Электро- и оптические свойства диэлектриков

 
 
 
 
В. Д. Казаков 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРО- И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
 ДИЭЛЕКТРИКОВ  
 
Справочник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
1 

УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
 
 К14 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор (кафедра «Транспортно-технологические  
машины и комплексы», Чувашский государственный аграрный  
университет) Казаков Ю. Ф.; 
канд. техн. наук, доцент (кафедра «Радиотехника и радиотехнические  
системы», Чувашский государственный университет  
имени И. Н. Ульянова) Иванов В. И. 
 
 
 
 
 
Казаков, В. Д. 
К14   
Электро- и оптические свойства диэлектриков : справочник / 
В. Д. Казаков. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
140 с. : ил. 
ISBN 978-5-9729-1902-4 
 
Изложены основы строения материалов. Приведено описание электрических свойств электроизоляционных материалов, используемых в 
электро- и радиотехнике: поляризация диэлектриков, диэлектрические 
потери, электропроводность и пробой диэлектриков. Подробно описываются возникновения механизмов поляризации в диэлектриках после 
приложения внешнего электрического поля, влияние температуры и 
приложенного поля на всех диапазонах частот с приведением кривых зависимостей. 
Для студентов младших курсов электро- и радиотехнических специальностей, электроники при изучении дисциплин «Электротехнические 
материалы», «Радиоматериалы и радиокомпоненты» и «Материалы 
электронной техники». Может быть полезно специалистам, работающим в области электротехники, радиотехники и электроники. 
 
УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
 
 
ISBN 978-5-9729-1902-4 © Казаков В. Д., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

Основные понятия о строениях материалов  
и видах связей веществ 
 
Материал (вещество) – одна из форм существования объективной реальности и представляет собой скопление элементарных частиц, обладающих массой. Все материалы являются соединениями химических элементов, состоящих из определенных типов атомов. Различные соединения отличаются друг от друга составом химических элементов, взаимным расположением атомов, а также общим числом атомов в молекуле. 
Все известные вещества состоят из атомов (размером около 
10-10 м), содержащих элементарные частицы – электроны, протоны и нейтроны. Ядро атомов включает в себя определенное количество протонов и нейтронов. Отрицательно заряженные электроны так заполняют оболочки атомов, что положительный заряд 
ядра компенсируется. При потере электронов атом превращается 
в положительно заряженный ион. Некоторое количество атомов 
образуют молекулу. 
Молекулой называется наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами и состоящая из 
одинаковых (в простых веществах) или разных (в химических соединениях) атомов, объединенных в одно целое химическими 
связями. Например, инертный газ гелий. Не имеет одноатомные 
молекулы, водород Н и азот N – двухатомные, водяной пар Н2О 
и углекислый газ СО2 – трехатомные и т. д. 
При квантовых переходах электронов с более высокого 
уровня на более низкий атом отдает энергию, а при обратном переходе – поглощает ее. Возбужденное состояние атома возникает, например, при столкновении с быстро движущимся электроном (возбуждение электронным ударом). Относительно 
устойчивым агрегатом атомов является молекула, в которой 
атомы удерживаются силами химической связи (взаимодействием электрических полей электронов и ядер атомов).  
В большинстве веществ межмолекулярное взаимодействие 
характеризуется ковалентными и ионными связями и их разновидностями: 
3 

– ковалентная связь – внутри молекулы химическая связь 
возникает за счет общей пары электронов, в которую каждый 
атом отдает по одному электрону, то есть при этой связи у веществ объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов (рис. 1). Пример: молекулы Сl2. 
 
 
 
Рис. 1. Молекулы Сl2 
 
Ковалентная связь присуща не только молекулам газов, жидкостей, но и атомам, образующим кристаллическую решетку 
твердых тел;  
– ионная связь – межмолекулярная связь обусловлена притяжением положительных и отрицательных ионов. Эта связь при 
плотной упаковке атомов и молекул приводит к образованию механически прочных и тугоплавких веществ;  
– металлическая связь – также приводит к образованию 
твердых кристаллических тел, в узлах решетки которых расположены положительно заряженные ионы, окруженные свободными 
электронами. Они придают металлическому веществу высокую 
электропроводность, теплопроводность и металлический блеск. 
Основными элементарными частицами, из которых построены все известные нам вещества, являются протоны, нейтроны и 
электроны (рис. 2). 
 
 
 
Рис. 2. Структура атома молекулы водорода: а – простейшая 
планетарная модель водородного атома 
4 

Атомная решетка характерна для материалов, содержащих 
углерод, кремний, германий (рис. 3). Атомные кристаллы отличаются повышенной твердостью. Органические материалы являются преимущественно молекулярными. 
 
 
 
Рис. 3. Кристаллическая решетка (КР) металлов 
 
Из вывода зонной теории энергетические диаграммы лежат 
в основе разделения всех материалов на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические. Характер энергетического 
спектра металлических проводников, полупроводников и диэлектриков существенно различен. В металлических проводниках валентная зона заполнена не полностью или перекрывается с зоной 
проводимости. В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости и валентная зона разделены некоторым энергетическим зазором, называемым запрещенной зоной. Формально к полупроводникам относят вещества, у которых запрещенная зона меньше 
3 эВ. Вещества с более широкой запрещенной зоной относят к 
диэлектрикам. У реальных диэлектриков ширина запрещенной 
зоны может достигать 10 эВ. Различие в положении энергетических зон у диэлектриков, полупроводников и металлических проводников показано на (рис. 4). 
Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют 
практически одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются ли они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путем туннельного перехода 
электронов от атомов к атому. Для объяснения различий в электрических свойствах металлов надо принять во внимание различную реакцию на внешнее электрическое поле электронов запол5 

ненной и незаполненной зон. Внешнее электрическое поле стремится нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям. 
 
 
 
Рис. 4. Энергетическое отличие диэлектриков  
от полупроводников и металлических проводников с точки  
зрения зонной теории твердого тела: 1 – заполненная  
электронами зона; 2 – зона свободных энергетических уровней; 
3 – запрещенная зона шириной οЭ1 
 
Молекулы с ковалентной связью содержат в своем составе 
определенным образом расположенные носители зарядов: 
– молекулы, у которых центры одинаковых по величине положительных и отрицательных зарядов совпадают, являются неполярными (нейтральными); 
– молекулы, у которых центры одинаковых по величине положительных и отрицательных зарядов не совпадают, когда эти 
центры находятся на некотором расстоянии друг от друга, молекула приобретает зарядовую асимметрию и называется полярной 
(дипольной). Асимметрия характеризуется дипольным моментом 
(ߤ), численно равным произведению заряда (ँ) и расстояния 
между центрами зарядов (κ).ߤ= ँή κ (рис. 5). 
Внутри кристаллов из-за отсутствия компенсации полей, создаваемых положительными и отрицательными зарядами на коротких межатомных расстояниях, возникает внутрикристаллическое поле. Это поле чаще всего представляют приближением, состоящим в замене точечных зарядов и диполей (ионов и молекул 
6 

с дипольным моментом) точечными зарядами и электрическими 
диполями, находящимися в узлах кристаллической решетки. 
 
 
 
Рис. 5. Молекулы: метан – неполярный;  
хлористый метил – полярный 
 
Результаты многочисленных теоретических и экспериментальных физико-химических исследований строения веществ и 
их особенностей позволяют достаточно обоснованно объяснить 
возникновение множества факторов, оказывающих определяющее влияние на технические свойства материалов электротехнических средств (РТС) каждого типа. 
 
Классификация материалов по поведению в электрическом 
поле 
По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические: 
– проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность;  
– полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по 
удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами;  
7 

– диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации. Бывают пассивные и активные. 
Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов.  
Активные – это диэлектрические материалы, свойствами 
которых можно управлять с помощью внешних энергетических 
воздействий (электрическое поле, световое поле, магнитное поле 
и др.). Такими диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электреты и др. 
Условно к проводникам относят материалы с удельным 
электрическим сопротивлением ȡ < 105 Ом·м, а к диэлектрикам – 
материалы, у которых ȡ > 106 Ом·м. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 

Глава 1 
 
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ  
(ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ)  
МАТЕРИАЛЫ 
 
1.1. Общие сведения 
 
Электроизоляционными материалами (диэлектриками) называют вещества, слабо проводящие электрический ток. Они 
применяются для электроизоляции, окружающей токоведущие 
детали электрических устройств, т. е. для электрического отделения друг от друга проводящих частей, находящихся под разными 
электрическими потенциалами. 
Часть электроизоляционных материалов используется в качестве диэлектриков в конденсаторах, предназначенных для 
накопления электрической энергии и последующего возвращения ее в электрическую цепь, в которую включен конденсатор. 
Такие электроизоляционные материалы называют диэлектрическими. 
Практически все диэлектрические материалы могут быть использованы как электроизоляционные, но не все электроизоляционные материалы (например, текстолит, гетинакс, стеклоткань и 
некоторые другие) целесообразно применять в качестве диэлектриков. Непрерывное совершенствование технологии изготовления материалов расширяет номенклатуру диэлектриков. 
По агрегатному состоянию электроизоляционные материалы могут быть газообразными, жидкими и твёрдыми (рис. 1.1). 
Примерами диэлектриков, находящихся в газообразном агрегатном состоянии, являются не ионизированные газы: воздух, азот, 
водород, фреон и т. д. (прежде всего воздух). Жидкие диэлектрики представляют собой нефтяные (минеральные) и синтетические масла, кремнийорганические и фторорганические жидкости, 
хлорированные углеводороды и др.  
 
9 

 
 
Рис. 1.1. Классификации диэлектриков 
 
Диэлектрики в твёрдом агрегатном состоянии – керамика, 
пластмассы, стекло, резина, слюда, смола и др.  
По выполняемым функциям диэлектрики классифицируют 
на пассивные диэлектрики и активные диэлектрики.  
Из пассивных диэлектриков изготавливают электроизоляционные материалы, которые выполняют функцию электрической 
10