О характере температурной зависимости диэлектрических потерь при поляризации ионных соединений

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 91 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1956 г.

О ХАРАКТЕРЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ПРИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Н. П. БОГОРОДИЦКИЙ

Характер температурной зависимости 8 неорганических диэлектриков имеет важное значение с точки зрения практического использования материалов, но, кроме того, вид этой зависимости позволяет в известной степени судить о самом механизме диэлектрических потерь.

В многочисленных работах, посвященных указанному вопросу, отмечается, что в некотором интервале температур tgS не зависит от температуры, или, что непрерывно возрастает с температурой или, наконец, что tg о имеет экстремальное значение при определенной температуре. Сканави [1] подытожил имевшиеся взгляды и предложил различать для стекол:

а) структурные диэлектрические потери, которые не зависят от температуры;

б) релаксационные диэлектрические потери;

в) потери проводимости.

В последнее время в связи с резко возросшими требованиями в отношении электрических свойств высокочастотной изоляции возникла необходимость более тщательного изучения диэлектрических потерь ионных соединений при высоких частотах.

С этой целью нами были вновь изучены диэлектрические потери ряда простых боратных и силикатных стекол, а также наиболее качественных видов высокочастотной керамики.

Методика исследований

Изучению были подвергнуты борные стекла —чистый борный ангидрид, борно-натриевые стекла при разном соотношении В203 и Ма20, борно-бариевые стекла, технические бесщелочные силикатно-бариевые и сили-катно-свинцовые стекла. Кроме того, были исследованы некоторые керамические материалы со сравнительно невысокими электрическими характеристиками, радиофарфор, изоляторный фарфор и наиболее качественные виды керамики с большим содержанием кристаллической фазы—стеатит, ультрафарфор, шпинелевая и цельзиановая керамика. Опытные образцы борных стекол приготовлялись путем варки в платиновом тигле с применением химически чистых реактивов (борная кислота, гидрат окиси бария, углекислый натрий). Расплавленное стекло выливалось на разогретую до 300° чугунную плиту с выточкой диаметром 30—40 мм, глубиной 1,5 — 2,0 мм. Полученные образцы в виде дисков подвергались отжигу в течение 10—12 часов. После отжига образцы шлифовались с применением керосина или скипидара. Электродами служило серебро, нанесенное вжиганием (для силикатных стекол) и серебряные шлифованные диски, которые в процессе

измерения плотно прижимались пружиной к поверхности образца (для борных стекол).

Образцы керамики изготовлялись по обычной керамической технологии с применением технических сырьевых материалов и имели форму дисков диаметром 20—30 мм при толщине 1,5—2,0 мм. Электродами служило нанесенное вжиганием серебро.

Измерение диэлектрических потерь при радиочастотах производилось с помощью куметра и прибора ИП-3, а также установки для измерения потерь по методу изменения реактивного сопротивления. При низких частотах измерения производились с помощью мостов МЛ-Е и МТ-К. При измерениях на низких температурах образцы помещались в вакуумную колбу, которая охлаждалась в сосуде Дьюара.

Результаты опытов и их обсуждение

Приведенная на рис. 1 температурная зависимость tgo борного стекла показывает заметно меньшее значение диэлектрических потерь сравнительно с литературными данными, а также наличие возрастания § с температурой в отличие от ранних данных.

На рис. 2, 3 и 4 представлены зависимости tgS от температуры для борно-щелочных и борно-бариевых стекол. Вновь нужно отметить заметное возрастание диэлектрических потерь в том интервале температур, для которого ранее этой зависимости ошибочно не наблюдалось.

¥_

о.оогь 0.0018

0.0011

0 100 200 300

°с

Рис. 1

Иной характер зависимостей tgS от температуры наблюдается для силикатных стекол. На рис. 5 и 6 даны температурные зависимости tg6 для бесщелочных силикатно-бариевых и силикатно - свинцовых стекол. В данном случае обнаруживается минимум потерь, как это наблюдала также в своей работе В. А. Иоффе [3]. И здесь вновь не подтверждается независимость tgS от температуры.

При исследовании керамичес ких материалов также установлено во всех случаях отсутствие участка температур, где потери не зависят от температуры. На рис. 7 представлена температурная зависимость в широком интервале температур для изоляторного фарфора и радиофарфора. На рис. 8, 9, 10, 11 показаны зависимости tgo и £ от температуры для стеатита и рутиловой керамики по данным Хиппеля [4].

а оюо

0.0075

00050

0.0025

t/ff

> I ! i

,з У

У

20Q О Ж

Рис. 2

0.10

tss

0.15

0 10

Ш

I

Г

Á /

7 / А ^мгц

о то л 200

Рис. 3

0.0020

0.0015

O.OüW

О МОs

1 ;

/ / i

У

У S

У У

——

о m zoo ш

Рис. 4

tff

0,0010 0.0015

0.0010 0.000S

- 209 О

Рис. 5

л

1у 1^

-

\ 1 I

I ;

Ж С

На рис. 12 даны температурные зависимости tgS при / — 1.106 гц ряда керамических материалов, применяемых в отечественной промышленности.

Обобщая изложенный выше экспериментальный материал, можно утверждать, что в широком интервале температур и частот диэлектрические потери при поляризации ионных соединений обусловлены одним и тем же

0.0030

0.0020

0.0010

\ *

% /

1

200

200

°П

(20200

0.0150

0.0100

0.0050

1

1 J

Рис. 6

150 400 -SO О SO rOO ° С

Рис. 7

явлением—нарушением теплового движения ионов при воздействии электрического поля, которое проявляется тем резче, чем ближе совпадают период электрического поля и время релаксации частиц. При этом необходимо иметь в виду, что частицы совершают сложные тепловые движения —

с

10*

«5

ю7 10"

-100 too 300 soo • с

Рис. 8 Рис. 9

перебросы в пространстве из одного положения равновесия в другое и вибрацию (вращения) с так называемой собственной частотой колебаний частиц.

При низких частотах тепловое движение ионов оказывает влияние на диэлектрические потери почти также, как на сквозную электропроводность,

почему и наблюдается резкий рост tg$ с температурой, начиная с невысоких значений ее. По мере повышения частоты электрическое поле все

V

и г

к о.$

ел

йл

0.1 № 006

о.оь вм ом

180О 0.006

ОШ

0.002

0.001 00008 04008

0-0002

0.0001

10 7—

10*

10*

/

10с~

10^ 10

700

юо гзо зоо ш ш °С

Рис. Ю

меньше и меньше успевает ориентировать ионы при их тепловых перебросах и 8 изменяется с температурой все меньше и меньше. Рис. 8 и 10

200

юо

90 $0

70

50 40

30 го

о

«* £ /1 / ш3 I

I / /

I / I /

/ /

I / I/

/ У 19*

// /

V*

10 10

100 200 300 Ш *00 °С

Рис. 11

показывают, что при частоте /= 1010 гц температурная зависимость

радиокерамики почти не наблюдается. Веера кривых и

при разных частотах являются с этой точки зрения вполне закономерными.

В связи с указанным едва ли целесообразно разделять диэлектрические потери в ионных соединениях, как это показывает Сканави (рис. 14,1),.

0.0000

0.0000]

0.0003

!—

Рис. 12

на три составляющие. Можно полагать, что данные о независимости В от температуры были обусловлены недостаточной точностью измерительных приборов, использовавшихся около 20 лет тому назад [2, 5].

Диэлектрические потери, вызываемые явлением релаксации (ослаблением теплового движения ионов или диполей электрическим полем), согласно установившейся терминологии принято характеризовать наличием частотного и температурного максимумов. Однако не следует упускать из вида, что релаксационные процессы в той или иной форме неизбежно сопутствуют поляризации диэлектрика, связанной с тепловым движением частиц. С этой точки зрения потери вследствие электропроводности и потери при сверхвысоких частотах, которые иногда называют резонансными,

можно считать частными случаями релаксационных, хотя указанные механизмы диэлектрических потерь сопровождаются новыми явлениями.

Как известно, tgo диэлектрика при потерях электропроводности однозначно изменяется с частотой и температурой.

Что касается диэлектрических потерь при сверхвысоких частотах, то большой экспериментальный материал показывает, что в пределах до f = 2 —З'Ю10 гц tgo самых различных диэлектриков возрастает, а диэлектрическая проницаемость уменьшается. Увеличение диэлектрической проницаемости при сверхвысоких частотах обнаружено лишь для немногих диэлектриков, в частности, для некоторых газов.

На основании вышеизложенного нам представляется, что диэлектрические потери можно свести в основном к следующим физическим процессам;

1. Явлению релаксации при поляризации, связанной с тепловым движением частиц и проявляющейся при низких частотах, радиочастотах, сверхвысоких частотах, характерной для твердого, жидкого и даже газообразного состояния вещества.

2. Явлению релаксации при электропроводности, также связанной с тепловым движением частиц.

3. Явлению ионизации вещества, обычно газа, свободного или распределенного в твердом теле, проявляющемуся в электрических полях повышенной напряженности.

Автор выражает благодарность к. х.н. Мазурину О. В. и инженеру Чихановой Л. П., участвовавших в экспериментальных работах по изучению электрических свойств стекла.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ска нави Г. И. Диэлектрическая поляризация и потери в стеклах и керамических материалах с высокой диэлектрической проницаемостью. Госэнергоиздат, 1952.

2. Богородицкий Н. П. и Фридберг И. Д. Ж'ГФ, 7, 18—19, 1952.

3. Иоффе В. А. ЖТФ, 22, 4, 1952.

4. Hipp el A. Dielectric Materials and Applications, 1954.

5. Сканави Г. И. ЖТФ, 7, 10, 1937.

Ленинградский Электротехнический институт им. В. И. Ульянова—Ленина.

20. Изв. тпи, т. 91.