Взаимодействие электрического поля с веществом

Регистрация параметров электрического поля в веществах и их электрических параметров во многих случаях позволяет осуществить неразрущающий контроль различных объектов (например, определить наличие дефектов как на поверхности изделия, так и внутри него) и провести измерения различных физических величин (размеров, деформации и др.).

Электрическое поле по-разному взаимодействует с различными веществами. Все вещества (материалы) по отношению к электрическому полю могут быть разделены на диэлектрические, проводниковые и полупроводниковые.

Диэлектрические материалы – материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля.

Удельное электрическое сопротивление r диэлектрических материалов лежит в пределах 10¹³ £ r £ 10²³ мкОм×м.

Важной характеристикой диэлектрического материала при его использовании в электронике, электротехнике и других областях техники является качество диэлектрика. Под качеством диэлектрика понимают свойство, которое характеризует величину потерь энергии электрического поля в диэлектрике, идущих на его нагрев. Малые потери означают высокое качество диэлектрика.

Основным свойством проводниковых материалов является сильно выраженная электропроводимость по сравнению с другими электротехническими материалами.

Удельное сопротивление проводниковых материалов лежит в пределах 0,016 £ r £ 10 мкОм×м. Проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости (серебро, медь и др.) и материалы высокого сопротивления (манганин, нихром и др.).

Полупроводниковые материалы – материалы, которые по своей удельной проводимости являются промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами.

Удельное сопротивление полупроводниковых материалов лежит в пределах 1 £ r £ 10¹⁴ мкОм×м. Отличительным свойством полупроводниковых материалов является зависимость удельной проводимости от различных факторов (концентрации, вида примесей, внешних энергетических воздействий). Полупроводниковые материалы разделяются на: 1) простые, например германий (Ge), кремний (Si); 2) химические соединения, например арсенид галлия (GaAs), сульфид кадмия (CdS) и другие соединения.

2.1.1. Взаимодействие электрического поля с диэлектрическими веществами

На рис. 2.1а показано распределение электрического поля в однородном диэлектрическом объекте (веществе).

а б в

1 – электрод; 2 – диэлектрическое вещество (ε_д > 1); 3 – воздух (ε₀ = 1);

4 – металл

Рис. 2.1

 

При помещении внутри однородного диэлектрического вещества 2 другого диэлектрического вещества с меньшей диэлектрической проницаемостью, например воздушного пузырька 3 (рис. 2.1б), внутри него напряженность электрического поля будет больше, чем в однородном диэлектрике. Это обусловлено тем, что диэлектрическая проницаемость вещества больше, чем диэлектрическая проницаемость воздуха ε_д > ε₀. В то же время напряженность поля между пузырьком и электродами уменьшается [12].

При помещении внутри однородного диэлектрического вещества 2 металлического вещества, например шарика 4 (рис. 2.1в), напряженность поля между пузырьком и электродами увеличивается. Внутри шарика электрического поля нет.

Таким образом, по распределению электрического поля можно судить об некоторых свойствах объекта.

При воздействии на диэлектрическое вещество электрическим полем в нем возникает процесс поляризации. Под влиянием электрического поля связанные электрические заряды смещаются в направлении действующих на них сил. В результате поляризации на поверхности диэлектрика образуются заряды обоих знаков. Поляризация – состояние диэлектрика, при котором электрический момент некоторого его объема не равен нулю.

Различают так называемые мгновенные и замедленные виды поляризации. Мгновенные поляризации – это такие поляризации, которые совершаются за очень малое время (t» 10^-13 – 10^-15 с) и практически без выделения энергии. К ним относятся: э лектронная поляризация (ЭП) – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов и ионная поляризация (ИП), которая обусловлена смещением упруго связанных зарядов на расстояния, меньшие постоянной решетки. Замедленные виды поляризации совершаются за более длительное время (t» 10^-3 – 10^-8 с) и с выделением энергии. Примерами замедленных поляризаций служат: д ипольно-релаксационная поляризация (ДРП), наблюдаемая в материалах с дипольной структурой молекул и обусловленная частичной ориентацией этих молекул в электрическом поле; спонтанная поляризация (СП), которая обусловлена вращением по направлению электрического поля макроскопических областей (доменов) диэлектрика, имеющих собственный нескомпенсированный заряд. СП наблюдается в сегнетоэлектриках. Пример: в сегнетовой соли BaTiO₃; ионно-релаксационная поляризация (ИРП) возникает в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов и обусловлена смещением ионов в электрическом поле на расстояния, превышающие постоянные решетки.

На рис. 2.2 показана эквивалентная схема диэлектрического вещества с поляризацией. На схеме С₀, Q₀ – емкость и заряд собственного поля электродов, если в пространстве между ними нет диэлектрика; С_П, Q_П – емкость и заряд диэлектрика с электронной (ионной) поляризацией; R₀ – сопротивление изоляции, равное сопротивлению диэлектрика токам сквозной электропроводности; R_П – сопротивление, учитывающее потери в диэлектрике.

Мерой поляризации является поляризованность, под которой понимается дипольный момент единицы объема. В слабых полях , где – диэлектрическая восприимчиивость. Вместо дипольного момента можно использовать электрическую индукцию:

, (2.1)

где – абсолютная диэлектрическая проницаемость; – от­носи­тель­ная диэлектрическая проницаемость вещества; – диэлектрическая постоянная.

 

Относительная диэлектрическая проницаемость является одной из важнейших характеристик диэлектрика и представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, изготовленном из данного диэлектрика, к заряду Q₀, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

. (2.2)

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, представляет собой конденсатор определенной емкости, и относительную диэлектрическую проницаемость можно определить как отношение емкости конденсатора с диэлектриком из данного вещества к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум:

. (2.3)

Диэлектрическая проницаемость твердых сложных диэлектриков, представляющих собой смесь компонентов, зависит от концентрации компонентов и может быть оценена на основании уравнения Лихтенекера

, (2.4)

где – соответственно относительные диэлектрические проницаемости смеси и отдельных компонентов; θ ₁ и θ₂ – объемные концентрации компонентов, удовлетворяющие соотношению θ ₁ + θ ₂ = 1; х – константа, характеризующая распределение компонентов и принимающая значение от +1 до -1.

При значительном различии диэлектрических проницаемостей компонентов смесей для расчетов можно использовать формулу В. И. Оделевского [13], которая для смесей из двух компонентов с различными диэлектрическими проницаемостями может быть представлена в виде

, (2.5)

где .

Наличие свободных зарядов в диэлектрике приводит под воздействием электрического поля к возникновению слабых по величине токов сквозной электропроводимости J _СК, которые зависят от напряженности электрического поля Е, удельного сопротивления r вещества. Плотность тока сквозной проводимости, который получил название тока утечки, определяется по формуле
J _СК = Е/r.

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов протекают во времени, создавая при этом поляризационные токи, или токи смещения. Плотность тока смещения J_СМ определяется скоростью изменения вектора электрической индукции: J _СМ = dD/dt.

Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике равна сумме плотностей тока сквозной проводимости и токов смещения: J = J _СК + J_СМ. Поляризационные токи изменяются во времени, причем после окончания процесса поляризации J _СМ становится равным нулю. Поэтому при измерении проводимости образцов из диэлектриков, в случае небольшой выдержки диэлектрика под напряжением, необходимо учитывать поляризационные токи.

Различают объемную и поверхностную электропроводность и соответственно объемное и поверхностное сопротивление твердых диэлектрических материалов. Для сравнительной оценки используются значения удельного объемного сопротивления ρ_V и значения удельного поверхностного сопротивления ρ_S.

Электропроводность образца из твердого диэлектрического материала (объемная и поверхностная) зависит от его размеров, состава, наличия различных дефектов в объеме и на поверхности.

При нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем возникают диэлектрические потери, которыми называютэнергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике и вызывающую его нагрев.

Величину диэлектрических потерь в электроизоляционном материале можно охарактеризовать удельными потерями – величиной рассеиваемой мощности, отнесенной к единице объема. Наиболее часто для характеристики потерь пользуются углом диэлектрических потерь d.

Угол диэлектрических потерь d – угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Для характеристики диэлектрических потерь очень часто вместо угла d используют tg d, который может быть определен из векторной диаграммы эквивалентной схемы конденсатора с потерями.

Диэлектрические потери могут обусловливаться как сквозным током, так и токами поляризации. В технических диэлектриках потери вызываются также наличием посторонних полупроводящих примесей (влаги, окислов железа, углерода и др.). К появлению диэлектрических потерь приводит также неод-нородность по составу диэлектрика. Примерами таких диэлектрических материалов являются пластические массы с наполнителями, пористая изоляция и др.

Следует отметить, что общей формулы расчета диэлектрических потерь неоднородных по составу диэлектриков не существует. Если можно представить неоднородный диэлектрик в виде структуры, состоящей из двух слоев, включенных последовательно, то можно получить формулу для определения tgδ в виде [13]

, (2.6)

где R₁ и R₂ – сопротивления слоев, определяемые их удельными сопротивлениями и геометрическими размерами; С₁ и С₂ – эквивалентные емкости слоев, зависящие от их диэлектрической проницаемости и геометрических размеров.

Таким образом, по значениям сопротивления, диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь можно судит о некоторых свойствах диэлектрического объекта (составе, наличии дефектов и др.).

2.1.2. Взаимодействие электрического поля с проводниковыми веществами

Основным свойством проводниковых веществ (материалов) является сильно выраженная электропроводимость по сравнению с другими веществами.

Удельное сопротивление проводниковых материалов лежит в пределах 0,016 £ r £ 10 мкОм×м. Проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости (серебро, медь и др.) и материалы высокого сопротивления (манганин, нихром и др.). К основным характеристикам проводников относятся: удельная проводимость g (или удельное сопротивление r); удельная теплопроводность l_Т; температурный коэффициент удельного сопротивления ТКr; контактная разность потенциалов j_К и термоэлектродвижущая сила; физические параметры (температурный коэффициент линейного расширения ТКl, температура плавления Т_ПЛАВ и др.); механические параметры (предел прочности при растяжении s_Р и др.).

Под действием внешнего электрического поля по проводнику начинают перемещаться электрические заряды, при этом в нем возникает электрическое поле. Следует отметить, что статическое электрическое поле в проводнике существовать не может.

В проводниках плотность тока и напряженность электрического поля связаны законом Ома:

, (2.7)

где γ – удельная электрическая проводимость.

Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным электрическим сопротивлением (ρ = 1/γ). Размерность удельной проводимости – единица на ом-метр, или сименс на метр, а размерность удельного сопротивления ом-метр.

Основным типом проводниковых материалов, применяемых на практике, являются металлические проводники, для которых выражение для удельной электропроводимости может быть представлено в виде

, (2.8)

где е – заряд электрона; n – концентрация электронов; μ _n – подвижность электронов.

Удельные сопротивления чистых металлов, обладающих наиболее правильной кристаллической решеткой, имеют наименьшее значение r. Введение примесей и сплавление металлов приводят к изменению кристаллической решетки и увеличению r. Удельное сопротивление сплавов выше, чем удельное сопротивление чистых металлов.

Удельное сопротивление проводников зависит от многих факторов: от температуры, деформации, магнитного поля, давления и других величин.

При объемном (всестороннем) сжатии изменяются расстояния между атомами и амплитуда тепловых колебаний решетки, что обусловливает изменение удельного сопротивления проводникового материала. В узком диапазоне давлений зависимость удельного сопротивления от всестороннего давления можно описать формулой

, (2.9)

где r ₀ – начальное удельное сопротивление при атмосферном давлении P₀ и температуре Т (обычно при температуре Т = 20 ⁰С); – средний барический коэффициент.

. (2.10)

Для большинства металлов и сплавов » (1–5)10^-11 Па^-1, поэтому общее относительное изменение r мало, оно изменяется в пределах (0,1–0,8) % при изменении давления на 100 МПа.

Зависимость удельного сопротивления от температуры, давления, деформации используется для построения датчиков температуры, давления, деформации.

 

 

2.1.3. Взаимодействие электрического поля

с полупроводниковыми веществами

Полупроводниковые вещества (полупроводники) – это вещества (материалы), которые по своей удельной проводимости являются промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами.

Полупроводниковые материалы являются наиболее богатыми в функциональном отношении. В полупроводниковых материалах сильно проявляются самые различные физические эффекты: Холла, Гаусса, Зеебека, Ганна, тензоэффект и т. д.

Удельное сопротивление полупроводников 1 £ r £ 10¹⁴ мкОм×м. Отличительным свойством полупроводниковых материалов является зависимость удельной проводимости от различных факторов: концентрации, вида примесей, внешних энергетических воздействий.

При воздействии на полупроводники электрического поля в них одновременно имеет место как протекание электрического тока, так и их поляризация.

Электрическая проводимость в полупроводнике определяется движением как электронов, так и дырок, и плотность тока может быть найдена по формуле

, (2.11)

где е – заряд электрона; n и р – концентрации электронов и дырок; и μ_p – подвижности электронов и дырок; – удельная электрическая проводимость.

Концентрации носителей зарядов и их подвижности зависят от напряженности электрического поля. При напряженности Е < Е_кр удельная проводимость остается постоянной (на этом участке соблюдается закон Ома) и влияние поля в основном сводится к изменению только направления скоростей носителей заряда. При напряженности Е > Е_КР удельная проводимость возрастает по экспоненциальному закону при увеличении напряженности Е.

Зависимость удельной проводимости от напряженности электрического поля может быть описана выражением

, (2.12)

где g₀ – удельная проводимость при Е < Е_кр; b – постоянная.

На электропроводность полупроводниковых веществ кроме электрического поля влияют деформация, магнитное поле и др.