Введение. 
Исследование температурной зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь электроизоляционных материалов

Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая потери являются важнейшими характеристиками диэлектрических материалов при выборе их для различных деталей радиоэлектронных устройств. Эти характеристики изменяются под влиянием различных внешних факторов, например, таких как температура и частота электромагнитного поля и к тому по-разному для диэлектриков, обладающих разными видами поляризации, что нельзя не учитывать при конструировании РЭС. Данная лабораторная работа знакомит студентов с экспериментальным методом определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь и позволяет исследовать зависимости этих характеристик от температуры для различных диэлектриков.

Цель работы

• 1. Ознакомиться с методикой определения диэлектрической проницаемости е и tgд электроизоляционных материалов.
• 2. Исследовать зависимость е и tgд от температуры диэлектриков с различными видами поляризации.

Краткие теоретические сведения

Важнейшим свойством диэлектриков является их способность поляризоваться под действием внешнего электрического поля. Процесс поляризации сводится к смещению (иногда к повороту) электрических зарядов на ограниченное расстояние (положительные заряды смещаются в направлении поля, отрицательные — против поля), что сопровождается образованием на поверхности или в объеме диэлектрика связанных электрических зарядов и возникновением наведенного электрического момента. По окончании действия сил электрического поля заряды возвращаются в исходное состояние, и наведенный момент исчезает. На способности электроизоляционных материалов поляризоваться, т. е. накапливать заряды, основано применение их в качестве рабочих диэлектриков конденсаторов. Способность диэлектриков к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью или сокращенно диэлектрической проницаемостью s. s — отношение количества заряда Q, полученного при некотором напряжении на обкладках конденсатора, изготовленного из данного диэлектрика, к количеству зарядов Q_o, которое можно получить при том же напряжении и тех же размерах, если между электродами находится вакуум, т. е.

Q = UC и Q_o = UC₀,.

где: с — емкость конденсатора с данным диэлектриком;

с ₀ — емкость вакуумного конденсатора;

U — напряжение на обкладках конденсатора,.

(2).

Диэлектрическую проницаемость какого-либо вещества можно определить и как число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора, если, не изменяя размеров и форм конденсатора, заполнить его веществом. При заданных геометрических размерах и форме конденсатора его емкость прямо пропорциональная значению s диэлектрика. Так емкость плоского конденсатора с толщиной диэлектрика h и площадью обкладок по S с каждой стороны в системе СИ выражается формулой:

где: h — выражено в метрах; S — в квадратных метрах; е₀ — электрическая постоянная в Ф/м.

Электрическая постоянная е₀ характеризует электрическое поле в условиях отсутствия его взаимодействия с веществом; она равна отношению суммарного электрического заряда, заключенного внутри замкнутой поверхности в пустоте, к потоку вектора напряженности электрического поля сквозь эту поверхность:

[Ф/м] (4).

где с = 2,998×10⁸ м/с — фазовая скорость распространения электромагнитных волн в пустоте. Так как «с» весьма близка к 3×10⁸, можно записать:

Численно в единицах СИ е_o = 8,854×10^-12 Ф/м = 8,854 пФ/м.

Произведение е_oе называется абсолютной диэлектрической проницаемостью диэлектрика, ее размерность Ф/м.

Величина относительной диэлектрической пронициаемости е безразмерна, больше единицы и сохраняет свое значение независимо от выбранной системы единиц и формы записи уравнений.

Диэлектрическая проницаемость материала зависит от его структуры и состава, от частоты поля, температуры, влажности и других факторов. Для оценки зависимости е диэлектриков от температуры указываются температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости:

Для изготовления термостабильных конденсаторов применяются материалы с малым значением ТКе = (-50 + 30) 10^-5 1/град. Высокие значения е ТКе у тикондов (-700 + - 1400) 10^-6 1/град используются для компенсирующих конденсаторов.

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры определяется преобладающим видом поляризации в диэлектрике и различна для диэлектриков с различными видами поляризации.

Вид поляризации диэлектриков определяется его составом и структурой. Различают много видов поляризации, основными из которых являются следующие:

1. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием сил электрического поля. При этом образуется «упругий» диполь (в отличие от «жесткого диполя», который существует в полярных диэлектриках до введения их в электрическое поле), и возникает дипольный наведенный момент, рис. I. Время релаксации, т. е. время установления поляризации, чрезвычайно мало (порядка 10−15−10−14 с), сравнимое с периодом световых колебаний. Поэтому электронную поляризацию относят к мгновенным видам поляризации, происходящим без диэлектрических потерь, так как электрическая энергия, которая требуется для поляризации, полностью возвращается источнику электрической энергии после снятия напряжения. диэлектрическая проницаемость температура поляризация Электронная поляризация происходит во всех атомах или ионах, и таким образом, независимо от возможного наличия в диэлектрике других видов поляризации наблюдается во всех диэлектриках.

а) б) Рис. 1. Схема электронной поляризации: а) атомы в отсутствие электрического поля; б) деформированные атомы при воздействии электрического поля

В чистом виде без наложения на нее других видов поляризации, электронная поляризация наблюдается в неполярных (нейтральных) диэлектриках, т. е. в диэлектриках, состоящих из неполярных молекул. Неполярной является молекула, в которой центры тяжести всех положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Так, одноатомные молекулы (Не, Ne, Аr, Кr, Хe) и молекулы, состоящие из двух одинаковых атомов, соединенных друг с другом ковалентной связью (Н₂, С1₂ и др.) неполярны, потому что электронное облако равномерно между атомами этих молекул. Связь углерода с другими атомами в большей или меньшей степени полярна, так как электронное облако смещается в сторону более электроотрицательного атома, т. е. заряды между атомами распределяются неравномерно, и возникает полярная ковалентная связь. Предельный случай ковалентной полярной связи — ионная связь (например, у NaCl). Полярность связи или молекулы характеризуется дипольным моментом, который равен произведению элементарного заряда q на расстояние между центрами тяжести всех положительных и всех отрицательных зарядов l: м — ql.

Например, дипольный момент связи С — Н равен 0,2 дебая, у связи С — N — 0,4 дебая, у связи С — О — 0,9 дебая, у связи С — С 1−1,83 дебая, у связи СF — 2,25 дебая и т. д.

Дебай — единица электрического момента, равная 10^-18 СГСЭ единиц электрического момента. Обычно q — порядка 10^-18 СГСЭ единиц электрического заряда, l — порядка 10^-8 см, м молекул полярных веществ порядка 10^-8-10^-18 СГСЭ единиц электрического момента. При переводе в систему СИ 1 дебай = 3,333×10^-30 Кл х м.

Молекула органического вещества является неполярной в случае симметрического расположения атомов или группы атомов по отношению к атомам углерода, потому что в этом случае полярные моменты симметрично расположенных полярных связей компенсируются, и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы, и, следовательно, друг с другом, т. е. суммарный полярный момент симметрично построенной молекулы равен нулю. Например, связь С — F сильно полярна (пара электронов, образующая связь, ближе располагается к более электроотрицательному атому фтора), но молекула фторопласта-4, благодаря симметричному расположению атомов фтора относительно атомов углерода в целом нейтральна:

Диэлектрическая проницаемость наряду с выше перечисленными факторами зависит от агрегатного состояния вещества.

У газообразных диэлектриков (азот, воздух) из-за низкой плотности диэлектрическая проницаемость невелика, приблизительно равна 1.

У жидких и твердых нейтральных диэлектриков, обладающих только электронной поляризацией, диэлектрическая проницаемость тоже невелика, приблизительно 2−2,5. У неполярных диэлектриков на процесс электронной поляризации температура не влияет, и электронная поляризация атомов, ионов от температуры не зависит. Однако величина диэлектрической проницаемости при электронной поляризации вещества уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа поляризующихся частиц в единице объема, т. е. TKе < 0 (Рис 5а).

Из числа применяемых в электроизоляционной технике органических материалов практически неполярными являются полиэтилен, фторопласт-4, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, парафин, церезин, невулканизированный каучук, эскапон, нефтяные электроизоляционные масла и др.

2. Дипольно-релаксационная поляризация заключается в ориентации, повороте дипольных молекул, дипольных групп цепи макромолекул под действием сил электрического поля. Этот вид поляризации наблюдается у полярных диэлектриков, т. е. диэлектриков, состоящих из полярных молекул. Полярными являются молекулы, в которых центры тяжести всех положительных и отрицательных зарядов не совпадают. В этом случае даже в отсутствие внешнего электрического поля молекула представляет электрический «жесткий» диполь с величиной электрического момента:

ju = ql,

где q — суммарный положительный (или численно равный ему суммарный отрицательный) электрический заряд молекулы, / - плечо диполя (рис. 2).

Рис. 2. Схема полярной молекулы

Такими полярными молекулами являются несимметричные молекулы, например, молекулы полихлорвинила:

в которых сильно полярная связь С — С 1 располагается в пространстве напротив слабо полярной связи С — Н, в результате полярные моменты этих связей не компенсируются, и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Дипольные молекулы находятся в хаотическом тепловом движении, под действием внешнего электрического поля они частично ориентируются, стремясь расположиться вдоль силовых линий поля, создавая тем самым эффект поляризации (рис. 3). При снятии внешнего электрического поля поляризация нарушается беспорядочным тепловым движением молекул.

Дипольная поляризация происходит гораздо медленнее, чем электронная. Время установления и нарушения поляризации 10^-10 сек и больше, т. е. это время может быть того же порядка, что и время полупериода переменных напряжений, применяемых в радиоэлектронике, или больше этого времени. Поэтому дипольная поляризация относится к числу замедленных (релаксационных) видов поляризации (релаксация — ослабление). Время установления поляризации тем больше, чем больше размеры молекул и чем выше абсолютная (динамическая) вязкость вещества. Дипольно-релаксационная поляризация накладывается на электронную, поэтому диэлектрическая проницаемость материалов с дипольно-релаксационной поляризацией больше, чем для материалов с чисто электронной поляризацией, и находится в пределах в среднем от 3 до 8.

Рис. 3. Схема дипольно-релаксационной поляризации полярной молекулы: а) положение молекулы до поляризации; б) положение молекулы после поляризации

Поскольку дипольная поляризация по самой своей природе связана с тепловым движением молекул (она устанавливается в процессе теплового движения и посредством теплового движения молекул, поэтому называется также тепловой поляризацией), — на явление дипольной поляризации должна оказывать существенное влияние температура С увеличением температуры ослабляются молекулярные силы, уменьшается вязкость вещества, что должно усиливать дипольно-релаксационную поляризацию; однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее действие поля. Поэтому диэлектрическая проницаемость с повышением температуры сначала возрастает, пока ослабление молекулярных сил оказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения, а затем падает, когда тепловое движение нарушает ориентацию молекул (рис. 5 б).

При повороте диполей в направлении поля преодолевается некоторое сопротивление, поэтому дипольно-релаксационная поляризация связана с диэлектрическими потерями (т.е. потерями электрической энергии на выделение тепла).

Дипольно-релаксационная поляризация свойственна полярным газам и жидкостям, она наблюдается также в твердых полярных органических диэлектриках, но в этом случае происходит не поворот целых молекул, а поворот имеющихся в них полярных групп (радикалов) по отношению к молекуле. Поэтому эту поляризацию называют также дипольно-радикальной.

Полярными органическими диэлектриками, имеющими помимо электронной поляризации дипольно-радикальную, являются: поливинилхлорид, полиметилметакрилат (оргстекло), трифторхлорэтилен, полиэтилентерефталат (лавсан), полиамиды (капрон, нейлон и др.), полиуританы, поликарбонаты, полиимиды, феноло-формальдегидные смолы, карбамидо-формальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др.

3. Ионная поляризация — это смещение упруго связанных ионов на расстояние меньше постоянной решетки под действием электрического поля (рис. 4). Этот вид поляризации характерен для твердых неорганических кристаллических диэлектриков с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, алюминооксид А12О3, поликор-керамика на основе А12О3, ругал — ТiO2).

Рис. 4. Схема ионной поляризации. Упругое смещение ионов из узлов кристаллической решетки: а) положение ионов в узлах кристаллической решетки в отсутствие электрического поля; б) смещение ионов из узлов кристаллической решетки на небольшие расстояния при воздействии электрического поля

Время установления поляризации 10^-13-10^-12 сек, т. е. эта поляризация как и электронная, относится к мгновенным видам поляризации и происходит без диэлектрических потерь. Ионная поляризация накладывается на электронную. Диэлектрическая проницаемость для материалов с ионной поляризацией порядка 5−10 (слюда, кварц), а у некоторых титансодержащих диэлектриков она доходит до 150 (например, кристаллы рутила — ТiО₂, титанаты кальция — CaOxTiO₂ и керамические материалы — тиконды, в состав которых входит TiO₂). Такое высокое значение диэлектрической проницаемости объясняется тем, что при ионном смещении создается добавочное внутреннее поле, направленное в решетке рутила по внешнему полю, а также тем, что ионы кислорода обладают большой электронной поляризуемостью.

Величина ионной поляризации с повышением температуры возрастает, так как при тепловом расширении увеличиваются расстояния между ионами и, следовательно, ослабляются упругие силы связи между ионами, что облегчает их смещение под действием электрического поля. Поэтому у большинства неорганических диэлектриков кристаллического строения с ионной поляризацией при повышении температуры увеличение диэлектрической проницаемости за счет возрастания ионной поляризуемости сильнее, чем уменьшение s, вследствие снижения плотности диэлектрика (т.е. TKе > 0, рис. 5 а).

Однако большинство кристаллических неорганических диэлектриков, содержащих ионы титана (тиконды), имеют TKе < 0, потому что преобладающим видом поляризации в них является не ионная, а электронная поляризация.

Рис. 5. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для диэлектриков с преобладающей поляризацией: а) электронной; б) дипольно-релаксационной; в) ионной или ионно-релаксационной

4. Ионно-релаксационная поляризация заключается в перебросе слабо связанных ионов на расстояния, превышающие постоянную решетки, под действием внешнего электрического поля. Локальные тепловые перемещения слабо связанных ионов создают асимметрию распределения электрических зарядов в диэлектрике и, следовательно, создают электрический момент в единице объема.

После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия, и поляризация постепенно ослабевает, т. е. этот вид поляризации относится (как и дипольная поляризация) к замедленным релаксационным поляризациям, при которых происходит необратимое рассеяние электрической энергии в виде тепла, т. е. диэлектрические потери. Ионно-релаксационная поляризация связана с рыхлостью структуры вещества и наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, к числу которых относятся в основном аморфные неорганические диэлектрики (неорганические стекла, некоторые керамические материалы, содержащие большое количество аморфной фазы, например, электрофарфор, радиофарфор), а также кристаллические неорганические вещества (например, муллит — кристаллическая фаза керамики). Ионно-релаксационная поляризация в таких диэлектриках накладывается на электронную и ионную поляризации, значение диэлектрической проницаемости в среднем от 5 до 20. Для материалов с ионно-релаксационной поляризацией ТКе > 0 (рис. 5в).

5. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация — это поляризация диэлектрика, возникающая в отсутствие внешнего электрического поля. Она характерна для твердых кристаллических диэлектриков с неплотной упаковкой ионов. Диэлектрики со спонтанной поляризацией называются сегнетоэлектриками (неорганические диэлектрики — сегнетова соль, титанаты бария, стронция, кадмия, свинца, цирконат свинца и др.), а также органические вещества — триглицинсульфат и другие. Сегнетоэлектрики являются нелинейными диэлектриками, так как у них в отличие от линейных диэлектриков, для которых поляризуемость прямо пропорциональна напряженности электрического поля, a s не зависит от напряженности электрического поля, существует резко выраженная зависимость е от напряженности электрического поля, а поляризуемость при некотором значении напряженности внешнего поля достигает насыщения.

Спонтанная поляризация возможна в сегнетоэлектриках только до определенной для каждого материала температуры, называемой точкой Кюри (t_K), выше которой материал теряет свои сегнетоэлектрические свойства.

В сегнетоэлектриках возможно смещение ионов относительно друг друга из-за неплотности их упаковки. Например, у титаната бария (ВаТЮз) выше tic кристаллическая решетка кубическая, а ион титана находится в центре куба, т. е. на одинаковом расстоянии от ионов кислорода, расположенных в центре граней куба (рис. 6). Поскольку расстояние между центрами ионов в ячейке больше суммы их радиусов, ион титана имеет некоторую свободу перемещения в пространстве между ионами кислорода.

Рис. 6. Элементарная кристаллическая ячейка титаната бария при температуре выше точки Кюри

При высоких температурах (выше t_K) интенсивность теплового движения достаточна для переброса иона титана от одного иона кислорода к другому, и нахождение иона титана вблизи каждого из них равновероятно. Среднее положение иона титана совпадает с центром симметрии ячейки, и средняя величина электрического момента каждой ячейки вследствие ее симметрии равна нулю. При температуре ниже точки Кюри энергия теплового движения недостаточна для переброса иона титана между окружающими его ионами кислорода, и ион титана смещается относительно какого — либо иона кислорода, создавая дипольный момент, так как нахождение иона титана вблизи одного из ионов кислорода нарушает симметрию расположения заряженных частиц в элементарной ячейке. Кристаллическая ячейка вытягивается в направлении смещения иона титана, переходя в тетрагональную форму без центра симметрии (рис. 7). Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек приводит к тому, что смещение ионов титана происходит в них согласовано, в одном направлении, а это приводит к образованию доменов — областей с самопроизвольной поляризацией при отсутствии внешнего электрического поля.

Рис. 7. Изменение структуры ячейки титаната бария ниже точки Кюри (смещение иона титана к одному из ионов кислорода)

В каждом домене направления дипольных моментов ячеек одинаковые; сами домены расположены хаотично, т. е. имеют разные направления дипольных моментов, поэтому суммарный дипольный момент сегнетоэлектрика в отсутствие внешнего поля равен нулю (рис. 8).

Рис. 8. Доменное строение сегнетоэлектриков в отсутствии внешнего электрического поля

При введении сегнетоэлектриков в электрическое поле происходит ориентация электрических моментов доменов в направлении поля, что ведет к накоплению большого количества зарядов на обкладках конденсатора. Ориентация электрических моментов доменов над действием внешнего поля происходит в результате смещения ионов в каждом домене, что приводит к соответствующему изменению направления спонтанного момента домена.

Спонтанная поляризация имеет замедленный характер и связана с большими диэлектрическими потерями. Спонтанная поляризация накладывается на электронную, ионную, ионно-релаксационную поляризации, s при этом имеет большое значение (тысячи и десятки тысяч).

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков имеет максимум в точке Кюри (рис. 9). Выше этой точки меняется кристаллическая структура, исчезают домены и сегнетоэлектрические свойства, т. е. сегнетоэлектрик переходит в линейный диэлектрик.

Рис. 9. Зависимость s от температуры для сегнетоэлектриков