Материаловедение Методичка для заочников (стр. 6 из 11)

Досвід експлуатації діелектриків показує, що на відміну від ідеального ізолятора реальний матеріал має кінцевий опір. Це означає, що через матеріал в електричному полі протікають наскрізні струми. З огляду на малі габарити сучасних приладів, навіть невеличкі напруги можуть викликати досить сильні електричні поля і відповідно великі струми. Така ситуація може призвести до істотного зростання втрат, паразитних зв'язків або навіть утрати працездатності приладу.

Експериментальне встановлено, що причиною електропровідності є наявність у діелектриках рухливих іонів -носіїв заряду. При цьому перенос заряду може здійснюватися власними іонами й іонами домішок. Відзначимо, що іонний механізм наскрізної провідності виявляється й у неіонних матеріалах, наприклад у полімерах.

Іонна провідність у діелектриках здійснюється дифузійним механізмом по дефектах кристалічної ґратки. У такому випадку електропровідність носить активаційний характер, тобто її температурна залежність підпорядковується закону Арреніуса: Г-Г.е, де Ед - енергія активації; уц - постійний множник.

З приведеної залежності випливає, що в координатних осях Іп у = — графік аналізованої функції повинний являти собою пряму лінію з кутовим коефіцієнтом, що визначає значення енергії активації. Якщо на експериментальне знятому графіку температурної залежності електропровідності в зазначених координатах є злами, то це є доказом зміни механізму руху іонів або ж зміни переважних типів носіїв заряду.

Найбільший внесок в електропровідність вносять найбільш рухливі іони малого розміру. До таких іонів, у першу чергу, відносяться іони Си, Аи, А§, К і особливо Ма, Н, що проникають навіть через тонкі плівки при кімнатній температурі, а при високих температурах і через стінки кварцової технологічної арматури.

Іонний механізм електропровідності тісно пов'язаний із переносом маси речовини. Іншими словами, дія наскрізних токів викликає необоротні хімічні зміни в матеріалі, що часто призводить до деградації його електричних властивостей. У той же час відомі випадки, коли хімічна дія електричного току на діелектрик робить корисну дію.

Сказане про електропровідність діелектриків відносилося, у першу чергу, до об'єму матеріалу. Питомий об'ємний опір не залежить від зовнішніх умов при постійній температурі. На противагу цьому поверхневі шари діелектрика спроможні інтенсивно взаємодіяти з навколишнім середовищем. Така ситуація пов'язана з наявністю на поверхні діелектрика значної кількості обірваних хімічних зв'язків. Адсорбційні шари,' що утворюються на поверхні, можуть накопичувати різноманітні елементи. Очевидно, що електричні властивості таких шарів принципово відрізняються від параметрів об'ємного матеріалу. У зв'язку з труднощами виміру товщини такого роду тонких плівок на практиці для опису поверхневої електропровідності використовують поняття питомого поверхневого опору. Необхідно відзначити, що пряма кореляція між об'ємним і поверхневим опором відсутня. Тому для кожної конкретної умови експлуатації необхідно експериментальне визначення цих параметрів.

Для більшості діелектриків, які знаходяться в різноманітних умовах, питомі поверхневі й об'ємні опори знайдені і приведені v відповідних довідниках.

Рис. 4.1. Паралельна еквівалентна схема діелектрика з втратами та векторна діаграма для неї.

Комплексним і найбільш інформативним параметром діелектричного матеріалу, що відображає сумарні втрати енергії в діелектрику при його поляризації, є тангенс кута діелектричних втрат. Визначення поняття кута діелектричних втрат випливає з рис. 4.1. У реальному діелектрику, розміщеному між двома контактами, фазовий зсув між струмом і напругою або, що теж саме, між вектором повного струму і його реактивною складовою складає кут (р = л/2. Поява відхилення фазового кута від тг/2 обумовлена як наявністю наскрізної електропровідності діелектрика, так і релаксаційним характером деяких механізмів поляризації. Практичне значення поняття \%(р складається в тому, що він визначає втрати потужності в діелектрику в змінному електричному полі: р^и^Сї^, де а>, Й - частота і напруга прикладена до діелектрика, С -електрична ємність системи.

Очевидно, що діелектричні втрати призводять до розігріву матеріалу.

Якщо матеріал знаходиться між металевими електродами, то, виходячи з рівняння теплового балансуРд = Ру, можна показати, що зміна температури системи визначається а - коефіцієнт теплопередачі від діелектрика,S - площа поверхні діелектрика.

Таким чином, втрати на змінному струмові, на відміну від втрат на постійному струмові, що відповідають закону Джоуля-Ленца, визначаються частотною залежністю діелектричної проникності і тангенса кута втрат. Розміри внесків втрат через наскрізну електропровідність і втрат за рахунок релаксаційних механізмів поляризації в загальний розмір втрат далеко неоднозначні, і у різноманітних умовах кожний із них може мати переважний характер. Загальна тенденція в частотній залежності втрат усе ж спостерігається. Дійсно, із підвищенням частоти поля починає позначатися інерційність процесу поляризації, і втрати від цього зменшуються. У той же час із ростом частоти починають різко зростати втрати в металевих обкладках конденсаторів, що призводить до необхідності зменшувати струми через елементи. Останній чинник особливо актуальний для НВЧ техніки, де необхідність зменшення втрат надзвичайно важлива.

Важливим параметром діелектрика, що обмежує діапазон його застосування, є його електрична міцність. Електрична міцність - спроможність діелектрика зберігати високий питомий опір у полях високої напруженості. Електрична міцність є комплексним параметром, досить складним чином залежним від умов його вимірювання. Електрична міцність матеріалувизначається механізмом пробою діелектрика. Розрізняють такі типові механізми пробою.

Тепловий пробій обумовлений експоненціальним ростом електропровідності при підвищенні температури. При проходженні електричного струму через діелектрик відбувається його розігрівання і, якщо відвід теплової енергії не компенсує її виділення, то теплова рівновага стає неможливою. Температура діелектрика починає підвищуватися, причому як правило, в найбільш дефектній локальній області, що призводить до змін властивостей матеріалу (випар, плавлення) із наступною його руйнацією.

Тепловий пробій - явище інерційне, тобто для його здійснення необхідно визначений час. Тобто навіть короткочасне перевищення пробивної напруги в декілька разів може бути недостатнім для розвитку пробою. Тепловий пробій типовий для масивних ізоляторів із низьким питомим опором.

Електричний пробій пов'язаний із тунельним переходом електронів у вільну зону з валентної зони, домішкових рівнів або металевих електродів, а також лавинним розмноженням зарядів при ударній іонізації.

Пробивна напруга при електричному пробої звичайно на багато перевищує відповідний параметр для теплового пробою. До характерних ознак електричного пробою варто віднести його практичну безінерційність, незалежність пробивної напруги від геометричних розмірів матеріалу. Напруга електричного пробою зростає з ростом температури, що пояснюється збільшенням хаотичної складової в русі зарядів відносно швидкості дрейфу.

Незважаючи на принципові розходження в тенденціях у поведінці залежностей напруги пробою від зовнішніх чинників при дії теплового й електричного пробою, усе ж розділити їх внески на практиці досить складно. Дійсно, проходження електричного току через діелектрик неминуче супроводжується зміною його температури, а інерційність теплових вимірів зменшує їх достовірність.

Раніше відзначалося, що в силу поляризації діелектричного матеріалу напруженість поля в ньому, як правило, нижча в порівнянні з напруженістю поля в навколишньому повітрі. Така ситуація може стати причиною пробою газу уздовж поверхніізолятора. Очевидно, що гази, володіючи більш високою рухливістю носіїв заряду, мають більш низьке значення напруги пробою в порівнянні з твердим тілом. Для запобігання поверхневого пробою досить часто місця з підвищеною напруженістю електричного поля поміщають в ізолюючий компаунд, тобто виключають можливість різких змін поля в небезпечних областях, усувають гострі кути на поверхні діелектриків.

Електропровідність іонних діелектриків викликається міграційними процесами іонів у матеріалі. Це відбивається на дефектній структурі матеріалу і може служити причиною втрати електричної міцності. Такого виду пробій виникає, як правило, при тривалій експлуатації і постійно діючій напрузі. Цей механізм досить типовий при електричному пробої дефектної кераміки.

У керамічних матеріалах можливий іонізаційний пробій -пробій газу в повітряних включеннях. Причина появи такого механізму пробою пов'язана з меншою електричною міцністю газів у порівнянні з твердою фазою.

5. МАТЕРІАЛИ 3 ОСОБЛИВИМИ ФІЗИЧНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ

Основна класифікація матеріалів базувалася на функціональній залежності електричного опору речовини від зовнішніх умов. При цьому інші фізичні властивості матеріалу розглядалися як другорядні і похідні від чисто електричних. У той же час на практиці досить часто в якості основного параметра виступає інша властивість речовини. Сказане, у першу чергу, відноситься до матеріалів, що інтенсивно взаємодіють з різноманітними полями, температурою, випромінюванням. Доцільно із усієї різноманітності матеріалів усіх класів виділити ці речовини в особливий розділ. Такий підхід обгрунтований і тим, що ці матеріали грають найважливішу роль у створенні приладів електронної біомедичної техніки.

Більшість матеріалів, що володіють особливими фізичними властивостями, знаходяться вметастабільному утермодинамічному відношенні стані. Це означає, що їх надлишкові термодинамічні, енергетичні функції перевищують свої дійсно рівноважні значення. Іншими словами, фізичний стан матеріалу при належному виборі зовнішніх впливів принципово можливо перевести в менш енергоємне, рівноважне. Проте фазовий перехід, що супроводжує цей процес, неминуче призведе до втрати унікальних властивостей речовини.