Параметры и характеристики диэлектриков указаны в ГОСТ 21515-76 (Материалы диэлектрические. Термины и определения), а их определения, кроме того, даны в ГОСТ Р 52002-2003 (Электротехника. Термины и определения основных понятий). Рассмотрим наиболее важные параметры и характеристики диэлектрических материалов, с точки зрения их применения для решения проектных и конструкторских задач в радиоэлектронике.
1. Для количественной оценки степени поляризации диэлектрика в электрическом поле используют относительную диэлектрическую проницаемость ε (величина безразмерная). По ГОСТ Р 52002-2003 относительная диэлектрическая проницаемость – величина, равная отношению диэлектрической проницаемости вещества к электрической постоянной (ε0=8,85х10-12 Кл/(В·м)):
где εa (в некоторых источниках ε) – это абсолютная диэлектрическая проницаемость (по ГОСТ Р 52002-2003 – диэлектрическая проницаемость) величина, характеризующая диэлектрические свойства вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряжённость электрического поля равно электрическому смещению. Электрическое смещение – векторная величина, равная геометрической сумме напряжённости электрического поля в рассматриваемой точке, умноженной на электрическую постоянную, и поляризованности в той же точке.
С физической точки зрения, относительная диэлектрическая проницаемость характеризует ёмкостную способность (свойство накапливать энергию) диэлектрика и показывает, во сколько раз больше ёмкость данного материала по сравнению с воздухом при одинаковых условиях.
Относительная диэлектрическая проницаемость газов невелика и близка к единице, например, у воздуха εr = 1,00058, поэтому её практически принимают равной единице. Большими значениями диэлектрической проницаемости обладают жидкие и твёрдые диэлектрики, у которых εr = 2–9. Некоторые твёрдые диэлектрики (сегнетоэлектрики) имеют значение относительной диэлектрической проницаемости в несколько тысяч единиц. На практике часто используют абсолютную диэлектрическую проницаемость, например, при расчёте ёмкости плоского конденсатора:
где: С – ёмкость плоского конденсатора, (Ф); S – площадь одной из обкладок конденсатора, м2; d – расстояние между обкладками, м; εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость.
Из формулы видно, что в конденсаторах целесообразно применять материалы с наибольшей относительной диэлектрической проницаемостью. Наоборот, диэлектрическая проницаемость материалов, применяемых для изоляции, должна иметь наименьшее значение, так как её увеличение ведёт к увеличению ёмкости, а значит - к увеличению ёмкостного тока. Возрастание ёмкости сказывается на величине потерь в изоляции. Поэтому в радиоустройствах, особенно на высоких и сверхвысоких частотах в качестве изоляторов применяют материалы с малым εr, равным 1,8–2,5.
Кроме абсолютной и относительной диэлектрической проницаемости существуют такие параметры диэлектриков как комплексная абсолютная и комплексная относительная диэлектрическая проницаемость, начальная относительная диэлектрическая проницаемость, реверсивная относительная диэлектрическая проницаемость, дифференциальная диэлектрическая проницаемость и эффективная диэлектрическая проницаемость. Определения этих параметров даны в ГОСТ 21515-76 и рассматривать их в рамках изучения учебной дисциплины «Радиоматериалы и радиокомпоненты» не будем.
2. В техническом диэлектрике всегда есть небольшое количество свободных электронов, которые под действием приложенного к диэлектрику не изменяющегося во времени электрического напряжения создают в нём ток утечки. Постоянная составляющая тока утечки диэлектрика называется сквозным током диэлектрика. Сквозной ток способен проходить как по поверхности твёрдого диэлектрика, соприкасающейся с газообразным или жидким диэлектриком (поверхностный сквозной ток диэлектрика), так и через весь его объем (объёмный сквозной ток диэлектрика). В связи с этим, имеют различия два вида электрической проводимости диэлектриков и два вида электрического сопротивления.
Объёмная электрическая проводимость диэлектрика – это электрическая проводимость диэлектрика, равная отношению объёмного сквозного тока к приложенному напряжению. Соответственно, что такое объёмное электрическое сопротивление диэлектрика? Это величина, обратная объёмной электрической проводимости диэлектрика.
Поверхностная электрическая проводимость диэлектрика – это электрическая проводимость диэлектрика, равная отношению поверхностного сквозного тока к приложенному напряжению. Не трудно догадаться, что поверхностное электрическое сопротивление диэлектрика представляет собой величину, обратную поверхностной электрической проводимости.
Для определения поверхностного и объёмного сопротивления диэлектрика используют понятия удельного поверхностного сопротивления диэлектрика и удельного объёмного сопротивления диэлектрика. Удельное объёмное сопротивление твёрдого диэлектрика численно равно сопротивлению куба с ребром в 1 м, если ток проходит через две противоположные грани этого куба (рисунок 1):
где: Rv – объемное сопротивление диэлектрика, Ом; S – площадь электрода, м2; d – толщина образца, м.
Рисунок 1 – Графическое пояснение к определению удельного объёмного сопротивления
Удельное поверхностное сопротивление диэлектрика численно равно сопротивлению участка поверхности твёрдого диэлектрика в форме квадрата при протекании электрического тока между двумя противоположными сторонами этого квадрата (рисунок 2):
где: Rs – поверхностное сопротивление диэлектрика, Ом; l – длина электродов, м; d – расстояние между электродами, м.
Рисунок 2 – Графическое пояснение к определению удельного поверхностного сопротивления
3. Диэлектрики, находясь в электрическом поле, не могут выдерживать неограниченно большое электрическое напряжение. При повышении напряжения до некоторой определённой величины диэлектрик теряет свои электрофизические свойства. Это явление носит название пробоя диэлектрика. Пробивное напряжение (Uпр) – это минимальное, приложенное к диэлектрику электрическое напряжение, приводящее к его пробою.
Пробивное напряжение при медленном увеличении приложенного к диэлектрику напряжения называется статическим пробивным напряжением диэлектрика. Пробивное напряжение при воздействии на диэлектрик импульсов электрического напряжения называется импульсным пробивным напряжением диэлектрика. Для определения способности (свойства) диэлектрика противостоять пробою используют электрическую прочность.
Электрической прочностью диэлектрика называется минимальная напряжённость однородного электрического поля, приводящая к пробою. Электрическая прочность диэлектрика определяется как отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика:
где: Eпр – электрическая прочность, В/м; Uпр – пробивное напряжение, В; d – толщина диэлектрика, м.
На практике электрическую прочность (таблица 1) чаще выражают в кратных единицах: [кВ/мм], [кВ/см], [МВ/м].
Для оценки степени соответствия пробивного напряжения выбранного диэлектрика прикладываемому к нему напряжению используют коэффициент запаса электрической прочности диэлектрика – это величина, равная отношению пробивного напряжения диэлектрика к номинальному значению электрического напряжения.
4. Диэлектрики, помещённые в электрическое поле, рассеивают определённую часть энергии. Мощность, выделяющаяся в диэлектрике при воздействии на него электрического поля, называется – диэлектрическими потерями. В зависимости от характера поля, от состава и строения диэлектрика диэлектрические потери будут разные. Если к диэлектрику приложено постоянное напряжение, то диэлектрические потери обычно очень малы и обусловлены только током проводимости. При переменном поле, в диэлектрике возникают разные виды поляризации. Одни виды поляризации проходят без потерь, а другие – с потерями, которые идут на нагрев диэлектрика. Выделяют следующие виды диэлектрических потерь:
- диэлектрические потери на электропроводность – это часть диэлектрических потерь, обусловленная сквозным током диэлектрика;
- ионизационные диэлектрические потери – это часть диэлектрических потерь, обусловленная ионизацией диэлектрика в электрическом поле;
- релаксационные диэлектрические потери – это часть диэлектрических потерь, обусловленная релаксационной диэлектрической дисперсией;
- резонансные диэлектрические потери – это часть диэлектрических потерь, обусловленная резонансной диэлектрической дисперсией;
- гистерезисные диэлектрические потери – это часть диэлектрических потерь, обусловленная переориентацией доменов диэлектрика.
Вот мы и подошли к моменту, когда необходимо понять, что такое диэлектрическая дисперсия. Диэлектрическая дисперсия – явление изменения относительной диэлектрической проницаемости при изменении частоты приложенного электрического поля. В зависимости от того, как изменяется относительная диэлектрическая проницаемость выделяют релаксационную и резонансную диэлектрические дисперсии.
Релаксационная диэлектрическая дисперсия – при которой относительная диэлектрическая проницаемость монотонно снижается с ростом частоты. Резонансная диэлектрическая дисперсия – при которой в частотной характеристике относительной диэлектрической проницаемости имеются как участки понижения, так и участки повышения её значения.
5. В качестве характеристики диэлектрических потерь, позволяющей сравнить качество диэлектриков используют понятие тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.
Угол диэлектрических потерь – угол между векторами плотностей переменного тока проводимости и тока смещения диэлектрика на комплексной плоскости.
Для низких частот используют диэлектрики с tgδ = 0,1–0,005. Для высоких частот используют диэлектрики с tgδ = 0,001–0,0002. Т.е. Тангенс угла диэлектрических потерь зависит от частоты, но эта зависимость носит не линейный характер.
Активная мощность, рассеиваемая в диэлектрике:
Так как реактивный ток зависит от диэлектрической проницаемости, в соответствии с выражением:
то мощность, рассеиваемая в диэлектрике в виде тепла, будет определяться следующим выражением:
где: Ua – действующее значение переменного напряжения, В; ω – угловая частота, рад/с; S – площадь обкладок конденсатора, м2; d – расстояние между обкладками конденсатора, м.
Диэлектрические потери зависят от температуры и влажности диэлектрика (с их повышением потери в диэлектрике увеличиваются). для оценки потерь в диэлектрике, также, используют коэффициент диэлектрических потерь – это величина, равная произведению относительной диэлектрической проницаемости на тангенс угла диэлектрических потерь.
С учётом вышесказанного, можно отметить, что электроизоляционные диэлектрики обладают невысокой относительной диэлектрической проницаемостью и большим удельным сопротивлением. Конденсаторные диэлектрики имеют гораздо более большие значения относительной диэлектрической проницаемости и сравнительно небольшие значения тангенса угла диэлектрических потерь.