Курс лекций Волгоград 2011 (075. 8) Ю 16
Электропроводность диэлектриков
жүктеу/скачать 8.66 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Влияние температуры на электропроводность
- Влияние напряженности поля на электропроводность
- 8.1. Упругая поляризация
- Виды поляризации релаксационного типа
- 8.4. Особенности поляризации в активных диэлектриках
7.1. Электропроводность диэлектриковЭлектропроводность диэлектриков определяется в основном перемещением ионов. На концентрацию ионов оказывают влияние состав материала, температура, облучение материала частицами высоких энергий. Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Это связано с тем, что ионы примесей электрически взаимодействуют с дипольными моментами полярных молекул, поэтому очистка полярных материалов от примесей затруднена. Влияние температуры на электропроводностьдиэлектриковПри повышении температуры энергия системы увеличивается на величину kT и вероятность выхода иона из потенциальной ямы возрастает (см. рис. 7.1). Поэтому электропроводность диэлектриков при повышении температуры растет в соответствии с выражением: γ = γ0 exp(Ea/kT), (7.1) где γ – удельная электропроводность диэлектрика, γ0 – константа, Ea – энергия активации выхода иона из потенциальной ямы, kT – тепловая энергия системы. Зависимость электропроводности от температуры показана на рис. 7.1. 
Рис. 7.1. Зависимость электропроводности от температуры γ Влияние напряженности поля на электропроводностьдиэлектриковПри сравнительно небольших значениях напряженности поля электропроводность диэлектриков следует закону Ома. Однако при повышении напряженности поля электропроводность перестает следовать закону Ома. При дальнейшем увеличении напряженности поля возможны два случая: в первом электропроводность быстро нарастает с ростом напряженности поля (рис. 7.2а), а во втором вначале наступает насыщение электропроводности и лишь затем в сильных полях наблюдается ее резкий рост (рис. 7.2б). 
Рис. 7.2. Зависимость электропроводности от напряженности поля для загрязненных диэлектриков и чистых диэлектриков с ионной связью (а) и неионных кристаллов высокой чистоты (б) Первый случай наблюдается в загрязненных диэлектриках и чистых диэлектриках с ионной связью, в которых при увеличении напряженности поля происходит размножение заряженных частиц. Второй случай типичен для неионных диэлектриков высокой чистоты, в которых число заряженных частиц ограничено, что и вызывает насыщение электропроводности. В очень сильных полях происходит размножение ионов в результате перехода к пробою диэлектриков. Лекция 8. Поляризация диэлектриков Поляризацией называется такое состояние диэлектрика, когда суммарный электрический момент отличен от нуля. Появление поляризации является следствием воздействия различных факторов: электрического поля, температуры, механических напряжений и др. В большинстве диэлектриков поляризация возникает под действием электрического поля, поэтому в основном мы будем рассматривать этот случай. По электрической структуре все диэлектрики можно разделить на полярные и неполярные. У полярных диэлектриков структурные единицы вещества имеют собственный дипольный момент. У неполярных диэлектриков в отсутствии внешнего поля дипольного момента нет. При помещении диэлектрика в электрическое поле диполи в полярных диэлектриках поворачиваются по полю. В неполярных диэлектриках внешнее электрическое поле приводит к смещению зарядов внутри электрически нейтральных молекул, что также приводит к появлению электрических диполей. Таким образом, внутри диэлектрика возникает собственное поле, направленное противоположно внешнему полю. В итоге напряженность внешнего поля в диэлектрике ослабевает в ε0ε раз. Величина дипольных моментов (m), наводимых внешним полем, пропорциональна напряженности внешнего поля: m = αE, (8.1) где α – коэффициент пропорциональности, называемый поляризуемостью. Суммарный дипольный момент в единице объема тела V является численной характеристикой поляризации (Р),  . (8.2)
Диэлектрическую проницаемость можно определить как отношение вектора электрического смещения D к напряженности E внешнего поля, вызвавшего это смещение: ε =  . (8.3)
Поскольку вектор электрического смещения является суперпозиций напряженности электрического смещения и поляризации   (8.4)
то диэлектрическую проницаемость можно выразить так: ε = 1 + P/E. (8.5) По механизму смещения заряженных частиц различают электронную, ионную и дипольную поляризацию. По характеру смещения заряженных частиц поляризация может быть упругой (безгистерезисной) и релаксационной (гистерезисной). 8.1. Упругая поляризацияУпругая поляризация не связана с тепловым движением молекул. К ней относятся следующие виды поляризации: а) поляризация упругого электронного смещения; б) поляризация ионного упругого смещения; в) дипольно-упругая поляризация; г) поляризация упругого ядерного смещения. Характерным для этих видов поляризации является то, что заряженные частицы под действием поля смещаются на очень малые расстояния в пределах поля упругих сил, связывающих эти частицы с другими. В этой связи поляризацией упругого ядерного смещения в промышленных материалах можно пренебречь. Поляризация упругого электронного смещения Этот вид поляризации связан со смещением электронных оболочек атомов относительно ядер и имеет место во всех без исключения диэлектриках, кроме абсолютного вакуума. Важно отметить, что у неполярных диэлектриков с ковалентной связью между атомами поляризация упругого электронного смещения является основным видом поляризации (полиэтилен, трансформаторное масло, парафин, водород) (рис. 8.1). 
а) б) Рис.4.1
Е = 0 Рис. 8.1. Деформация симметричных электронных оболочек атомов и образование диполей при наличии электрического поля: а) симметричные электронные оболочки атомов при отсутствии электрического поля; б) деформированные электронные оболочки атомов при наличии внешнего поля напряженностью Е Дипольный момент, возникающий в атомах вследствие упругого электронного смещения, возрастает при увеличении радиусов электронных оболочек атомов и количества электронов на них. Поскольку общий эффект поляризации при упругой деформации электронных оболочек в электрическом поле невелик, диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков мала. Так у парафина ε = 1,8–2,2; у алмаза ε = 2,4; у кремния ε = 12,5; у германия ε = 16,0. Поскольку в качестве диэлектрических материалов алмаз, кремний, германий не применяются, а используются различные углеводороды, то типичные значения ε для диэлектриков с неполярными молекулами составляют 1,8 – 2,6. При возрастании температуры объем диэлектрика увеличивается, и диэлектрическая проницаемость, в соответствии с выражением (8.3), уменьшается (рис. 8.2). Особенно заметно уменьшение ε при плавлении и испарении диэлектриков, когда их объем существенно возрастает. В неполярных диэлектриках диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты внешнего поля. Это связано с тем, что частота вращения электронов на орбитах велика: ~ 1015– 1016 Гц. Рис. 8.2. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков 8.2. Поляризация упругого ионного смещения Этот вид поляризации вызван упругим смещением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Он характерен для ионных кристаллов (мрамор, поваренная соль, слюда, кварц и др.). В таких материалах, наряду с поляризацией упругого ионного смещения, присутствует и поляризация упругого электронного смещения. Типичная величина диэлектрической проницаемости составляет (5–150). Так, у поваренной соли (NaCl) ε = 6, у корунда (Al2O3) ε = 10, у рутила (TiO2) ε = 110, у титаната кальция (CaTiO3) ε = 150. Из приведенных данных следует, что величина поляризации возрастает с увеличением радиусов ионов и с увеличением их зарядов. 
Е = 0 Рис. 8.3. Смещение ионов и упругая ионная поляризация при наличии электрического поля: а) электрическое поле отсутствует, б) электрическое поле присутствует Повышение температуры увеличивает межатомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов возрастает (рис. 8.4).
Рис. 8.4. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для ионных кристаллов Время установления этого механизма поляризации сравнимо с периодом оптических колебаний ионов в кристаллической решетке и составляет 10-12–10-13 с. Поэтому до частот 1012–1013 Гц диэлектрическая проницаемость веществ с ионной связью не зависит от частоты внешнего поля. Эта поляризация заключается в повороте на малый угол диполей и имеет место в полярных твердых диэлектриках, где диполи прочно связаны связями с другими молекулами. Время установления этой поляризации составляет 10-12–10-13с. 8.3. Поляризация упругого ядерного смещения Этот вид поляризации наблюдается в газах со сложными молекулами. Время установления 10-12–10-13 с. Вклад этой поляризации в диэлектрическую проницаемость пренебрежимо мал. Виды поляризации релаксационного типаВ ряде диэлектриков электроны, ионы и дипольные молекулы могут скачком переходить из одного положения в другое. Эти переходы осуществляются частицами благодаря получению ими энергии при тепловых колебаниях. Электрическое поле снижает энергетический барьер для перехода по полю и повышает энергетический барьер для перехода против поля. В итоге диэлектрик поляризуется, причем для поляризации требуется время. Иначе говоря, эти виды поляризации являются релаксационными. Основные виды релаксационной поляризации: дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная и электронно-релаксационная. Дипольно-релаксационная поляризация Поляризация этого вида наблюдается во многих твердых и жидких диэлектриках с полярными группами: компаунды, бакелит, аминопласты и др. При дипольно-релаксационной поляризации происходит смещение полярных молекул или смещение радикалов, входящих в состав крупных молекул. Дипольно-релак-сационная поляризация сопровождается необратимыми потерями энергии при нахождении диэлектриков в переменном электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. В связи с этим диэлектрическая проницаемость полярных материалов при низких температурах мала (ε = 2–2,5). С возрастанием температуры подвижность диполей увеличивается и облегчается их ориентация под действием внешнего поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость растет. Однако при дальнейшем увеличении температуры кинетическая энергия теплового движения диполей возрастает настолько, что броуновское движение диполей разрушает ориентацию, задаваемую внешним полем. Поэтому диэлектрическая проницаемость снижается (рис. 8.5). Таким образом, зависимость ε = f(t) для веществ с дипольно-релакса-ционной поляризацией имеет характерную форму "холма". Рис. 8.5. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1 ‹ f2) Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения, то наступление состояния поляризации требует времени. С увеличением вязкости возрастает время, необходимое для наступления поляризации. При увеличении частоты электрического поля время действия поля на диполи за половину периода уменьшается, а следовательно, уменьшается величина поляризации и снижается величина диэлектрической проницаемости. С увеличением частоты максимум диэлектрической проницаемости не только снижается, но и смещается в сторону высоких температур, то есть меньших вязкостей диэлектрика.
Релаксационная поляризация также может быть связанной с перебросом из одного равновесного положения в другое слабосвязанных ионов или полярных групп. Типичными примерами являются переброс щелочных ионов (Na+, K+) из одного положения в другое в стеклах и переброс гидроксильных групп (ОН-) в целлюлозе. В этом случае говорят о ионно-релаксационной поляризации. Электронно-релаксационная поляризация В диэлектриках с кристаллической структурой вместо части ионов в узлах кристаллической решетки могут находиться электроны и дырки (дополнительно ионизированные ионы). При приложении электрического поля эти дефекты кристаллической решетки также могут перебрасываться из одного положения в другое. В этом случае говорят об электронно-релаксационной поляризации. Зависимости диэлектрической поляризации от температуры и частоты внешнего поля качественно такие же, как и для дипольно-релаксационной поляризации (рис. 8.5). Резонансная поляризация При совпадении собственной частоты колебания структурной единицы вещества (электрона, иона, радикала, входящего в состав молекулы, или полярной молекулы) с частотой внешнего поля наблюдается резонансная поляризация. В этом случае в узком интервале частот резко возрастает диэлектрическая проницаемость. Очевидно, что резонансные частоты для поляризации упругого электронного и упругого ионного смещения очень велики (1016– 1013 Гц), поэтому резонансная поляризация наблюдается для дипольно-релаксационной поляризации. 8.4. Особенности поляризации в активных диэлектрикахПод активными диэлектриками принято понимать диэлектрики, поляризация которых происходит не только под действием внешнего поля, но и под действием других факторов: механических усилий, температуры, воздействия света и проникающей радиации и др. Такие диэлектрики могут быть использованы в качестве активных элементов датчиков внешних воздействий. Рассмотрим три основные группы таких диэлектриков: сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и электреты. Сегнетоэлектрики В сегнетоэлектриках в определенном диапазоне температур наблюдается спонтанная или самопроизвольная поляризация. Название эта группа диэлектриков получила по предложению И. В. Курчатова от сегнетовой соли (двойная калиево-натриевая соль винно-каменной кислоты KNaC4H4´4H2O), в кристаллах которой впервые была обнаружена спонтанная поляризация. Поскольку свойства сегнетоэлектриков во многом аналогичны свойствам ферромагнетиков, за рубежом их часто называют ферроэлектриками. В 1944 г. наш соотечественник Б. М. Вул открыл новый сегнетоэлектрик – титанат бария BaTiO3. Несколько позже было показано, что сегнетоэлектрическими свойствами обладают титанаты других металлов, ряд цирконатов, танталатов и ниобатов (SrTiO3, PbZro3, NaTao3, KNbO3), а также твердые растворы на основе этих соединений. Р
Тi 
Рис. 8.6. Схема элементарной ячейки кристаллической решетки титаната бария Поскольку между атомами титана, кислорода и бария осуществляется ионная связь, кристаллическая решетка данного соединения упакована неплотно. Следовательно, ион титана может сме-щаться относительно центра элементарной ячейки. При смещении иона титана к какому-либо иону (или группе ионов) кислорода, кулоновские силы удерживают ион титана в этом положении и элементарная ячейка становится поляризованной. Поляризация одной элементарной ячейки приводит к появлению диполя, электрическое поле которого поляризует соседние элементарные ячейки. Таким образом, кристалл самопроизвольно (спонтанно) поляризуется. Повышение температуры приводит к активизации колебаний иона титана, и при равенстве энергии теплового движения этого иона с энергией электростатического взаимодействия с ионами кислорода элементарные ячейки кристалла деполяризуются. В итоге кристалл переходит из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние. Температуру перехода принято называть температурой Кюри. Важно отметить, что при температурах, меньших температуры Кюри, в отсутствии внешнего поля достаточно большие кристаллы сегнетоэлектриков не обладают электрическим моментом. П Рис. 8.7. Зависимости поляризации (Р) и диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков () от напряженности электрического поля (Е) Рост поляризации приводит к росту отношения Р/Е, а следовательно, к росту диэлектрической проницаемости. Однако по мере роста напряженности поля прирост поляризации снижается, падает отношение P/E и поэтому зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля имеет куполообразный вид. У сегнетоэлектриков максимальные значения диэлектрической проницаемости достигают сотен тысяч единиц, соответственно, габариты конденсаторов из таких материалов могут быть весьма малыми. Существенное влияние на диэлектрическую проницаемость оказывает температура. При её повышении кинетическая энергия ангармонических колебаний ионов возрастает, и электростатическая связь между ионами ослабевает. Внешнему полю легче перебросить ионы из одного положения в другое, соответственно, поляризация и диэлектрическая проницаемость возрастают. Максимум диэлектрической проницаемости наблюдается при температуре Кюри. Легирование сегнетоэлектриков приводит к изменению энергии связи между ионами и дает возможность варьировать температуру Кюри и величину диэлектрической проницаемости. Пьезоэлектрики Пьезоэлектриками называют диэлектрики, в которых под действием механических напряжений появляется поляризация, а под действием электрического поля пьезоэлектрики упруго деформируются. Пьезоэлектрики являются электромеханическими преобразователями, меняющими механическую энергию в электрическую и обратно. Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии, у которых при деформации ячейки происходит появление электрического момента. Заряды q, возникающие на поверхности пластин из пьезокристаллов, пропорциональны приложенным силам. q = dikFi, (8.6) где Fi – сила, действующая вдоль i-кристаллографической оси; dir – пьезоэлектрический модуль (величина заряда, возника-ющего под действием единичной силы по направлению i на поверхности, перпендикулярной направлению k). При приложении разности потенциалов в пьезоэлектрике возникает деформация, которая в первом приближении равна напряженности поля. ε = Dl/lo = λikEi, (8.7) где λik – пьезоэлектрическая постоянная. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллы, лишенные центра симметрии: кварц, турмалин, сегнетова соль и др. Часто используется пьезокерамика. Пьезоэлектрики нашли широкое применение для изготовления резонаторов, преобразователей колебаний и др.
Электретами называют диэлектрики, у которых постоянный электрический момент или избыточный заряд сохраняются длительное время. Электреты могут служить источниками электрического поля в окружающем пространстве, аналогично постоянным магнитам, являющимся источниками магнитного поля. Эта аналогия в свойствах постоянных магнитов и электретов отражена в их названии (по-английски постоянный магнит – magnet). В зависимости от способов получения различают термоэлектреты, фотоэлектреты, электроэлектреты, трибоэлектреты, радиоэлектреты. Термоэлектреты Впервые термоэлектрет был получен японским физиком Эгутси в 1921 году. В ванночку между двумя электродами заливалась смесь полярных диэлектриков карнаубского и пчелиного восков с добавлением канифоли, которая застывала при приложении напряжения между электродами. После застывания диэлектрика он являлся источником постоянного электрического поля. При сравнительно слабых внешних полях (Е < 10 кВ/мм) в термоэлектретах происходят в основном процессы поляризации. При этом стороны электрета, обращенные к электродам, имеют заряд, противоположный по знаку заряду электрода. Такие электреты называют гетероэлектретами. При электризации в сильных полях (Е > 10 кВ/мм), помимо поляризации, происходит эмиссия зарядов с поверхности электрода в диэлектрик. В этом случае поверхности диэлектрика, прилегающие к электродам, приобретают заряд, одинаковый по знаку с зарядом электрода. Такие электреты называют гомоэлектретами. Хорошие термоэлектреты получаются из диэлектриков с длинными полярными молекулами – полиамидов и поливинилацетатов. Для получения электретов также используют неорганические материалы: слюду, серу, сегнетоэлектрики. При получении электретов из неорганических сегнетоэлектриков не обязательно доводить их до плавления, достаточно нагреть до температуры Кюри. Фотоэлектреты и радиоэлектреты Впервые фотоэлектрет был получен болгарским ученым Г. Наждаковым в 1937 году. Он нанес на металлический лист, служащий нижним электродом, слой серы. Через верхний сетчатый электрод сера освещалась. За счет внутреннего фотоэффекта в сере образовывались электроны и дырки, которые разносились действующим внешним полем к соответствующим электродам. После снятия внешнего поля вокруг пленки серы появлялась ЭДС. Фотоэлектреты широко используются в ксерографии и моментальной фотографии. При облучении диэлектриков γ-квантами и потоками быстрых электронов они также электризуются. Такие диэлектрики принято называть радиоэлектретами. Как правило, радиоэлектреты готовят на основе неорганических стекол. Трибоэлектреты. Трибоэлектретами принято называть материалы, электризующиеся при трении. Типичные представители трибоэлектретов – янтарь, эбонит, плексиглас. При трении происходит разрушение межатомных связей и перенос заряда с одной поверхности на другую. жүктеу/скачать 8.66 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
ассмотрим природу спонтанной поляризации в таких материалах на примере титаната бария. Элементарную ячейку кристаллической решетки этого материала можно представить следующим образом. В вершинах куба располагаются ионы бария, по центрам граней куба находятся ионы кислорода, а в центре куба –ион титана (рис. 8.6).
ри помещении сегнетоэлектрика в электрическое поле суммарные моменты диполей ориентируются по полю и поляризация сегнетоэлектрика возрастает (рис. 8.7).
