Исследование физических свойств материалов. Ч. 1 Электрические свойства твердых диэлектриков

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 

А.В. ШИШКИН, О.С. ДУТОВА 

 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ 
ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ  
МАТЕРИАЛОВ 
 
Часть I 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  
ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 
 

Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2009 

УДК 621.315.61+537.31(075.8) 
         Ш 655 
 
 
Рецензенты: 
А.Б. Мешалкин, д-р физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ИТ СО РАН, 
С.Н. Малышев, канд. техн. наук, доц. НГТУ 
 
Работа выполнена на кафедре  
«Автоматизированные электротехнологические установки»  
и утверждена Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебно-методического пособия 
 

Шишкин А.В. 
Ш 655    Исследование физических свойств материалов : учеб.-метод. 
пособие. – В 4 ч. / А.В. Шишкин, О.С. Дутова. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2009. – Ч. 1: Электрические свойства твердых 
диэлектриков. – 60 с. 

     ISBN 978-5-7782-1257-2 

Рассмотрены теоретические основы электрических свойств твердых 
диэлектриков. Описаны конструкции и работа лабораторных стендов для 
исследования электропроводности, диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь, электрической прочности  твердых диэлектриков.  
Пособие предназначено для подготовки бакалавров по направлениям: 
140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии, 080401 – 
Товароведение и экспертиза товаров (по областям применения), 220301– 
Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) 
для дневного и заочного отделений. 
 
 
 

 
 
УДК 621.315.61+537.31(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-1257-2 
 
         © Шишкин А.В., Дутова О.С., 2009   
© Новосибирский государственный  
технический университет, 2009    

ВВЕДЕНИЕ 

Цель пособия – помочь студентам в получении теоретических знаний и практических навыков по курсу «Материаловедение. Технология 
конструкционных материалов» в части, касающейся электрических 
свойств диэлектриков. 
Материалом называется вещество, обладающее необходимым комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно и/или в совокупности с другими веществами.  
Диэлектрик – материал, основным электрическим свойством которого 
является способность поляризоваться в электрическом поле. 
Материаловедение − это раздел научного знания, посвященный 
свойствам веществ и их направленному изменению с целью получения 
материалов с заранее заданными рабочими характеристиками. Материаловедение опирается на фундаментальную базу всех разделов физики, 
химии, механики и смежных дисциплин и включает теоретические основы современных наукоемких технологий получения, обработки и 
применения материалов. 
Курс материаловедения и технологии конструкционных материалов служит следующей цели: познанию природы и свойств материалов, а также методов получения материалов с заданными характеристиками для наиболее эффективного использования в технике. 
Диэлектрические материалы играют огромную роль в современном мире. Благодаря исключительно малой электропроводности, а следовательно, пренебрежимо малой электронной составляющей теплопроводности, они выполняют роль не только электроизоляторов,  но и 
теплоизоляционных материалов. Обладая высокими значениями диэлектрической проницаемости, такие материалы используются для создания 
электрических конденсаторов заданной или изменяемой под действием 
различных факторов емкости. Активные диэлектрики, свойствами которых можно управлять, применяются в нелинейных конденсаторах − 
варикондах (сегнетоэлектрики), для создания генераторов акустических сигналов (пьезоэлектрики), линз управления электронным пучком 
(электреты), активных элементов лазеров и др. 
 
 
 

1.  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ 
СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 

1.1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ  
ДИЭЛЕКТРИКОВ 

  Физической константой, характеризующей электрические свойства материала, является его удельное электросопротивление ρ. Величина ρ определяется природой объекта и не зависит от его формы и 
размеров. Основой изучения электрических свойств является закон 
Ома, связывающий прямой пропорциональностью разность потенциалов на концах проводника U и силу тока I. Коэффициентом пропорциональности является электрическое сопротивление R: 

 
U = RI,  
(1) 

которое зависит от размеров и формы проводника: 

  
,l
R
S
ρ

 
(2) 

где l – длина проводника, а S – площадь его поперечного сечения. В 
международной системе единиц СИ [R] = Ом; [ρ] = Ом·м.  
Величина, обратная ρ, 
 

1
  
γ
ρ
  
(3) 

называется удельной электропроводностью и измеряется в (Ом·м)–1. 

1.1.1. Виды электропроводности твердых диэлектриков 

     По электропроводности  все твердые тела можно разделить на три 
большие группы: металлы, полупроводники, диэлектрики. Диэлектрики 
практически не проводят электрический ток – их используют в качестве 
электрических изоляторов. Удельная электропроводность занимает область, лежащую ниже 10–8 (Ом⋅м)–1. Огромное влияние на величину 
электропроводности оказывают примеси и дефекты в материале. 

Поскольку ширина запрещенной зоны у диэлектриков большая 
(рис. 1), при комнатной и более низких температурах электроны из валентной зоны в зону проводимости практически не попадают. Концентрация свободных носителей в диэлектрике исключительно мала и собственная проводимость ничтожна. Поэтому электронная проводимость 
(при участии как электронов, так и дырок, учитывая их природу) в диэлектрике может возникнуть лишь при наличии примеси как донорного, 
так и акцепторного типа, создающей разрешенные примесные уровни в 
запрещенной зоне. В связи с этим для электроизоляционных материалов 
так важна химическая чистота. В различных диэлектриках электронная 
проводимость колеблется от 10−10 до 10−22 (Ом⋅см)−1. 
 
 

E

E

E

E

> 2 3 эВ
...

c

v

g

           
 
 
Электронная проводимость может возникать в диэлектриках за 
счет не только теплового воздействия, но и облучения светом с соответствующей длиной волны, быстрыми частицами, при приложении 
сильных электрических полей. 
Надо отметить, что если носители заряда достаточно сильно связаны с кристаллической решеткой, то возникает так называемая поляронная проводимость. Образование полярона связано с искажением 
(поляризацией) 
близлежащей 
области 
кристаллической 
решетки носителем заряда. Носитель локализуется в этой области и 
движется вместе с ней, что значительно уменьшает его подвижность. При слабом взаимодействии носителя с решеткой образуется 
полярон большого радиуса, характеризующийся слабым искажени
Рис. 1. Схема заполнения зон 
электронами в диэлектрике: 

cветло-серым цветом обозначена зона 
проводимости, белым – запрещенная 
зона, темно-серым показано заполнение валентной зоны электронами. Ev – 
верхняя граница валентной зоны; Eg – 
ширина запрещенной зоны; Ес – нижняя 
граница 
зоны 
проводимости;  
          1 эВ = 1,60217733⋅10–19 Дж 

ем решетки, а следовательно, слабым влиянием на подвижность носителя. При сильном взаимодействии электрона или дырки с кристаллической решеткой может образоваться полярон малого  радиуса (порядка постоянной решетки). В этом случае искажения 
решетки очень сильны. Такой полярон очень стабилен и даже за 
счет тепловых флуктуаций в кристалле движется прыжками. При 
наложении внешнего электрического поля в результате возникает 
так называемая прыжковая проводимость. 
В ряде диэлектриков доминирует ионная проводимость, связанная с направленным перемещением ионов примеси, так и ионов 
как самого диэлектрика. В этом случае осуществляется перенос не 
только электрического заряда, но и вещества. Под действием 
внешнего электрического поля анионы движутся к аноду, а катионы – к катоду. Постепенно концентрация носителей заряда уменьшается, поэтому величина ионного тока со временем спадает. При 
низких температурах обычно превалирует примесная ионная проводимость, а при высоких – перенос ионов основного вещества. У 
диэлектриков с ионным характером электропроводности соблюдаются законы Фарадея: количество выделившегося при электролизе 
вещества пропорционально количеству прошедшего через материал электричества. Например, ионная электропроводность неорганических стекол обусловлена электролизом различных окислов, 
входящих в состав самих стекол. Электропроводность стекол 
сильно повышается при содержании в них оксидов щелочных металлов (Li2O, Na2O, K2O) из-за высокой подвижности катионов Li+, 
Na+, K+. Соответственно, введение в стекло окислов щелочноземельных металлов (MgO, CaO, BaO) приводит к снижению проводимости. 
У ряда диэлектриков при достижении некоторой критической температуры происходит фазовое превращение, которое связано с разупорядочением одной из ионных подрешеток. В этом случае происходит 
резкий скачок ионной проводимости, которая становится сравнимой с 
электропроводностью расплавов или концентрированных электролитов (~1 (Ом⋅см)−1). Таким образом, кристалл переходит в особое состояние – суперионное. Такие кристаллы называются суперионными проводниками. 

Т а б л и ц а  1 
Средние значения удельного объемного сопротивления 

Наименование диэлектрика
ρv, Ом⋅м

Асботекстолит
106…107

Текстолит
108…109

Гетинакс
108…1010

Капрон
1010…1011

Лавсан
1012…1013

Лакоткань (ЛХМ-105)
1010…1012

Микалекс
1010…1012

Полистирол
1013…1015

Полиуретан
1012…1013

Полиэтилен
1013…1015

Электрофарфор
1011…1012

Трансформаторное масло
1012…1013

Нефтяное масло для конденсаторов
1012…1013

 
Проводимость твердых диэлектриков подразделяют на объемную 
(количественно определяющую возможность прохождения тока через 
толщу изоляции) и поверхностную. Это связано с тем, что электрические свойства поверхности в результате взаимодействия с газовой или 
жидкой средой (загрязнение, увлажнение и т.п.) могут сильно отличаться от свойств объемной фазы. 
Средние значения удельного объемного сопротивления ρv (при 
комнатной температуре) некоторых диэлектриков приведены в табл. 1. 

1.1.2.  Зависимость электропроводности диэлектриков  

от различных факторов 

     В отличие от проводников у диэлектриков наблюдается изменение тока I со временем τ (рис. 2) вследствие уменьшения тока абсорбции Iab, обусловленного наличием релаксационной поляризации. С 
определенного момента под воздействием постоянного напряжения в 
диэлектрике устанавливается только ток проводимости Ic, определяемый проводимостью диэлектрика. 
Температурная зависимость электронной проводимости хорошо 
описывается экспоненциальным законом: 



0
a
B
exp
E
k T
γ
γ


, 
а
В
1
E
k T  , 
(4) 

где γ0 – константа; Ea – энергия активации переноса заряда; 
23
B
1,380658 10
k



Дж К  – 
постоянная Больцмана. Это связано с экспоненциальной зависимостью концентрации 
носителей от температуры. Подвижность 
меняется более медленно, и ее вклад менее 
существенен. 
В ионных кристаллических диэлектриках при «низких» температурах проводимость обусловлена перемещением катионов с наибольшей подвижностью. С 
ростом температуры вклад в проводимость 
начинают вносить также и другие ионы. В результате общая температурная зависимость электропроводности описывается следующей 
формулой: 

 
γ = γ1e–B1/T + γ2e–B2/T. 
(5) 

Одно из слагаемых преобладает при низких температурах, а другое – 
при высоких. 
При высоких температурах возможно также внедрение электронов 
в твердый диэлектрик с поверхности металлических электронов. 
В слабых полях вклад электронной проводимости очень незначителен. Однако в сильных полях в результате освобождения связанных 
электронов подвижность носителей возрастает. В результате ударной 
ионизации резко увеличивается концентрация электронов в зоне проводимости или дырок в валентной зоне. Это приводит к росту электронной 
проводимости. Зависимость электропроводности от напряженности 
электрического поля E в таком случае описывается формулой 
 
γ = γsebE, 
(6) 

где γs – электропроводность в конце области насыщения; b – коэффициент, зависящий от температуры. В предпробойной области (очень 
сильные электрические поля) электропроводность кристаллических 
диэлектриков более точно описывается формулой Я.И. Френкеля: 

2

B
0

1
exp
4
s
e E
k T
γ
γ
πεε











, 
(7) 

 
Рис. 2. Зависимость тока  
от времени 

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость; ε0 = 8,854⋅10–12 
Кл / (В⋅м) – электрическая постоянная. 
Существенное влияние на электропроводность диэлектриков оказывает влажность. Присутствие даже малого количества влаги способно значительно уменьшить электросопротивление изолятора. Дело в 
том, что растворимые в воде примеси диссоциируют на ионы. Увлажнение также может способствовать диссоциации основного вещества 
диэлектрика. Особенно сильно влага оказывает воздействие на волокнистые материалы, когда могут образовываться сплошные водяные 
пленки вдоль волокон, пронизывающие изоляцию. Поэтому гигроскопичные материалы подвергают сушке и пропитывают или покрывают 
лаками или компаундами.  
На величину поверхностной проводимости диэлектриков также 
значительно влияет состояние их поверхности. Если поверхность шероховатая, то в связи с удержанием ею пыли, осевшей из воздуха, или 
других случайно попавших частиц поверхностное сопротивление будет значительно снижено. Поэтому поверхность обычно шлифуют, полируют, покрывают глазурью и т.д. 

1.1.3. Способы измерения электросопротивления 

    Сопротивление участка изоляции Rиз равно отношению приложенного к этому участку постоянного напряжения U к сквозному току 
Iиз через этот участок (см. формулу (1)): 

 
из

из
=
 
.
Ом
U
R
I
 
(8) 

Проводимость Gиз – величина, обратная Rиз: 

из
1
из
из

1
=
 
.
Ом
I
G
R
U





 
(9) 

Проводимость твердых диэлектриков подразделяют на объемную 
Gv и поверхностную Gs. Соответственно вводятся понятия объемного 
Rv и поверхностного Rs сопротивлений изоляции и объемного Iv и поверхностного Is токов: 

v
v
v

U
I
UG
R


,   s
s
s

U
I
UG
R


. 
          (10) 

Очевидно (рис. 3), что из
v
s
I
I
I

 , так что 
из
v
s
G
G
G


, 

из

1
1
1

v
s
R
R
R


           
(11) 

или 

из
v
s

v
s

R R
R
R
R


,   
(12) 

т. е. 
сопротивление 
изоляции 
определяется как результирующее 
двух сопротивлений (объемного и 
поверхностного), включенных параллельно друг другу между электродами. 
Для участка изоляции  с постоянным поперечным сечением S и толщиной h (форма плоского 
конденсатора) объемное сопротивление рассчитывается по формуле (2): 

ρ
v
v
h
R
S

, 
          (13) 

где ρv – объемное удельное сопротивление 

ρv
v
S
R h

 [Ом ⋅м]. 
          (14)  

Для определения поверхностного удельного сопротивления ρs 

плоского образца на поверхности диэлектрика помещают два 
электрода с правильными прямыми кромками длиной b, находящиеся 
на расстоянии а друг от друга (рис. 4, a). 

Сопротивление Rs участка поверхности между электродами равно  

 
Rs = ρs(a / b) [Ом]. 
          (15) 

Отсюда  

 
ρs = Rs(b / a) [Ом]. 
          (16) 

Рис. 3. Объемные и поверхностные 
токи утечки через участок изоляции