2.4. Свойства конденсаторов с различными видами поляризации

Свойства конденсаторов и, в частности, температурные и частотные зависимости их емкости определяются классом диэлектрика, находящегося между обкладками конденсатора. По виду этих закономерностей, различают конденсаторы:

· с быстрыми видами поляризации (электронной и ионной) – 1 группа;

· с релаксационными видами поляризации (электронно-релаксационной, ионно-релаксационной и дипольно-релаксационной) – 2 группа;

· со структурной (объемной) поляризацией, свойства которых определяются составом и количеством ингредиентов – 3 группа;

· со спонтанной поляризацией – 4 группа.

Более подробно взаимосвязь различных типов конденсаторов с видами поляризации диэлектрика, лежащего в его основе, отражает таблица 2.2.

Таблица 2.2

Классификация видов поляризации и примеры конденсаторов

Виды поляризации

Конденсаторы

Быстрые

Электронная

Воздушные и газонаполненные

Ионная

Стеклянные и керамические с ионной структурой, за исключением конденсаторов на основе сегнетокерамики

Медленные или релаксационные

Электронно-релаксационная

Содержащие «тяжелые» химические элементы с многоэлектронной оболочкой (поляризуются группы электронов)

Ионно-релаксационная

Содержащие группы ионов, поляризующихся под действием поля. Это конденсаторы на основе некоторых стекол

Дипольно-релаксационная

Все конденсаторы, материал которых содержит полярные молекулы любого типа (слабополярные, сильнополярные или смешанные)

Структурная

Содержащие границы раздела сред; на основе слоистых материалов или материалов с наполнением (а также их произвольные комбинации)

Спонтанная

На основе сегнетокерамики (объектом поляризации являются домены; именно вследствие их больших размеров спонтанная поляризация самая медленная)

Наиболее важными для любых изделий промышленной электроники являются температурные (С = f(T)) и частотные зависимости (С = f(f)). Объяснить закономерности, приведенные на рис. 2.3, можно следующим образом. При нагреве неизбежны процессы расширения тел, приводящие к уменьшению коли
чества молекул или атомов в единице объема. Таким образом, количество объектов поляризации уменьшается, что приводит к снижению емкости конденсаторов с электронным видом поляризации. Необходимо добавить, что это снижение, в общем случае, незначительно.

На рис. 2.3 представлена полная зависимость С = f(Т) с двумя фазовыми переходами, соответствующими процессам плавления и кипения нагреваемого диэлектрика. Безусловно, в реальных конденсаторах, эти процессы должны быть исключены, а переходы из одного агрегатного состояния в другое зависят от того, термопластичный или термореактивный материал. Термопластичный материал плавится, термореактивный при нагреве выше температуры фазового перехода  горит. Однако в любом случае на интервале рабочих температур от 0 до Тпл или от Тпл до Ткип для жидкостных конденсаторов внутри этого интервала снижение емкости конденсатора будет незначительным.

Так как время установления электронной поляризации 10-15 с, то практически электронная поляризация будет успевать устанавливаться до 1015 Гц. В реальных же устройствах промышленной электроники используются частоты только до 1012 Гц, поэтому в указанном диапазоне емкость от частоты практически не зависит (рис. 2.4). Для конденсаторов с ионной поляризацией время установления несколько больше (10-13 с), но зависимость емкости от частоты аналогичная, потому что процессы установления поляризации идентичны; различаются только объекты поляризации.

В конденсаторах с электронной поляризацией происходит смещение электронных оболочек атомов и молекул под действием электрического поля; в конденсаторах с ионной поляризацией – смещение ионов, размеры которых больше. К конденсаторам с электронным видом поляризации относятся воздушные, вакуумные, газонаполненные конденсаторы, а также конденсаторы на основе неполярных твердых полимерных диэлектриков.

Их достоинствами являются: слабая зависимость емкости от температуры, независимость емкости от частоты и, следовательно, возможность использования таких конденсаторов в сверхвысокочастотных полях. Конденсаторы на основе быстрых видов поляризации характеризуются стабильностью емкости в широком температурном и частотном диапазоне. Недостатками этих конденсаторов являются: невысокие значения емкости при достаточно больших габаритных размерах конденсаторов. Кроме того, воздушные конденсаторы, наиболее простые в изготовлении, обладают низкими значениями электрической прочности, что существенно ограничивает диапазон рабочих напряжений конденсаторов такого типа. Последний недостаток может быть уменьшен с помощью кривой Пашена (рис. 2.5).

Характерной особенностью этой зависимости является наличие минимума разрядного напряжения, который приходится приблизительно на область нормального атмосферного давления. Таким образом, обычные воздушные конденсаторы практически обладают минимальной электрической прочностью. Однако эта прочность может быть существенно повышена (в несколько раз). Пути для этого два: первый – создание вакуумных конденсаторов (область пониженного давления) и второй – создание газонаполненных конденсаторов (область повышенного давления).

Возвращаясь к конденсаторам с ионной поляризацией, необходимо отметить, что это, главным образом, стеклянные конденсаторы на основе обычных стекол. Помимо основного недостатка (низкой емкости), они обладают рядом технологических недостатков, обусловленных хрупкостью стекла. Кроме того, это конденсаторы на основе кристаллических веществ с плотной упаковкой ионов – кварцевые, слюдяные или на основе каменной соли, корунда, рутила.

К следующей группе конденсаторов относятся конденсаторы с релаксационными видами поляризации: с электронно-релаксационным, ионно-релаксационным и дипольно-релаксационным. Для этих конденсаторы характерна зависимость емкости от температуры и частоты (рис. 2.6, 2.7) причем диапазон конкретных значений емкостей и относительной диэлектрической проницаемости может быть различен, например, от e = 5 – 7 для конденсаторов на основе каменной соли до e = 110 – 150 на основе рутила и титаната кальция.

Конденсаторы с электронно-релаксационным видом поляризации встречаются редко.

Ионно-релак
сационным видом поляризации характеризуются конденсаторы на основе электротехнического фарфора или других ионных кристаллов с неплотной упаковкой частиц. Объектом поляризации в таких конденсаторах являются группы ионов.

Наиболее распространенную группу конденсаторов представляют конденсаторы на базе разнообразных полярных диэлектриков. Полярными называются диэлектрики, основой которых является полярная молекула. Проще, полярная молекула – это несимметричная молекула, центры отрицательного и положительного зарядов в которой не совпадают. Примером превращения неполярной молекулы в полярную и обратно может служить преобразование молекулы полиэтилена. Сильнополярными делают вещества так называемые «хвосты» – вносящие резкую асимметрию этиленовые, метиленовые группы, бензольные кольца и т.п. (рис. 2.8)

    

Объяснить закономерность изменения емкости конденсаторов с дипольно-релаксационным видом поляризации от температуры можно следующим образом. При нагреве до некоторой температуры Т тепловое расширение облегчает процессы установления дипольно-релаксационной поляризации и емкость возрастает. При температурах выше Т тепловое хаотическое движение становится настолько сильным, что разрушает упорядоченность дипольных молекул, и емкость конденсатора падает.

Чем выше степень полярности молекулы, тем больше удельная емкость конденсатора и, следовательно, кривая С = f(Т) будет лежать выше, а ее максимум будет выражен сильнее (см. рис. 2.6).

Зависимость емкости конденсаторов с релаксационными видами поляризации от частоты электрического поля (см. рис. 2.7) показывает, что до тех пор, пока диполи успевают следовать за изменением поля, емкость конденсатора от частоты не зависит, и численно определяется составляющей релаксационной поляризации Cдип.-рел. При некоторой критической частоте диполи начинают не успевать следовать за изменением поля, и дальнейший рост частоты приводит к тому, что остается только та составляющая поляризации, которая от частоты не зависит. Это или электронная поляризация (Cэлектрон), если диэлектрик молекулярной структуры, или ионная поляризация, если диэлектрик ионной структуры (Cион).

Наибольшую сложность представляют температурные и частотные зависимости емкости многокомпонентных конденсаторов со структурной (объемной) поляризацией. Такие зависимости могут быть сложной формы и содержать несколько экстремумов, соответствующих определенным компонентам комбинированного диэлектрика. В общем случае, структурная поляризация возникает на границах раздела сред (или ингредиентов); такие системы могут быть двух видов:

1) слоистые диэлектрики и конденсаторы на их основе. К ним относятся бумажные конденсаторы, конденсаторы с бумажно-пленочной изоляцией, конденсаторы с диэлектриком по типу слоистых пластиков (гетинакса, текстолита и т.п.);

2) комбинированные многокомпонентные диэлектрики по типу резин, содержащие различные наполнители, пластификаторы, противостарители, мягчители и др.

Конденсаторы на основе диэлектриков со спонтанной поляризацией – это сегнетокерамические конденсаторы (рис. 2.9, 2.10).

 

Объяснить представленные закономерности можно следующим образом. Сегнетоэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, имеют доменную структуру. Нагрев до точки Кюри (рис. 2.9) вызывает тепловое расширение вещества и облегчает установление спонтанной поляризации. При температурах выше ТКюри тепловое хаотическое движение разрушает доменную структуру; и вместе с разрушением этой структуры резко падает диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика и емкость конденсатора на его основе.

Характер частотной зависимости емкости конденсаторов со спонтанной поляризацией (рис. 2.10) аналогичен закономерностям для конденсаторов с релаксационными видами поляризации. Однако падение значений емкости на интервале Сспонтан – Сионн более сильное, а частота, при которой это происходит, значительно ниже f кр для конденсаторов с релаксационными видами поляризации, так как доменная структура существенно крупнее диполя.

ВЫВОДЫ. Основной характеристикой конденсаторов является его емкость, именно зависимости емкости конденсаторов от температуры и частоты электрического поля составляют комплекс его самых важны
х свойств. Характер этих зависимостей определяется видом (или видами) поляризации, присущими диэлектрику. В свою очередь, все виды поляризации делятся на быстрые (электронная и ионная) и медленные или релаксационные.

К релаксационным видам поляризации относятся электронно-релаксационная, ионно-релаксационная и дипольно-релаксационная, а также два особых вида поляризации – спонтанная и структурная (рис. 2.6, 2.7 и 2.9, 2.10). Изучите и проанализируйте зависимости: С = f(T) и С = f(f). Более подробно данный материал Вы можете прочитать в литературе /12, 13/.