентация дипольных моментов доменов в отсутствие поля такова, что суммарный дипольный момент вещества равен нулю. Наложение поля ориентирует дипольные моменты доменов, что вызывает очень сильную поляризацию. Поляризация нелинейно зависит от напряжения электрического поля и достигает насыщения при некотором значении напряженности электрического поля. Поэтому диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика нелинейно зависит от напряженности электрического поля, достигая максимума при определенном его значении. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости также имеет один или несколько максимумов при определенных температурах (титанаты бария и стронция). Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках проявляется в определенной области температур, исчезая выше некоторой температуры, называемой температурой Кюри. При этой температуре в сегнетоэлектрике наблюдается фазовый переход второго рода, т. е. изменяется тип кристаллической структуры.

8) Остаточная поляризация.

Поляризация существует длительное время в диэлектрике после снятия напряжения. Этот тип поляризации наблюдается в электретах. Обладает сильной зависимостью от напряженности электрического поля и температуры.

Интересно, например, что вода в чистом виде (дистиллированная) является диэлектриком, а с примесями солей (обычная водопроводная или морская) — проводником.

В XVII веке все тела разделялись по другому признаку — на способные электризоваться при их натирании и тела не способные к этому. И лишь в начале XVIII века английским физиком Стефаном Греем было установлено, что есть тела способные проводить электрический ток. В 1729 году он установил явление электропроводности тел.

Физики исследовали изменяемость электропроводности диэлектриков после воздействия на них фемтосекундными лазерными импульсами и пришли к чрезвычайно нетривиальным выводам. В команду исследователей входили Марк Стокман (Mark Stockman) и Вадим Апальков из Университета штата Джорджия (США), а также группа под руководством известного специалиста в области фемтосекундных лазеров Ференца Крауса (Ferenc Krausz) из Института квантовой оптики Общества Макса Планка (Германия).

Если через кварц в обычном состоянии всё же пропустить ток, то это нанесёт непоправимый ущерб его внутренней структуре, не говоря уже об энергозатратах.

Но, как удалось обнаружить названным учёным, если диэлектрик «обстрелять» сверхкороткими лазерными импульсами, то на очень небольшое время он, вопреки названию, получает возможность проводить ток без малейшего вреда для своей структуры.

Иными словами, он становится чем-то вроде полупроводника, у которого переключение состояний производится под действием фемтосекундного лазерного импульса. Благодаря краткости такой искусственно вызванной проводимости диэлектрик может переходить из одного состояния в другое за 1 фемтосекунду (одну квадриллионную секунды), то есть в 10 тыс. раз быстрее, чем это случается у полупроводника. Нечего и говорить, что создание устройств на базе таких «полупроводников с оптически стимулируемым переходом» может означать рост скорости обработки информации в то же число раз.

Как отмечают авторы исследования, верхний предел частоты процессора, построенного на такой диэлектрической основе, составит 1 петагерц (миллион гигагерц), в то время как для сегодняшнего компьютера и 3 ГГц выглядят почти подвигом.