Диэлектрик - это материал или вещество, которое практически не пропускает электрический ток. Такая проводимость получается вследствие небольшого количества электронов и ионов. Данные частицы образуются в не проводящем электрический ток материале только при достижении высоких температурных свойств. О том, что такое диэлектрик и пойдёт речь в этой статье.

Описание

Каждый электронный или радиотехнический проводник, полупроводник или заряженный диэлектрик пропускает через себя электрический ток, но особенность диэлектрика в том, что в нем даже при высоком напряжении свыше 550 В будет протекать ток малой величины. Электрический ток в диэлектрике - это движение заряженных частиц в определённом направлении (может быть положительным и отрицательным).

Виды токов

В основе электропроводимости диэлектриков лежат:

• Токи абсорбционные - ток, который протекает в диэлектрике при постоянном токе до тех пор, пока не достигнет состояния равновесия, изменяя направление при включении и подаче на него напряжения и при отключении. При переменном токе напряжённость в диэлектрике будет присутствовать в нём всё время, пока находится в действии электрического поля.
• Электронная электропроводность - перемещение электронов под действием поля.
• Ионная электропроводность - представляет собой движение ионов. Находится в растворах электролитов - соли, кислоты, щёлочь, а так же во многих диэлектриках.
• Молионная электропроводность - движение заряженных частиц, называемых молионами. Находится в коллоидных системах, эмульсиях и суспензиях. Явление движения молионов в электрическом поле называется электрофорезом.

Классифицируют по агрегатному состоянию и химической природе. Первые делятся на твёрдые, жидкостные, газообразные и затвердевающие. По химической природе делятся на органику, неорганику и элементоорганические материалы.

По агрегатному состоянию:

• Электропроводимость газов. У газообразных веществ достаточно малая проводимость тока. Он может возникать при наличии свободных заряженных частиц, что появляется из-за воздействия внешних и внутренних, электронных и ионных факторов: излучение рентгена и радиоактивного вида, соударение молекул и заряженных частиц, тепловые факторы.
• Электропроводимость жидкого диэлектрика. Факторы зависимости: структура молекулы, температура, примеси, присутствие крупных зарядов электронов и ионов. Электропроводимость жидких диэлектриков во многом зависит от наличия влаги и примесей. Проводимость электричества полярных веществ создаётся ещё при помощи жидкости с диссоциированными ионами. При сравнении полярных и неполярных жидкостей, явное преимущество в проводимости имеют первые. Если очистить жидкость от примесей, то это поспособствует уменьшению её проводимых свойств. При росте проводимости и его температуры возникает уменьшение её вязкости, приводящее к увеличению подвижности ионов.
• Твёрдые диэлектрики. Их электропроводимость обуславливается как перемещение заряженных частиц диэлектрика и примесей. В сильных полях электрического тока выявляется электропроводимость.

Физические свойства диэлектриков

При удельном сопротивлении материала равном меньше 10-5 Ом*м их можно отнести к проводникам. Если больше 108 Ом*м — к диэлектрикам. Возможны случаи, когда удельное сопротивление будет в разы больше сопротивления проводника. В интервале 10-5-108 Ом*м находится полупроводник. Металлический материал — отличный проводник электрического тока.

Из всей таблицы Менделеева только 25 элементов относятся к неметаллам, причём 12 из них, возможно, будут со свойствами полупроводника. Но, разумеется, кроме веществ таблицы, существует ещё множество сплавов, композиций или химических соединений со свойством проводника, полупроводника или диэлектрика. Исходя из этого, трудно провести определённую грань значений различных веществ с их сопротивлениями. Для примера, при пониженном температурном факторе полупроводник станет вести себя подобно диэлектрику.

Применение

Использование не проводящих электрический ток материалов очень обширно, ведь это один из популярно используемых классов электротехнических компонентов. Стало достаточно ясно, что их можно применять благодаря свойствам в активном и пассивном виде.

В пассивном виде свойства диэлектриков используют для применения в электроизоляционном материале.

В активном виде они используются в сегнетоэлектрике, а также в материалах для излучателей лазерной техники.

Основные диэлектрики

К часто встречающимся видам относятся:

• Стекло.
• Резина.
• Нефть.
• Асфальт.
• Фарфор.
• Кварц.
• Воздух.
• Алмаз.
• Чистая вода.
• Пластмасса.

Что такое диэлектрик жидкий?

Поляризация данного вида происходит в поле электрического тока. Жидкостные токонепроводящие вещества используются в технике для заливки или пропитки материалов. Есть 3 класса жидких диэлектриков:

Нефтяные масла - являются слабовязкими и в основном неполярными. Их часто используют в высоковольтных аппаратурах: высоковольтные воды. - это неполярный диэлектрик. Кабельное масло нашло применение в пропитке изоляционно-бумажных проводов с напряжением на них до 40 кВ, а также покрытий на основе металла с током больше 120 кВ. Масло трансформаторное по сравнению с конденсаторным имеет более чистую структуру. Данный вид диэлектрика получил широкое распространение в производстве, несмотря на большую себестоимость по сравнению с аналоговыми веществами и материалами.

Что такое диэлектрик синтетический? В настоящее время практически везде он запрещён из-за высокой токсичности, так как производится на основе хлорированного углерода. А жидкий диэлектрик, в основе которого кремний органический, является безопасным и экологически чистым. Данный вид не вызывает металлической ржавчины и имеет свойства малой гигроскопичности. Существует разжиженный диэлектрик, содержащий фторорганическое соединение, которое особо популярно из-за своей негорючести, термических свойств и окислительной стабильности.

И последний вид, это растительные масла. Они являются слабо полярными диэлектриками, к ним относятся льняное, касторовое, тунговое, конопляное. Касторовое масло является сильно нагреваемым и применяется в бумажных конденсаторах. Остальные масла - испаряемые. Выпаривание в них обуславливается не естественным испарением, а химической реакцией под названием полимеризация. Активно применяется в эмалях и красках.

Заключение

В статье было подробно рассмотрено, что такое диэлектрик. Были упомянуты различные виды и их свойства. Конечно, чтобы понять всю тонкость их характеристик, придётся более углубленно изучить раздел физики о них.

Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства.

Ссылки

• Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов «Эффективная физика»

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Диэлектрики" в других словарях:

ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, плохо проводящие электрический ток (удельное сопротивление порядка 1010 Ом?м). Существуют твердые, жидкие и газообразные диэлектрики. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию диэлектрика. В некоторых твердых… … Современная энциклопедия

Диэлектрики - ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, плохо проводящие электрический ток (удельное сопротивление порядка 1010 Ом´м). Существуют твердые, жидкие и газообразные диэлектрики. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию диэлектрика. В некоторых твердых… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Вещества, плохо проводящие электрический ток (удельное электросопротивление 108 1012 Ом?см). Существуют твердые, жидкие и газообразные диэлектрики. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию диэлектриков. В некоторых твердых диэлектриках… … Большой Энциклопедический словарь

- (англ. dielectric, от греч. dia через, сквозь и англ. electric электрический), вещества, плохо проводящие электрич. ток. Термин «Д.» введён Фарадеем для обозначения в в, в к рые проникает электрич. поле. Д. явл. все газы (неионизованные), нек рые … Физическая энциклопедия

ДИЭЛЕКТРИКИ - ДИЭЛЕКТРИКИ, непроводники, или изоляторы тела, плохо проводящие или совершенно не проводящие электричества. Такими телами являются напр. стекло, слюда, сера, парафин, эбонит, фарфор и т. п. В течение долгого времени при изучении электричества… … Большая медицинская энциклопедия

- (изоляторы) вещества, не проводящие электрического тока. Примеры диэлектриков: слюда, янтарь, каучук, сера, стекло, фарфор, различные сорта масел и др. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза … Морской словарь

Название, данное Михаилом Фарадеем телам непроводящимили, иначе, дурно проводящим электричество, как, напр., воздух, стекло,различные смолы, сера и т. д. Подобные тела называются такжеизоляторами. До исследований Фарадея, произведенных в 30 х… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

ДИЭЛЕКТРИКИ - вещества, практически не проводящие электрический ток; бывают твёрдыми, жидкими и газообразными. Во внешнем электрическом поле Д. поляризуются. Их используют для изоляции электротехнических устройств, в электрических конденсаторах, в квантовой… … Большая политехническая энциклопедия

Вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «Д.» (от греч. diá через и англ. electric электрический) введён М. Фарадеем (См. Фарадей) для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе,… … Большая советская энциклопедия

Вещества, плохо проводящие электрический ток (электропроводность диэлектрики10 8 10 17 Ом 1·см 1). Существуют твёрдые, жидкие и газообразные диэлектрики. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию диэлектриков. В некоторых твердых… … Энциклопедический словарь

Книги

• Диэлектрики и волны , А. Р. Хиппель. Автор предлагаемой вниманию читателей монографии, известный исследователь в области диэлектриков американский ученый А. Хиппель неоднократно выступал в периодической печати и в…
• Действие лазерного излучения на полимерные материалы. Научные основы и прикладные задачи. В 2 книгах. Книга 1. Полимерные материалы. Научные основы лазерного воздействия на полимерные диэлектрики , Б. А. Виноградов, К. Е. Перепелкин, Г. П. Мещерякова. Предлагаемая книга содержит сведения о структуре и основных термических и оптических свойствах полимерных материалов, механизме воздействия на них лазерного излучения в инфракрасном, видимом…

Диэлектрики — это вещество, которое не проводит, или плохо проводит электрический ток. Носители заряда в диэлектрике имеют плотность не больше 108 штук на кубический сантиметр. Одним из основных свойств таких материалов является способность поляризации в электрическом поле.

Параметр, характеризующий диэлектрики, называется диэлектрической проницаемостью, которая может иметь дисперсию. К диэлектрикам можно отнести химически чистую воду, воздух, пластмассы, смолы, стекло, различные газы.

Свойства диэлектриков

Если бы вещества имели свою геральдику, то герб сегнетовой соли непременно украсили бы виноградные лозы, петля гистерезиса, и символика многих отраслей современной науки и техники.

Родословная сегнетовой соли начинается с 1672 года. Когда французский аптекарь Пьер Сегнет впервые получил с виноградных лоз бесцветные кристаллы и использовал их в медицинских целях.

Тогда еще невозможно было предположить, что эти кристаллы обладают удивительными свойствами. Эти свойства дали нам право из огромного числа диэлектриков выделить особые группы:

• Пьезоэлектрики.
• Пироэлектрики.
• Сегнетоэлектрики.

Со времен Фарадея известно, что во внешнем электрическом поле диэлектрические материалы поляризуются. При этом каждая элементарная ячейка обладает электрическим моментом, аналогичным электрическому диполю. А суммарный дипольный момент единицы объема определяет вектор поляризации.

В обычных диэлектриках поляризация однозначно и линейно зависит от величины внешнего электрического поля. Поэтому диэлектрическая восприимчивость почти у всех диэлектриков величина постоянная.

P/E=X=const

Кристаллические решетки большинства диэлектриков построены из положительных и отрицательных ионов. Из кристаллических веществ наиболее высокой симметрией обладают кристаллы с кубической решеткой. Под действием внешнего электрического поля кристалл поляризуется, и симметрия его понижается. Когда внешнее поле исчезает, кристалл восстанавливает свою симметрию.

В некоторых кристаллах электрическая поляризация может возникать и при отсутствии внешнего поля, спонтанно. Так выглядит в поляризованном свете кристалл молибдената гадолиния. Обычно спонтанная поляризация неоднородная. Кристалл разбивается на домены – области с однородной поляризацией. Развитие многодоменной структуры уменьшает суммарную поляризацию.

Пироэлектрики

В пироэлектриках спонтанная поляризация экранирует со свободными зарядами, которые компенсируют связанные заряды. Нагревание пироэлектрика изменяет его поляризацию. При температуре плавления пироэлектрические свойства исчезают вовсе.

Часть пироэлектриков относится к сегнетоэлектрикам. У них направление поляризации может быть изменено внешним электрическим полем.

Существует гистерезисная зависимость между ориентацией поляризации сегнетоэлектрика и величиной внешнего поля.

В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от величины поля. При его дальнейшем увеличении все домены ориентируются по направлению поля, переходя в режим насыщения. При уменьшении поля до нуля кристалл остается поляризованным. Отрезок СО называют остаточной поляризацией.

Поле, при котором происходит изменение направления поляризации, отрезок ДО называют коэрцитивной силой.

Наконец, кристалл полностью меняет направление поляризации. При очередном изменении поля кривая поляризации замыкается.

Однако, сегнетоэлектрическое состояние кристалла существует лишь в определенной области температур. В частности, сегнетова соль имеет две точки Кюри: -18 и +24 градусов, в которых происходят фазовые переходы второго рода.

Группы сегнетоэлектриков

Микроскопическая теория фазовых переходов разделяет сегнетоэлектрики на две группы.

Первая группа

Титанат бария относится к первой группе, и как ее еще называют, группе сегнетоэлектриков типа смещения. В неполярном состоянии титанат бария имеет кубическую симметрию.

При фазовом переходе в полярное состояние ионные подрешетки смещаются, симметрия кристаллической структуры понижается.

Вторая группа

Ко второй группе относят кристаллы типа нитрата натрия, у которых в неполярной фазе имеется разупорядоченная подрешетка структурных элементов. Здесь фазовый переход в полярное состояние связан с упорядочением структуры кристалла.

Причем в различных кристаллах может быть два или несколько вероятных положений равновесия. Существуют кристаллы, в которых цепочки диполя имеют антипараллельные ориентации. Суммарный дипольный момент таких кристаллов равен нулю. Такие кристаллы называют антисегнетоэлектриками.

В них зависимость поляризации линейная, вплоть до критического значения поля.

Дальнейшее увеличение величины поля сопровождается переходом в сегнетоэлектрическую фазу.

Третья группа

Существует еще одна группа кристаллов – сегнетиэлектриков.

Ориентация дипольных моментов у них такова, что по одному направлению они имеют свойства антисегнетоэлектриков, а по-другому сегнетоэлектриков. Фазовые переходы у сегнетоэлектриков бывают двух родов.

При фазовом переходе второго рода в точке Кюри спонтанная поляризация плавно уменьшается до нуля, а диэлектрическая восприимчивость, меняясь резко, достигает огромных величин.

При фазовом переходе первого рода поляризация исчезает скачком. Также скачком изменяется электрическая восприимчивость.

Большая величина диэлектрической проницаемости, электрополяризации сегнетоэлектриков, делает их перспективными материалами современной техники. Например, уже широко используют нелинейные свойства прозрачной сегнетокерамики. Чем ярче свет, тем сильнее он поглощается специальными очками.

Это является эффективной защитой зрения рабочих в некоторых производствах, связанных с внезапными и интенсивными вспышками света. Для передачи информации с помощью лазерного луча применяют сегнетоэлектрические кристаллы с электрооптическим эффектом. В пределах прямой видимости лазерный луч моделируется в кристалле. Затем луч попадает в комплекс приемной аппаратуры, где информация выделяется и воспроизводится.

Пьезоэлектрический эффект

В 1880 году братья Кюри обнаружили, что в процессе деформации сегнетовой соли на ее поверхности возникают поляризационные заряды. Это явление было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Если на кристалл воздействовать внешним электрическим полем, он начинает деформироваться, то есть, возникает обратный пьезоэлектрический эффект.

Однако эти изменения не наблюдаются в кристаллах, имеющих центр симметрии, например, в сульфиде свинца.

Если на такой кристалл воздействовать внешним электрическим полем, подрешетки отрицательных и положительных ионов сместятся в противоположные стороны. Это приводит к поляризации кристаллов.

В данном случае мы наблюдаем электрострикцию, при которой деформация пропорциональна квадрату электрического поля. Поэтому электрострикцию относят к классу четных эффектов.

ΔX1=ΔX2

Если такой кристалл растягивать или сжимать, то электрические моменты положительных диполей будут равны по величине электрическим моментам отрицательных диполей. То есть, изменение поляризации диэлектрика не происходит, и пьезоэффект не возникает.

В кристаллах с низкой симметрией при деформации появляются дополнительные силы обратного пьезоэффекта, противодействующие внешним воздействиям.

Таким образом, в кристалле, у которого нет центра симметрии в распределении зарядов, величина и направление вектора смещения зависит от величины и направления внешнего поля.

Благодаря этому можно осуществлять различные типы деформации пьезокристаллов. Склеивая пьезоэлектрические пластинки, можно получить элемент, работающий на сжатие.

В этой конструкции пьезопластинка работает на изгиб.

Пьезокерамика

Если к такому пьезоэлементу приложить переменное поле, в нем возбудятся упругие колебания и возникнут акустические волны. Для изготовления пьезоэлектрических изделий применяют пьезокерамику. Она представляет собой поликристаллы сегнетоэлектрических соединений или твердые растворы на их основе. Изменяя состав компонентов и геометрические формы керамики, можно управлять ее пьезоэлектрическими параметрами.

Прямые и обратные пьезоэлектрические эффекты находят применение в разнообразной электронной аппаратуре. Многие узлы электроакустической, радиоэлектронной и измерительной аппаратуры: волноводы, резонаторы, умножители частоты, микросхемы, фильтры работают, используя свойства пьезокерамики.

Пьезоэлектрические двигатели

Активным элементом пьезоэлектрического двигателя служит пьезоэлемент.

В течение одного периода колебаний источника переменного электрического поля он растягивается и взаимодействует с ротором, а в другом возвращается в исходное положение.

Великолепные электрические и механические характеристики позволяют пьезодвигателю успешно конкурировать с обычными электрическими микромашинами.

Пьезоэлектрические трансформаторы

Принцип их действия также основан на использовании свойств пьезокерамики. Под действием входного напряжения в возбудителе возникает обратный пьезоэффект.

Волна деформации передается в генераторную секцию, где за счет прямого пьезоэффекта изменяется поляризация диэлектрика, что приводит к изменению выходного напряжения.

Так как в пьезотрансформаторе вход и выход гальванически развязаны, то функциональные возможности преобразования входного сигнала по напряжению и току, согласование его с нагрузкой по входу и выходу, лучше, чем у обычных трансформаторов.

Исследования разнообразных явлений сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества продолжаются. Нет сомнений, что в будущем появятся приборы, основанные на новых и удивительных физических эффектах в твердом теле.

Классификация диэлектриков

В зависимости от различных факторов они по-разному проявляют свои свойства изоляции, которые определяют их сферу использования. На приведенной схеме показана структура классификации диэлектриков.

В народном хозяйстве стали популярными диэлектрики, состоящие из неорганических и органических элементов.

Неорганические материалы – это соединения углерода с различными элементами. Углерод обладает высокой способностью к химическим соединениям.

Минеральные диэлектрики

Такой вид диэлектриков появился с развитием электротехнической промышленности. Технология производства минеральных диэлектриков и их видов значительно усовершенствована. Поэтому такие материалы уже вытесняют химические и натуральные диэлектрики.

К минеральным диэлектрическим материалам относятся:

Стекло (конденсаторы, лампы) – аморфный материал, состоит из системы сложных окислов: кремния, кальция, алюминия. Они улучшают диэлектрические качества материала.
Стеклоэмаль – наносится на металлическую поверхность.
Стекловолокно – нити из стекла, из которых получают стеклоткани.
Световоды – светопроводящее стекловолокно, жгут из волокон.
Ситаллы – кристаллические силикаты.
Керамика – фарфор, стеатит.
Слюда – микалекс, слюдопласт, миканит.
Асбест – минералы с волокнистым строением.

Разнообразные диэлектрики не всегда заменяют друг друга. Их сфера применения зависит от стоимости, удобства применения, свойств. Кроме изоляционных свойств, к диэлектрикам предъявляются тепловые, механические требования.

Жидкие диэлектрики

Нефтяные масла

Трансформаторное масло заливается в . Оно наиболее популярно в электротехнике.

Кабельные масла применяются при изготовлении . Ими пропитывают бумажную изоляцию кабелей. Это повышает электрическую прочность и отводит тепло.

Синтетические жидкие диэлектрики

Для пропитки конденсаторов необходим жидкий диэлектрик для увеличения емкости. Такими веществами являются жидкие диэлектрики на синтетической основе, которые превосходят нефтяные масла.

Хлорированные углеводороды образуются из углеводородов заменой в них молекул атомов водорода атомами хлора. Большую популярность имеют полярные продукты дифенила, в состав которых входит С 12 Н 10 -nC Ln.

Их преимуществом является стойкость к горению. Из недостатков можно отметить их токсичность. Вязкость хлорированных дифенилов имеет высокий показатель, поэтому их приходится разбавлять мене вязкими углеводородами.

Кремнийорганические жидкости обладают низкой гигроскопичностью и высокой температурной стойкостью. Их вязкость очень мало зависит от температуры. Такие жидкости имеют высокую стоимость.

Фторорганические жидкости имеют аналогичные свойства. Некоторые образцы жидкости могут долго работать при 2000 градусов. Такие жидкости в виде октола состоят из смеси полимеров изобутилена, получаемых из продуктов газа крекинга нефти, имеют невысокую стоимость.

Природные смолы

Канифоль – это смола, имеющая повышенную хрупкость, и получаемая из живицы (смола сосны). Канифоль состоит из органических кислот, легко растворяется в нефтяных маслах при нагревании, а также в других углеводородах, спирте и скипидаре.

Температура размягчения канифоли равна 50-700 градусов. На открытом воздухе канифоль окисляется, быстрее размягчается, и хуже растворяется. Растворенная канифоль в нефтяном масле используется для пропитки кабелей.

Растительные масла

Эти масла представляют собой вязкие жидкости, которые получены из различных семян растений. Наиболее важное значение имеют высыхающие масла, которые могут при нагревании отвердевать. Тонкий слой масла на поверхности материала при высыхании образует твердую прочную электроизоляционную пленку.

Скорость высыхания масла повышается при возрастании температуры, освещении, при использовании катализаторов – сиккативов (соединения кобальта, кальция, свинца).

Льняное масло имеет золотисто-желтый цвет. Его получают из семян льна. Температура застывания льняного масла составляет -200 градусов.

Тунговое масло изготавливают из семян тунгового дерева. Такое дерево растет на Дальнем Востоке, а также на Кавказе. Это масло не токсично, но не является пищевым. Тунговое масло застывает при температуре 0-50 градусов. Такие масла используются в электротехнике для производства лаков, лакотканей, пропитки дерева, а также в качестве жидких диэлектриков.

Касторовое масло используется для пропитки конденсаторов с бумажным диэлектриком. Получают такое масло из семян клещевины. Застывает оно при температуре -10 -180 градусов. Касторовое масло легко растворяется в этиловом спирте, но нерастворимо в бензине.

Классификация по строению молекул

Классификация по химическому составу

Классификация по способу получения

Классификация по агрегатному состоянию

Активные и пассивные диэлектрики

Определение диэлектрических материалов

Классификация и области использования диэлектрических материалов

Диэлектриками называются вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле.

Электроизоляционными материалами называют диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей электротехнических установок.

Изолятором называется изделие из электроизоляционного материала, задачами которого являются крепление и изоляция друг от друга проводников, находящихся под различными потенциалами (например, изоляторы воздушной ЛЭП).

Электрической изоляцией называется электроизоляционная система определенного конкретного электротехнического изделия, выполненная из одного или нескольких электроизоляционных материалов.

Используемые в качестве электроизоляционных материалов диэлектрики называются пассивными диэлектриками. В настоящее время широко применяются, так называемые, активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения и другие параметры воздействующих на них факторов.

Например, конденсатор, диэлектрическим материалом в котором служит пьезоэлектрик, под действием приложенного переменного напряжения изменяет свои линейные размеры и становится генератором ультразвуковых колебаний. Емкость электрического конденсатора, выполненного из нелинейного диэлектрика – сегнетоэлектрика, изменяется в зависимости от напряженности электрического поля; если такая емкость включена в колебательный LC-контур, то изменяется и его частота настройки.

Диэлектрические материалы классифицируют:

По агрегатному состоянию: газообразные, жидкие и твердые;

По способу получения: естественные и синтетические;

По химическому составу: органические и неорганические;

По строению молекул: нейтральные и полярные.

ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

К газообразным диэлектрикам относятся: воздух, азот, водород, углекислый газ, элегаз, хладон (фреон), аргон, неон, гелий и др. Они используются при изготовлении электрических аппаратов (воздушные и элегазовые выключатели, разрядники)

Наиболее широко в качестве электроизолирующего материала используется воздух. Воздух содержит: пары воды и газы: азот(78%), кислород (20,99%), углекислый газ (0,03%), водород(0,01%), аргон (0,9325%), неон (0,0018%), а также гелий, криптон, и ксенон, которые по объему в сумме составляют десятитысячные доли процента.

Важными свойствами газов являются их способность восстанавливать электрическую прочность, малая диэлектрическая проницаемость, высокое значение удельного сопротивления, практически отсутствие старения, инертность ряда газов по отношению к твердым и жидким материалам, нетоксичность, способность их работать при низких температурах и высоком давлении, негорючесть.

ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Жидкие диэлектрики предназначены для отвода теплоты от обмоток и магнитопроводов в трансформаторах, гашение дуги в масляных выключателях, усиление твердой изоляции в трансформаторах, маслонаполненых вводах, конденсаторах, маслопропитанных и маслонаполненных кабелях.

Жидкие диэлектрики делят на две группы:

Нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное, кабельное);

Синтетические масла (совтол, жидкие кремнийорганические и фтороорганические соединения).

4.1.7 Области использования диэлектриков как ЭТМ

Применение в электроэнергетике:

- линейная и подстанционная изоляция - это фарфор, стекло и кремнийорганическая резина в подвесных изоляторах ВЛ, фарфор в опорных и проходных изоляторах, стеклопластики в качестве несущих элементов, полиэтилен, бумага в высоковольтных вводах, бумага, полимеры в силовых кабелях;

- изоляция электрических приборов - бумага, гетинакс, стеклотекстолит, полимеры, слюдяные материалы;

- машин, аппаратов - бумага, картон, лаки, компаунды, полимеры;

- конденсаторы разных видов - полимерные пленки, бумага, оксиды, нитриды.

С практической точки зрения в каждом случае выбора материала электрической изоляции следует анализировать условия работы и выбирать материал изоляции в соответствии с комплексом требований. Для ориентировки целесообразно разделить основные диэлектрические материалы на группы по условиям применения.

1. Нагревостойкая электрическая изоляция. Это в первую очередь изделия из слюдяных материалов, некоторые из которых способны работать до температуры 700 ° С. Стекла и материалы на их основе (стеклоткани, стеклослюдиниты). Органосиликатные и металлофосфатные покрытия. Керамические материалы, в частности нитрид бора. Композиции из кремнийорганики с термостойким связующим. Из полимеров высокой нагревостойкостью обладают полиимид, фторопласт.

2. Влагостойкая электрическая изоляция. Эти материалы должны быть гидрофобны (несмачивание водой) и негигроскопичны. Ярким представителем этого класса является фторопласт. В принципе возможна гидрофобизация путем создания защитных покрытий.

3. Радиационно стойкая изоляция. Это, в первую очередь, неорганические пленки, керамика, стеклотекстолит, слюдинитовые материалы, некоторые виды полимеров (полиимиды, полиэтилен).

4. Тропикостойкая изоляция. Материал должен быть гидрофобным, чтобы работать в условиях высокой влажности и температуры. Кроме того, он должен быть стойким против плесневых грибков. Лучшие материалы: фторопласт, некоторые другие полимеры, худшие - бумага, картон.

5. Морозостойкая изоляция. Это требование характерно, в основном для резин, т.к. при понижении температуры все резины теряют эластичность. Наиболее морозостойка кремнийорганическая резина с фенильными группами (до -90° С).

6. Изоляция для работы в вакууме (космос, вакуумные приборы). Для этих условий необходимо использовать вакуумно-плотные материалы. Пригодны некоторые, специально приготовленные керамические материалы, малопригодны полимеры.

Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п. Картон, как правило, используется после пропитки трансформаторным маслом. Электрическая прочность пропитанного картона достигает 40-50 кВ/мм. Поскольку она выше прочности трансформаторного масла, для увеличения электрической прочности трансформаторов зачастую устраивают в среде масла специальные барьеры из картона. Маслобарьерная изоляция обычно имеет прочность Е=300-400 кВ/см. Недостатком картона является гигроскопичность, в результате попадания влаги уменьшается механическая прочность и, резко уменьшается электрическая прочность (в 4 и более раз).

В последнее время бурно развивается производство изоляторов для ВЛ на основе кремнийорганической резины . Этот материал относится к каучукам, основное свойство которых - эластичность. Это позволяет изготовлять из каучуков не только изоляторы, но и гибкие кабели. В энергетике используются разные типы каучуков: натуральные каучуки, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, этиленпропиленовые и кремнийорганические.

Электротехнический фарфор является искусственным минералом, образованным из глинистых минералов, полевого шпата и кварца в результате термообработки по керамической технологии. К числу наиболее ценных его свойств относится высокая стойкость к атмосферным воздействиям, положительным и отрицательным температурам, к воздействию химических реагентов, высокие механическая и электрическая прочность, дешевизна исходных компонентов. Это определило широкое применение фарфора для производства изоляторов.

Электротехническое стекло в качестве материала для изоляторов имеет некоторые преимущества перед фарфором. В частности у него более стабильная сырьевая база, проще технология, допускающая большую автоматизацию, возможность визуального контроля неисправных изоляторов.

Слюда является основой большой группы электроизоляционных изделий. Главное достоинство слюды - высокая термостойкость наряду с достаточно высокими электроизоляционными характеристиками. Слюда является природным минералом сложного состава. В электротехнике используют два вида слюд: мусковит КАl 2 (АlSi 3 О 10)(ОН) 2 и флогопит КMg 3 (АlSi 3 О 10 (ОН) 2 . Высокие электроизоляционные характеристики слюды обязаны ее необычному строению, а именно - слоистости. Слюдяные пластинки можно расщеплять на плоские пластинки вплоть до субмикронных размеров. Разрушающие напряжения при отрыве одного слоя от другого слоя составляют примерно 0.1 МПа, тогда как при растяжении вдоль слоя - 200-300 МПа. Из других свойств слюды отметим невысокий tg , менее чем 10 -2 ; высокое удельное сопротивление, более 10 12 Ом·м; достаточно высокую электрическую прочность, более 100 кВ/мм; термостойкость, температура плавления более 1200° С.

Слюда используется в качестве электрической изоляции, как в виде щипаных тонких пластинок, в т.ч. склееных между собой (миканиты), так и в виде слюдяных бумаг, в т.ч. пропитанных различными связующими (слюдиниты или слюдопласты). Слюдяная бумага производится по технологии, близкой к технологии обычной бумаги. Слюду размельчают, готовят пульпу, на бумагоделательных машинах раскатывают листы бумаги.

Миканиты обладают лучшими механическими характеристиками и влагостойкостью, но они более дороги и менее технологичны. Применение - пазовая и витковая изоляция электрических машин.

Слюдиниты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе мусковита. Иногда их комбинируют с подложкой из стеклоткани (стеклослюдинит), или полимерной пленки (пленкослюдинит). Бумаги, пропитанные лаком, или другим связующим, обладают лучшими механическими и электрофизическими характеристиками, чем непропитанные бумаги, но их термостойкость обычно ниже, т.к. она определяется свойствами пропитывающего связующего.

Слюдопласты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе флогопита и пропитанные связующими. Как и слюдиниты, они также комбинируются с другими материалами. По сравнению со слюдинитами они обладают несколько худшими электрофизическими характеристиками, но обладают меньшей стоимостью. Применение слюдинитов и слюдопластов - изоляция электрических машин, нагревостойкая изоляция электрических приборов.

Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции - линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т.п.

Из электроотрицательных газов с высокой электрической прочностью наибольшее применение нашел элегаз SF6. . Свое название он получил от сокращения “электрический газ”. Уникальные свойства элегаза были открыты в России, его применение также началось в России. В 30х годах известный ученый Б.М. Гохберг исследовал электрические свойства ряда газов и обратил внимание на некоторые свойства шестифтористой серы SF6. Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е=89 кВ/см. Молекулярная масса составляет 146, характерным является очень большой коэффициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, т.к. при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло. Из теплофизических свойств: температура плавления= -50 ° С при 2 атм, температура кипения (возгонки)= -63° С, что означает возможность применения при низких температурах.

Из других полезных свойств отметим следующие: химическая инертность, нетоксичность, негорючесть, термостойкость (до 800° С), взрывобезопасность, слабое разложение в разрядах, низкая температура сжижения . В отсутствие примесей элегаз совершенно безвреден для человека. Однако продукты разложения элегаза в результате действия разрядов (например, в разряднике или выключателе) токсичны и химически активны. Комплекс свойств элегаза обеспечил достаточно широкое использование элегазовой изоляции. В устройствах элегаз обычно используется под давлением в несколько атмосфер для большей компактности энергоустановок, т.к. электрическая прочность увеличивается с ростом давления. На основе элегазовой изоляции созданы и эксплуатируются ряд электроустройств, из них кабели, конденсаторы, выключатели, компактные ЗРУ (закрытые распределительные устройства).

Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик - это трансформаторное масло.

Трансформаторное масло - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 ° С до 400 ° С. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. Оно имеет сложный углеводородный состав со средним весом молекул 220-340 а.е., и содержит следующие основные компоненты.

Из родственных трансформаторному маслу по свойствам и применению жидких диэлектриков стоит отметить конденсаторные и кабельные масла.

Конденсаторные масла. Под этим термином объединена группа различных диэлектриков, применяемая для пропитки бумажно-масляной и бумажно-пленочной изоляции конденсаторов. Наиболее распространенное конденсаторное масло по ГОСТ 5775-68 производят из трансформаторного масла путем более глубокой очистки. Отличается от обычных масел большей прозрачностью, меньшим значением tg  (более, чем в десять раз). Касторовое масло растительного происхождения, оно получается из семян клещевины. Основная область использования - пропитка бумажных конденсаторов для работы в импульсных условиях.
Плотность касторового масла 0,95-0,97 т/м3, температура застывания от -10 ° С до -18 ° С. Его диэлектрическая проницаемость при 20° С составляет 4,0 - 4,5, а при 90° С -  = 3,5 - 4,0; tg  при 20° С равен 0,01- 0,03, а при 100° С tg  = 0,2- 0,8; Епр при 20° С равно 15- 20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте. В отличие от нефтяных масел касторовое не вызывает набухания обычной резины. Этот диэлектрик относится к слабополярным жидким диэлектрикам, его удельное сопротивление при нормальных условиях составляет 108 - 1010 Oм·м.

Кабельные масла предназначены для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Основой их также является нефтяные масла. От трансформаторного масла отличаются повышенной вязкостью, увеличенной температурой вспышки и уменьшенными диэлектрическими потерями. Из марок масел отметим МН-4 (маловязкое, для заполнения кабелей низкого давления), С-220 (высоковязкое для заполнения кабелей высокого давления), КМ-25 (наиболее вязкое).

Второй тип жидких диэлектриков - трудногорючие и негорючие жидкости. Жидких диэлектриков с такими свойствами достаточно много. Наибольшее распространение в энергетике и электротехнике получили хлордифенилы . В зарубежной литературе они называются хлорбифенилами . Это вещества, имеющие в своем составе двойное бензольное кольцо, т.н. ди(би)фенильное кольцо и присоединенные к нему один или несколько атомов хлора. В России применяются диэлектрики этой группы в виде смесей, в основном смеси пентахлордифенила с трихлордифенилом. Коммерческие названия некоторых из них - “совол”, “совтол”, “калория-2”.

Диэлектрические материалы классифицируются и по ряду внутривидовых признаков, которые определяются их основными характеристиками: электрическими, механическими, физико-химическими, тепловыми.

4.2.1 К электрическим характеристикам диэлектрических материалов относятся:

Удельное объемное электрическое сопротивление ρ, Ом*м или удельная объемная проводимость σ, См/м;

Удельное поверхностное электрическое сопротивление ρ s , Ом, или удельная поверхностная проводимость σ s См;

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТК ρ , ˚С -1 ;

Диэлектрическая проницаемость ε;

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКε;

Тангенс угла диэлектрических потерь δ;

Электрическая прочность материала Е пр,МВ/м.

4.2.2 Тепловые характеристики определяют термические свойства диэлектриков.

К тепловым характеристикам относятся:

Теплоемкость;

Температура плавления;

Температура размягчения;

Температура каплепадения;

Теплостойкость;

Нагревостойкость;

Холодностойкость – способность диэлектриков противостоять низким температурам, сохраняя электроизоляционные свойства;

Тропикостойкость – стойкость диэлектриков к комплексу внешних воздействий в условиях тропического климата (резкий перепад температур, высокая влажность, солнечная радиация);

Термоэлатичность;

Температура вспышки паров электроизоляционных жидкостей.

Нагревостойкость – одна из важнейших характеристик диэлектриков. В соответствии с ГОСТ 21515-76 нагревостойкость – это способность диэлектрика длительно выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств.

Классы нагревостойкости. Всего семь. Характеризуются температурным индексом ТИ. Это температура, при которой срок службы материала составляет 20 тыс. Часов.

4.2.3 Влажностные свойства диэлектриков

Влагостойкость – это надежность эксплуатации изоляции при нахождении ее в атмосфере водяного пара близкого к насыщению. Влагостойкость оценивают по изменению электрических, механических и других физических свойств после нахождения материала в атмосфере с повышенной и высокой влажностью; по влаго- и водопроницаемости; по влаго- и водопоглощаемости.

Влагопроницаемость – способность материала пропускать пары влаги при наличии разности относительных влажностей воздуха с двух сторон материала.

Влагопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном нахождении во влажной атмосфере близкой к состоянию насыщения.

Водопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном погружении его в воду.

Тропикостойкость и тропикализация оборудования – защита электрооборудования от влаги, плесени, грызунов.

4.2.4 Механические свойства диэлектриков определяют следующие характеристики:

Разрушающее напряжение при статическом растяжении;

Разрушающее напряжение при статическом сжатии;

Разрушающее напряжение при статическом изгибе;

Твердость;

Ударная вязкость;

Сопротивление раскалывания;

Стойкость к надрыву (для гибких материалов);

Гибкость по числу двойных перегибов;

Пластоэластические свойства.

Механические характеристики диэлектриков определяют соответствующие ГОСТы.

4.2.5 Физико-химические характеристики:

Кислотное число, определяющее количество свободных кислот в диэлектрике, ухудшающих диэлектрические свойства жидких диэлектриков, компаундов и лаков;

Кинематическая и условная вязкость;

Водопоглощаемость;

Водостойкость;

Влагостойкость;

Дугостойкость;

Трекингстойкость;

Радиоционная стойкость и др.

Диэлектрики. Классификация

Диэлектриками называются материалы, в которых длительно могут существовать электростатические поля и основным свойством которых является способность к поляризации.

При нормальных условиях (температура близкая к комнатной, давление порядка атмосферного, уровень радиационного воздействия близок по интенсивности к солнечному) диэлектрики обладают высокими значениями удельного электрического сопротивления (ρ>10 8 Ом·м) и шириной запрещенной зоны порядка 3-8 эВ. При этом электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле они могут лишь смещаться, что приводит к разделению центров положительного и отрицательного зарядов.

Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.

Диэлектрики классифицируют по разным признакам.

1 По функциям, которые диэлектрические материалы выполняют в приборах и устройствах, а также по воздействию, оказываемому на них внешними факторами, они подразделяются на электроизоляционные и конденсаторные материалы (линейные или пассивные) и активные диэлектрики (нелинейные или управляемые).

2 По агрегатному состоянию - на газообразные, жидкие и твердые.

В газообразных - молекулы или атомы находятся на значительном расстоянии друг от друга и слабо взаимодействуют между собой, плотность газов низка, они не имеют собственного объема и подразделяются на:

Неполярные (воздух и входящие в его состав газы: водород, кислород, азот; благородные газы: гелий, аргон и др.), у которых в отсутствии внешнего электрического поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают;

Полярные (СО, Н 2 О, HCl, HF, H 2 S и др.), у которых центры разноименных зарядов не совпадают, т.е. существуют постоянные диполи.

В жидких - молекулы и атомы расположены ближе чем в газах, и они имеют собственный объем, а их свойства слабо зависят от внешнего давления. К электроизоляционным и конденсаторным материалам относятся нефтяные масла (трансформаторное, кабельное и конденсаторное) и синтетические фтор-, хлор- и кремнийорганические жидкости.

3 По химическому составу на: органические, неорганические и элементоорганические.

Органические - представляют собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические - те, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержат в своем составе углерода и представляют собой, в основном, неорганические химические соединения и твердые растворы на их основе.

Также возможна классификация по наличию или отсутствию дальнего порядка (аморфные и кристаллические), по количеству фаз (однофазные и многофазные), по области применения (низкочастотные и высокочастотные) и др.

Из многообразия электрических свойств диэлектриков, определяющих их техническое применение, основными являются: электропроводность, поляризация, диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.

При воздействии электрического поля в диэлектрике возникает ряд процессов: смещение связанных зарядов (поляризация), направленное движение зарядов (электропроводность), рассеивание энергии поля, вызывающее нагрев диэлектрика (диэлектрические потери) и, наконец, при достаточно высоких напряженностях поля диэлектрик теряет свои диэлектрические свойства (пробой).

1.2 Основные электрические свойства и характеристики диэлектриков

1.2.1 Поляризация и электрическое поле в диэлектрике

В диэлектрике положительно и отрицательно заряженные частицы прочно связаны друг с другом. Поэтому, при внесении диэлектрика в электрическое поле наблюдается лишь смещение связанных зарядов относительно друг друга на небольшие расстояния в направлении действующих на них сил. Это явление называется поляризацией.

Электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля.

Свойства диэлектриков, в которых поляризация возникает лишь пол влиянием электрического поля и исчезает после его снятия, не зависит от напряженности приложенного поля. Поэтому такие диэлектрики и называются линейными (пассивными).

Поляризация в диэлектриках может возникать не только под влиянием электрического поля, но и под воздействием различных внешних факторов (механических усилий, света, температуры и др.), а в некоторых диэлектриках-сегнетоэлектриках возникает в определенном интервале температур самопроизвольно. Свойствами таких диэлектриков можно управлять с помощью внешнихвоздействий: напряженностью электрического поля Е (в сегнетоэлектриках), механическим усилием (в пьезоэлектриках) и т.д., причем зависимость эта не линейна. Так, у сегнетоэлектриков диэлектрическая проницаемость

ε = f (Е) , у материалов для варисторов электрическая проводимость γ = f (E). Эти аномальные по своему поведению в электромагнитном поле материалы называют нелинейными (активными).

Таким образом, приложение к диэлектрику внешнего электрического поля напряженностью Е может привести:

К смещению внутри диэлектрика электрических зарядов (положительные смещаются к “-“, а отрицательные – к”+”), в результате чего образуются диполи;

К ориентации уже имеющихся в материале постоянных диполей.

Два электрических заряда противоположного знака (±q), находящиеся на расстоянии l друг от друга образуют диполь с моментом m (рисунок 1.1)

Рисунок 1.1 – Диполь в электрическом поле

При этом дипольный момент каждого элементарного объема диэлектрика будет пропорционален напряженности электрического поля Е

где α- поляризуемость, характеризующая способность частицы диэлектрика (атома, иона, молекулы или другой структурной единицы) к поляризации.

1.2.2 Вектор поляризации, поляризованность

Основными количественными характеристиками степени поляризации диэлектриков являются поляризованность (или вектор поляризации) Ри диэлектрическая проницаемость ε. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты диэлектрика или равны нулю (неполярные молекулы) или распределены хаотических образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю.

Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется, т.е. результирующий дипольный момент любого его объема становится отличным от нуля. Тогда вектор поляризации можно определить по формуле

,

где – χ = к э ·ε 0 – абсолютная диэлектрическая восприимчивость; к э - диэлектрическая восприимчивость, а ε 0 = 8,85·10 -12 Ф/м- электрическая постоянная.

Таким образом,

Пропорциональность между Р и Е в слабых полях наблюдается у линейных диэлектриков. Вектор поляризации может быть представлен в виде

,

где N- число элементарных дипольных моментов. Скалярная величина Р называется поляризованностью.

1.2.3 Диэлектрическая проницаемость

На рисунке 1.2 схематически изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рисунок 1.2 а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рисунок 1.2 б)- диэлектрик.

Рисунок 1.2

Если электрическое напряжение на электродах U= U 0 · exp (jωt) с угловой частотой ω = 2πf, то напряженность электрического поля Е = U/h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q 0 (на рисунке 1.2 а - квадраты) и определяется из выражения

,

где С 0 - емкость конденсатора с вакуумом.

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате, как уже сказано выше, образуются электрические диполи с моментом m= q·l, где q- суммарный положительный (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l- расстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q д и общий заряд конденсатора возрастает.

При этом полный заряд конденсатора с диэлектриком

,

где ε r - относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами

.

Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами

.

Из этих формул следует, что

,

где ε r и есть относительная диэлектрическая проницаемость.

Емкость плоского конденсатора

,

где ε 0 = 8,85·10 -12 Ф/м- электрическая постоянная, а произведение ε 0 ·ε r = ε- абсолютная диэлектрическая проницаемость.

1.2.4 Электропроводность диэлектриков

Свойство вещества проводить под действием неизменяющегося во времени электрического поля неизменяющийся во времени электрический ток называется электропроводностью.

Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3…7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации, сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном воздействии на диэлектрик ионизируются основные частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом температуры с большей скоростью, так как число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и примесей. Энергия активации основных частиц больше, эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью поверхности материала адсорбировать загрязняющие компоненты, в частности, влагу, содержащуюся в окружающей атмосфере. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их называют гидрофильными, в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление.

Таким образом, в диэлектрике, находящемся в постоянном электрическом поле, протекает электрический ток, состоящий из тока поляризации или смещения, и тока сквозной электропроводности или тока утечки.

Токи поляризации обусловлены смещением связанных зарядов при установлении поляризации. При постоянном напряжении они возникают лишь в момент включения и выключения напряжения и затем затухает. Токи смещения при электронной и ионной поляризации весьма кратковременны (10 -13 -10 -15 с) и называются мгновенными токами смещения. У большинства диэлектриков время существования поляризационных токов составляет доли секунды, но у некоторых может достигать несколько дестков секунд, что происходит при замедленных видах поляризации. Токи, возникающие при установлении замедленных видов поляризации, называются токами абсорбции (Iабс). Их надо учитывать при измерении сопротивления диэлектриков. Считается, что процесс установления всех видов поляризации заканчивается через 1 мин. После подачи постоянного напряжения. При постоянном напряжении I абс протекает лишь в моменты включения и выключения напряжения, при переменном – в течение всего времени. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только током утечки (как при постоянном напряжении), но и активными составляющими поляризационных токов.

Ток утечки может быть измерен через 1 мин. После включения напряжения, когда процесс поляризации закончится и токи смещения исчезнут. Именно ток утечки, или сквозной ток I ск, и определяет электропроводность диэлектрика (рисунок 1.3).

Количественной мерой электропроводности служит удельная проводимость γ, являющаяся коэффициентом пропорциональности между плотностью тока j и напряженностью E (закон Ома)

Плотность тока численно равна заряду, проходящему через единицу сечения в единицу времени

,

где n 0 - концентрация свободных носителей заряда, q - величина заряда, V - скорость дрейфа, т.е. направленного движения заряда в поле Е.

В случае ионной электропроводности

,

где N 0 - полная концентрация ионов в веществе; w- энергия активации, определяющая вероятность перехода иона ьв свободное состояние при температуреТ; к= 1,38·10 -23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Из этого следует, что

,

где b - подвижность носителей заряда, т.е. средняя дрейфовая скорость при единичной напряженности поля. В системе СИ подвижность b имеет размерность м 2 /В·с.

При обычных условиях главным видом носителей зарядов в диэлектриках являются ионы, что объясняется их более низкой энергией активации в сравнении с другими носителями заряда. Так, например, сравним велечины энергий активации (ω) заряженных частиц каменной соли (NaCl) – ионов Na + , Сl - и электронов: ω Na = 0,85 эВ; ω С l = 3 эВ; ω эл = 6 эВ.

Рисунок 1.3 – Изменение тока текущего через диэлектрик, во времени после включения его под постоянное напряжение

Носителями тока в каменной соли служат ионы натрия, так как для их перевода в свободное состояние затрачивается наименьшая энергия (для перевода электронов в свободное состояние требуется энергия в 7 раз больше). Помимо собственных ионов, электропроводность диэлектрика обуславливают и слабо связанные ионы примесей. В неполярных диэлектриках с ковалентной связью при низких температурах это единственные носители тока. Судить о виде носителей (собственные или примесные ионы) можно на основании рис. 1.3. Снижение I c к (кривая 1) свидетельствует о том, что электропроводность диэлектрика была обусловлена ионами примесей, количество которых из-за электрической очистки уменьшилось. Рост I ск (кривая 2) указывает, что носителями тока являются собственные ионы самого диэлектрика, количество которых возрастает из-за необратимого процесса старения. Таким образом, ионная (или электролитическая) проводимость есть результат образования ионов либо за счет диссоциации молекул самого диэлектрика, либо за счет диссоциации молекул примесей под действием теплового движения, электрического поля и др. Этот вид проводимости наиболее часто проявляется в диэлектриках. В этом случае прохождение тока через диэлектрик сопровождается явлением электролиза.

В диэлектриках возможны также электронная и молионная виды проводимости. При электронной основными носителями являются свободные электроны. Этот вид проводимости наблюдается в газообразных диэлектриках, в твердых диэлектриках при высоких температурах и значительных напряженностях поля, а также в тонких слоях.

Молионная или электрофоретическая проводимость появляется в диэлектриках, в которых носителями зарядов служат заряженные группы молекул – молионы. Такой вид проводимости часто имеет место в жидких диэлектриках. При этом наблюдается явление электрофореза – переноса массы вещества к электроду.

1.2.5 Поляризация диэлектриков

Состояние электрической поляризации в диэлектриках возникает за счет различных процессов или механизмов, определяемых структурой вещества.

Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и неупругую (медленную, релаксационную) поляризации. Упругая поляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток, при этом процесс поляризации обратим и протекает без рассеивания энергии, т.е. без нагрева диэлектрика. К таким быстрым поляризациям относятся электронная, завершающаяся за время 10 -16 …10 -13 с, и ионная упругая, завершающаяся за время 10 -14 …10 -13 с, поляризации.

1.2.5.1 Упругие поляризации

Электронная поляризация. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов или ионов, в результате чего центры тяжести зарядов электронного облака и ядра атома (иона) не совпадают в пространстве (рисунок 1.4) и возникает дипольный момент. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10 -13 м) в пределах своих атомов и молекул. Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков, в любом агрегатном состоянии, в переменном поле она происходит во всем диапазоне частот вплоть до 10 15 Гц, а при более высоких частотах исчезает.

Рисунок 1.4 Рисунок 1.5 Рисунок 1.6

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярны. Неполярными диэлектриками являются газы (гелий, водород, азот, метан), жидкости (бензол, четыреххлористый углерод) и твердые материалы (алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин).

Диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом температуры из-за теплового расширения диэлектрика и уменьшения числа частиц в единице объема (рисунок 1.7, кривая 1). Кривая зависимости диэлектрической проницаемости от температуры подобна кривой изменения плотности.

Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало отличается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не изменяется с ростом частоты приложенного напряжения до 10 12 ... 10 13 Гц.

Изменение ε при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости

.

Ионная упругая поляризация. Ионная поляризация происходит в кристаллических диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных кристаллах, слюде, керамике и др. В электрическом поле в таких диэлектриках происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе – электронная поляризация. Смещаются друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов, т.е. происходит упругая ионная поляризация (рисунок 1.5). Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и диэлектрическую проницаемость.

Ионная поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 10 12 – 10 13 Гц, так как время установления поляризации ничтожно мало по сравнению с периодом изменения этого поля. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи между ионами, и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле (рисунок 1.7, кривая 2).

Рисунок 1.7

1.2.5.2 Неупругие поляризации (релаксационные)

Дипольно-релаксационная поляризация. Дипольная поляризация наблюдается в полярных газообразных и жидких диэлектриках. Полярные диэлектрики построены из полярных молекул, в которых центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH 3 , пары воды и спиртов. Полярными жидкостями являются вода, хлорбензол C 6 H 5 Cl, нитробензол C 6 H 5 NO 2 . В электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки атомов – происходит электронная поляризация, также происходит и дипольная поляризация (дипольные моменты молекул ориентируются по полю). В твердых полярных диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков – звеньев, сегментов молекул или ориентация отдельных полярных групп молекул (рисунок 1.6).

Дипольно-релаксационная поляризация сводится к повороту (ориентации) в направлении электрического поля частиц полярного диэлектрика, имеющих постоянный дипольный момент. Такими частицами являются полярные молекулы (в полярных газах и жидкостях) и полярные радикалы (группы атомов и ионов в твёрдых полярных диэлектриках). Схематически этот процесс поляризации изображён на рисунке 1.8, на примере полярной молекулы.

Рисунок 8

В электрическом поле на заряды диполя будут действовать силы, равные по величине, но противоположно направленные (рисунок 1.8, а). Разложим каждую силу на 2 составляющие: вдоль и перпендикулярно оси диполя. Силы, действующие в направлении оси диполя, компенсируют друг друга, а силы, действующие перпендикулярно оси, вызывают вращающий момент М, который разворачивает полярную молекулу в электрическом поле

Так как мы рассматриваем изолированную полярную молекулу, то никаких препятствий для разворота её вдоль поля нет, и направление электрического момента её совпадает с направлением поля (рисунок 1.8, б). В реальном же диэлектрике полярные молекулы связаны друг с другом внутренними силами и в то же время находятся в непрерывном хаотическом движении, которое препятствует ориентации их вдоль поля. Поэтому полярные молекулы разворачиваются в диэлектрике на углы 0 < Θ < π. Поворот полярных частиц в направлении поля происходит замедленно 10 -12 -10 -2 , связан с затратами энергии и сопровождается её рассеиванием.

Если на полярный диэлектрик поле не воздействует, то в любой момент времени проекция электрического момента всех молекул на любое направление равна нулю. При воздействии электрического поля проекция электрического момента всех молекул на направление поля становится отличной от нуля, и диэлектрик приобретает поляризованность. После снятия электрического поля ориентация частиц постепенно ослабевает, система из неравновесного состояния, вызванного воздействием поля, переходит к более равновесному состоянию (рисунок 1.9). При этом поляризованность во времени изменяется в соответствии с формулой

,

где Р 0 - начальная поляризованность ориентированных частиц; τ- время, прошедшее после снятия поля; τ 0 - постоянная времени (время релаксации).

Рисунок 1.9 – Изменение поляризованности во времени

Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого поляризованность (упорядоченность) ориентированных полем диполей, после снятия поля, из-за теплового хаотического движения уменьшается в 2,7 раза от первоначального значения. При этом 37% диполей ещё сохраняет поляризованность. Время релаксации поляризации экспоненциально убывает с температурой

,

где τ 0 *- время релаксации при абсолютной температуре Т→∞.

При повышении температуры поляризованность частиц при дипольно-релаксационной поляризации, а следовательно, и диэлектрическая проницаемость, обусловленная ею, вследствие ослабления молекулярных сил (вязкость диэлектрика экспоненциально уменьшается), вначале растёт, достигает максимума, а затем, при достаточно высоких температурах, падает в связи с возрастающим дезориентирующим влиянием теплового движения (рисунок 1.10).

При воздействии на полярный диэлектрик переменного поля до тех пор, пока полярные частицы успевают следовать за изменением поля, частота не влияет на величину диэлектрической проницаемости. Начиная с некоторой критической частоты f р (частоты релаксации), полярные частицы, являющиеся инерционными, не успевают следовать за изменением поля, дипольно-релаксационная поляризация прекращается, и диэлектрическая проницаемость резко падает до величины, обусловленной электронной поляризацией (рисунок 1.11). Частота релаксации зависит от природы и структуры диэлектрика. При повышении температуры частота релаксации растёт из-за уменьшения молекулярных сил и вязкости.

Рисунок 1.10 Рисунок 1.11

Ионно-релаксационная поляризация. Этот вид поляризации наблюдается в ионных диэлектриках неорганического происхождения с неплотной упаковкой,например, в неорганических стёклах с рыхлой структурой и низким показателем преломления, и состоит в дополнительных (наряду с хаотическим тепловым движением) перебросах слабо связанных ионов под воздействием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие постоянную решётки. Эти перебросы ионов, совершаемые из одного равновесного состояния в другое, необратимы и сопровождаются заметным рассеиванием энергии.

Время установления ионно-релаксационной поляризации велико, колеблется в широких пределах у разных диэлектриков – от 10 -6 с до 1 минуты.

В таких диэлектриках возможно несколько релаксаторов-ионов с различной массой, имеющих из-за этого разные периоды релаксации. Поэтому с ростом частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость, обусловленная ионно-релаксационной поляризацией, постепенно уменьшается. При повышении температуры диэлектрическая проницаемость растёт из-за увеличения числа ионов, участвующих в этом виде поляризации.

Электронно-релаксационная поляризация. Этот вид поляризации возникает в некоторых диэлектриках с плотной структурой и высоким показателем преломления (например, в двуокиси титана, загрязнённой примесями). Возникает она из-за наличия в них слабо связанных электронов. В отсутствие электрического поля под влиянием теплового движения эти электроны совершают равновероятные перемещения вблизи дефекта, с которым они связаны, и не создают электрического момента. При наложении же электрического поля большинство таких электронов перемещается против поля на расстояние порядка одного или нескольких междуатомных расстояний. Это приводит к возникновению электрического момента в объёме диэлектрика и его поляризации. Так как эта поляризация устанавливается в течение некоторого времени, она называется электронно-релаксационной.

Спонтанная поляризация. Сегнетоэлектрики. Эта поляризация, возникающая самопроизвольно в определённом интервале температур, лежащих ниже температуры Θ к, называемой точкой Кюри. Выше точки Кюри наблюдается лишь электронная, ионная и ионно-релаксационная поляризация. Характерные для сегнетоэлектриков свойства впервые были обнаружены у сегнетовой соли, поэтому сегнетоэлектриками стали называть вещества, свойства которых подобны свойствам сегнетовой соли.

В сегнетоэлектриках даже в отсутствии электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение частиц – ионов в ионных кристаллах или полярных радикалов молекул, которое приводит к несовпадению положительного и отрицательного зарядов в объеме диэлектрика, то есть поляризации. Такая поляризация называется спонтанной (самопроизвольной). В диэлектрике образуются области - домены. В каждом домене частицы, обусловливающие самопроизвольную поляризацию, смещены в одном направлении. В этом же направлении ориентирован и вектор спонтанной поляризованности (P s) домена. В соседних доменах направление P s может быть противоположным или перпендикулярным (рисунок 1.12, а), (механизм поляризации на примере титаната бария будет рассмотрен ниже в разделе 2 свойства активных диэлектриков).

В электрическом поле в сегнетоэлектриках происходят упругие электронная поляризация и ионная поляризация, а также неупругая доменная. В процессе доменной поляризации векторы Р s доменов ориентируются по направлению электрического поля (рисунок 1.12, б). Переориентацией направлений Р s доменов объясняются характерные для сегнетоэлектриков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис и зависимость их диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рисунок 1.12, в,г). Поляризованность кристалла с ростом напряженности электрического поля увеличивается благодаря ориентации Р s доменов и достигает поляризованности насыщения. С уменьшением напряженности при Е = 0 наблюдается остаточная поляризованность, так как сохраняется ориентация доменов. Уменьшить поляризованность до нуля можно приложив к образцу электрическое поле напряженностью Е с, которое называется коэрцитивной силой.

Для сегнетоэлектриков характерны: большая диэлектрическая проницаемость (до нескольких тысяч) и ее сильная зависимость от температуры (рисунок 1.12, д). Увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации доменов. Поляризованность диэлектрика, вызванная доменной поляризацией, увеличивается, а диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения при температуре точки Кюри. Спонтанная поляризованность при температуре Кюри исчезает, сегнетоэлектрик теряет свои сегнетоэлектрические свойства и переходит в параэлектрическое состояние, при котором сохраняется нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

Рисунок 1.12

Миграционная поляризация. При миграционной поляризации происходит смещение свободных зарядов (положительных и отрицательных ионов и электронов) и их закрепление на дефектах и поверхностях раздела различных диэлектриков в диэлектрическом материале. Величина миграционной поляризации Р м

,

где N – количество положительных зарядов q, сместившихся на расстояние l относительно отрицательных зарядов в единице объема диэлектрика.

Миграционная поляризация чаще всего наблюдается в неоднородных диэлектриках, состоящих из частиц с различными диэлектрическими проницаемостями и проводимостями. В таких неоднородных диэлектриках свободные заряды могут собираться на поверхности раздела различных диэлектриков, приводя к частному виду миграционной поляризации, называемой межслойной.

Миграционная поляризация может возникать и в однородных диэлектриках, в которых свободные электрические заряды могут захватываться чужеродными ионами примесей, дислокациями и трещинами в различных частях объема диэлектрика.

Миграционная поляризация связана с появлением объемных зарядов в приэлектродных слоях или в самом диэлектрике при воздействии постоянного поля и с электропроводимостью диэлектрика. На образование этой поляризации затрачивается значительное время, измеряемое иногда десятками минут. Такая поляризация, как и другие замедленные виды поляризации, сопровождается потерями в диэлектрике.

1.2.6 Диэлектрические потери

При помещении любого вещества в электрическое поле с напряженностью Е в этом веществе наблюдается поглощение части энергии электрического поля. Поглощенная часть энергии превращается в тепловую, которая и является диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери обычно пропорциональны Е 2 .

Диэлектрическими потерями называется мощность, поглощаемая диэлектриком при воздействии на него электрического поля и вызывающая нагревание диэлектрика.

Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными поляризациями. Диэлектрические потери могут привести к увеличению удельной электропроводности вследствие миграции примесных и собственных ионов,а в полях высокой напряженности – к пробою. Возможны также потери, связанные с ионизацией газовых включений, которые могут вызвать ионизационный пробой.

Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь δ, тангегс угла диэлектрических потерь tg δ

и мощность потерь или активную мощность Р а.

Диэлектрические потери наблюдаются как в постоянном, так и в переменном поле.

В постоянном поле диэлектрические потери невелики. Они оцениваются сопротивлением изоляции,то есть током сквозной проводимости I ск, возникающим вследствие миграции свободных носителей заряда, и определяются выражением

,

где U – напряжение, а I ск - ток сквозной проводимости.

В общем случае, при включении на постоянное напряжение возникает ток, спадающий во времени

Ток смещения (емкостной ток) I с вызван смещением электронных оболочек в атомах, ионах и молекулах, т.е. процессом установления быстрых, упругих поляризаций, и спадает в течение 10 -15 -10 -16 с, поэтому не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции I абс обусловлен смещением связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызывает рассеяние энергии в диэлектрике и диэлектрические потери (рисунок 1.13, а).

Рисунок 1.13

Сквозной ток утечки I ск, вызванный перемещением свободных зарядов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем (если не происходит электроочистка диэлектрика или его старение, деградация) и вызывает потери аналогичные джоулевым потерям в проводниках. Следовательно, при постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т.е. в период включения.

Диэлектрические потери в переменном поле значительно выше, чем в постоянном поле.

Рассмотрим потери в переменном поле с частотой f = 2π·ω, напряжение которого изменяется синусоидально U(t) = U max ·Sinωt.

Общий ток, протекающий через диэлектрик, является суммой токов различной природы