Электрические свойства твердых тел, страница 12

e(w) = e¢= e_ст.                                                                      (2.3.45)

Так как мнимая составляющая  e"  уменьшается до нуля, то и tgd= e¢¢/e¢®0. Потери энергии пренебрежимо малы и определяются лишь сквозным током. Это соответствует диапазону частот 0...10 Гц.

2. Высокие частоты w>>(w_е)₀ , . Вновь w¢¢®0 , а e(w) = e'= 1. В этом случае вновь tg d®0 и диэлектрические потери мощности пренебрежимо малы. Можно считать частоты высокими, начиная с n>10¹⁶ Гц.

3. Частоты, близкие к резонансным: w~(w_ор)₀  или w~(w_и)₀ или w~(w_е)₀. В этих случаях wt®1. Если продифференцировать уравнение (3.43), то получим, что w¢¢  принимает максимальные значения при (w_ор)×t_ор = 1,  (w_и)₀×t_и= 1 и (w_е)₀×t_е = 1. Следовательно, и диэлектрические потери при этих частотах будут наибольшими.

Таблица 2.3.3

Диэлектрические свойства изоляторов при комнатной температуре (по данным Ван Флека)

Материал	e при частоте		tg d при частоте
	60 Гц	1 МГц	60 Гц	1 МГц
Фарфор	6	-	0,010	-
Стеатит	6	6	0,005	0.003
Циркон	9	8	0,035	0,001
Al2O3	-	9	-	0,0005
Стекло	7	7	0,1	0,01
Плавленый кварц	4	3,8	0,001	0,0001

На графике (рис.2.3.23) частотной зависимости величины электрической проницаемости w = w(n) участки перегибов соответствуют максимумам диэлектрических потерь. В справочниках обычно указывают величину полной диэлектрической проницаемости e и тангенс угла потерь при некоторых фиксированных частотах и комнатной температуре.

Для некоторых электроизоляционных материалов типичные значения e  и tg d указаны в табл.2.3.3.

На диэлектрические потери твердых тел влияют их строение (подвижность заряженных дефектов), частота поля и температура. В большинстве случаев с ростом температуры отмечается экспоненциальный рост диэлектрических потерь. На рис.2.3.24 в качестве примера приведены графики температурной зависимости tg d для стеатитовой керамики. Подобным образом изменяется у стеатита и диэлектрическая проницаемость, изменяясь в диапазоне частот 10²...10⁴  Гц от e = 5...6 при комнатной  температуре  до e = 12...13  при 300...400^oC.

Рис.2.3.24.Температурная  зависимость tg d стеатитовой керамики при

различных частотах (Гц)

Отличительной особенностью изменения диэлектрической проницаемости e у сегнетоэлектриков с ростом температуры является наличие резко выраженного  максимума около сегнетоэлектрической точки Кюри Т_c (рис. 2.3.25). Увеличение  диэлектрической проницаемости по мере приближения к Т_c обусловлено снижением сопротивления решетки движению междоменных границ вследствие усиления теплового движения атомов диэлектрика. При температуре выше точки Кюри тепловое движение разрушает доменную структуру сегнетоэлектрика, спонтанная поляризация прекращается и сегнетоэлектрик  превращается в обычный параэлектрик. Частота приложенного электрического поля вплоть до ~10¹⁰ Гц почти не влияет на величину диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика.

Рис.2.3.25.Температурная зависимость e сегнетоэлектрика BaTiO₃ в области его широкого применения; Т_c - точка Кюри

Однако в целом для многих видов керамики можно говорить лишь о тенденции повышения значения температурного коэффициента  e (ТK_e)  с ростом температуры. Вместе с тем, например TK_e цирконата бария остается практически неизменным в диапазоне от -100 до +100 градусов Цельсия, на уровне 80×10^-6 град^-1, а значение ТК_e станната бария в том же температурном интервале незначительно и неопределенно колеблется около значения 60×10^-6 град^-1. Абсолютное значение ТК_e керамических материалов очень различно и зависит от частоты электрического поля.

Спонтанная поляризация сегнетоэлектриков обусловливает значительные диэлектрические потери в этом классе материалов в области частот 10²...10⁷ Гц. Экспериментальное определение величины tg d  с помощью различных мостовых схем позволяет получить важную информацию о собственных частотах колебаний зарядов в диэлектрике и о времени релаксации, определяющих поляризационные процессы в диэлектриках.

Значительные отличия, особенности и трудности возникают при изучении электрических свойств тонких пленок, как проводящих, так и диэлектрических. Широкое их применение в качестве рабочих элементов таких устройств, как омические резисторы, сегнетоэлектрические диэлектрики конденсаторов, термосопротивления, фотосопротивления, ультразвуковые линии задержки и во многих других случаях - потребовало разработки совершенных технологий получения пленок и методов их исследования.

Например, для пьезоэлектрических пленок CdS и ZnO установлена нелинейная, почти гармоническая зависимость коэффициента электромеханической связи (коэффициента преобразования механических напряжений в напряженность электрического поля) от ориентации, от угла между электрическим полем и кристаллографической осью пленки. Большой интерес к созданию широкополосных пьезопреобразователей выявил вместе с тем и нелинейный характер зависимости электропроводности преобразователей от частоты в области  n>100 МГц. Отмечаются также значительные различия в свойствах моно- и поликристаллических пленок. Например, для ZnО  относительно гексагональной оси С различия в диэлектрической постоянной вдоль оси и перпендикулярно к ней составляют  = 11/9,26, а для коэффициента электромеханической связи при частоте 500 МГц значения соотносятся как  = 0,18/0,22 для тонких пленок против = 0,31/0,282 для монокристаллов.

Чрезвычайно сложной, в сравнении с массивными материалами, является электропроводность тонких пленок. Кроме обычной электропроводности за счет некоторого количества электронов в зоне проводимости, присутствующих при любой температуре, необходимо еще рассматривать инжектирование электронов из проводящих контактов, процессы туннелирования, как в приконтактных зонах, так и непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Нельзя также исключать примесную проводимость и проводимость, связанную с наличием дефектности кристаллов. В диэлектрических пленочных материалах важную роль также могут играть эффекты, обусловленные пространственным зарядом, а также ионной проводимостью.