Электрофизические свойства

Важнейшими электрофизическими свойствами технической керамики, как и всякого диэлектрика, являются диэлектрическая проницаемость ε, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТК_ε, удельное сопротивление ρ (Омּм), диэлектрические потери tg δ, электрическая прочность или пробивная напряженность Е_пр.

Электрофизические свойства керамики определяются составом и структурой кристаллических фаз, образующих данный вид керамики. Кристаллические фазы керамических материалов в большинстве случаев представляют собой кристаллы с ионными или ковалентными связями. Свободные электроны в керамических материалах почти полностью отсутствуют.

К электрорадиотехнической керамике предъявляются повышенные электрофизические свойства. Эти свойства получают, применяя исходные материалы соответствующей чистоты, тщательно подготавливая и перерабатывая массы и обжигая в строго регламентированных условиях.

Относительную диэлектрическую проницаемость εопределяют как отношение зарядов на обкладках конденсатора при замене пластин из данного диэлектрика на вакуум:

ε =C/C_в. (12)

Такое изменение емкости конденсатора происходит в резуль­тате явления поляризации диэлектрика.

Поляризацияпредставляет собой процесс смещения структурных элементов (электронов, атомов, ионов и др.) кристаллической решетки со своего нормального положения под влиянием электрического поля. В результате взаимодействия с внешним электрическим полем происходит нарушение и перераспределение электростатических сил, действующих внутри кристалла, при сохранении его общей нейтральности. Механизм поляризации может быть различен в зависимости от того, какие структурные элементы участвуют в процессе поляризации. В керамических материалах наблюдаются следующие основные виды поляризации: электронная, ионная, электронно- и ионно-релаксационная, спонтанная. Степень поляризации керамического диэлектрика и его поляризуемость в целом складывается как сумма поляризаций каждого вида. Величина диэлектрической проницаемости отражает поляризуемость данного вида керамики.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение центра тяжести и деформацию отрицательно заряженного электронного облака под влиянием электриче­ского поля. Электронная поляризация протекает практически мгновенно и не связана с потерей энергии. Электронная поляри­зация для большинства видов керамики не является характер­ной.

Ионная поляризация – это относительное смещение ионов. Этот вид поляризации присущ керамике, содержащей ионные кристаллы. Ионная поляризация также протекает мгновенно. Если же на возврат электронов или ионов требуется какой-либо заметный промежуток времени, то различают электронно- и ионно-релаксационную поляризацию. Вещества с электронно-релаксационной поляризацией обладают большой диэлектрической проницаемостью.

Спонтанная поляризация представляет собой направленную в отношении внешнего электрического поля ориентацию электрических моментов, расположенных хаотически в отдельных областях кристалла (доменах) до наложения электрического поля. Спонтанная поляризация связана со значительным рассеиванием энергии. Особенность спонтанной поляризации состоит в нелинейной зависимости диэлектрической проницаемости от величины напряженности электрического поля и наличия максимума при некоторой температуре. Спонтанной поляризацией обладает ряд кристаллов определенной структуры, например ВаТiO₃ и некоторые другие вещества.

По величине ε керамические материалы весьма различны. Большинство оксидных, силикатных и алюмосиликатных керами­ческих материалов имеют ε в пределах 6-12. Некоторые керамики имеют ε до нескольких тысяч, например ВаTiO₃. У некоторых кристаллов диэлектрическая проницаемость различна по отношению к на­правлению главной оси.

С повышением температуры диэлектрическая проницаемость разных по природе керамических материалов меняется в разной степени. Кристаллы с прочными связями и малой поляризацией при повышении температуры значение εменяют незначительно. Легко поляризуемые кристаллы, наоборот, весьма чувствитель­ны к температурным изменениям.

Температурная зависимость ε выражается температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТК_ε:

ТК_ε=d(Δε/ε)/dT. (13)

Угол диэлектрических потерь tgδ определяет выбор керамики электро- и радиотехнического назначения. Диэлектрические потери вызывают нагрев диэлектрика, при этом рассеиваемая мощность определяется как

P=U²ωC tgδ, (14)

где U – напряжение, ω – угловая частота, С – емкость.

При увеличении частоты прилагаемого поля смещение зарядов начинает отставать по фазе от поля. Поэтому истинная диэлектрическая проницаемость определяется как

ε_и= ε_д – iε_м, (15)

где ε_д и ε_м – действительная и мнимая диэлектрическая проницаемость соответственно.

Угол диэлектрических потерь определяется по формуле

tgδ = ε_и/ ε_д. (16)

Электропроводность керамики принято оценивать по обратной величине проводимости – сопротивлению. Удельное объемное сопротивление ρ (Омּсм) численно равно сопротивлению куба с ребром 1см при условии, что ток проходит через две противоположные грани.

В подавляющем большинстве случаев электропроводность керамики имеет ионный характер. Ионы, входящие в кристаллическую решетку, а также находящиеся в менее упорядоченном состоянии в стекловидном веществе, имеют определенную подвижность. Она тем меньше, чем прочнее внутрикристаллические связи. Те ионы, которые находятся в междоузлиях и дефектных положениях кристаллической решетки, а также ионы примесных соединений и ионы стекловидной фа­зы всегда более подвижны, чем ионы кристаллической фазы. Именно они и являются основным источником электропроводно­сти керамики. Большой подвижностью обладают ионы щелоч­ных металлов, особенно Nа⁺ и K⁺. Установлено, что электропроводность стекла в общем случае прямо пропорциональна содержанию окислов натрия. Если содержание стекловидной фазы в керамике неизбежно и значительно, то стремятся понизить электропроводность этого стекла, вводя ионы щелочно-земельных металлов, обладающих большим размером и большим зарядом. Наиболее эффективное влияние на снижение электропроводности оказывают ионы Са²⁺ и Ва²⁺.

Для характеристики керамического материала очень важна зависимость электропроводности от температуры. С повышени­ем температуры электропроводность увеличивается, так как подвижность ионов в результате нагрева возрастает.

Электрической прочностью керамики называют ее способность противостоять действию электрического поля, которая выражается отношением пробивного напряжения к толщине диэлектрика. Электрический пробой обусловлен образованием электронной лавины и протекает за время менее 10^-7с.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 259; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!