ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «диэлектрик» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электростатическое поле. При помещении в электрическое поле любого вещества электроны и атомные ядра испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, создавая электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов (поляризация или электрическая проводимость) преобладает, вещества делят на диэлектрики (все неионизованные газы, некоторые жидкости и твёрдые тела) и проводники (металлы, электролиты, плазма).

Электрическая проводимость диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков 10 8 -10 17 Ом·см, металлов - 10 -6 -10 -4 Ом·см.

Количественное различие в электрической проводимости диэлектриков и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, в то время как в диэлектриках все электроны связаны (принадлежат отдельным атомам) и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их.

Квантовая теория твёрдого тела объясняет различие электрических свойств металлов и диэлектриков различным распределением электронов по энергетическим уровням. В диэлектриках верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (в металлах он лежит внутри разрешённой зоны), а ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной, преодолеть которую под действием не слишком сильных электрических полей электроны не могут (смотри Зонная теория). Действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, которое приводит к поляризации диэлектрика.

Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации диэлектриков зависят от характера химической связи, т. е. распределения электронной плотности в диэлектриках. В ионных кристаллах (например, NaCl) поляризация является результатом сдвига ионов относительно друг друга (ионная поляризация), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация), т. е. суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, алмаз), где электронная плотность равномерно распределена между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь. В так называемых полярных диэлектриках (например, твёрдый Н 2 S) группы атомов представляют собой электрические диполи, которые ориентированы хаотически в отсутствии электрического поля, а в поле приобретают преимущественную ориентацию. Такая ориентационная поляризация типична для многих жидкостей и газов. Похожий механизм поляризации связан с «перескоком» под действием электрического поля отдельных ионов из одних положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм наблюдается в веществах с водородной связью (например, лёд), где атомы водорода имеют несколько положений равновесия.

Поляризация диэлектриков характеризуется вектором поляризации Р, который представляет собой электрический дипольный момент единицы объёма диэлектрика:

где p i - дипольные моменты частиц (атомов, ионов, молекул), N - число частиц в единице объёма. Вектор Р зависит от напряжённости электрического поля Е. В слабых полях Ρ = ε 0 ϰΕ. Коэффициент пропорциональности ϰ называется диэлектрической восприимчивостью. Часто вместо вектора Р используют вектор электрической индукции (1)

где ε - диэлектрическая проницаемость, ε 0 - электрическая постоянная. Величины ϰ и ε - основные характеристики диэлектрика. В анизотропных диэлектриках (например, в некубических кристаллах) направление Р определяется не только направлением поля Е, но и направлением осей симметрии кристалла. Поэтому вектор Р будет составлять различные углы с вектором Е в зависимости от ориентации Е по отношению к осям симметрии кристалла. В этом случае вектор D будет определяться через вектор Е с помощью не одной величины ε, а нескольких (в общем случае шести), образующих тензор диэлектрической проницаемости.

Диэлектрики в переменном поле. Если поле Е изменяется во времени t, то поляризация диэлектрика не успевает следовать за ним, так как смещения зарядов не могут происходить мгновенно. Поскольку любое переменное поле можно представить в виде совокупности полей, меняющихся по гармоническому закону, то достаточно изучить поведение диэлектрика в поле Е = Е 0 sinωt, где ω - частота переменного поля, Е 0 - амплитуда напряжённости поля. Под действием этого поля D и Р будут колебаться тоже гармонически и с той же частотой. Однако между колебаниями Р и Е появляется разность фаз δ, что вызвано отставанием поляризации Р от поля Е. Гармонический закон можно представить в комплексном виде Е = Е 0 e iωt , тогда D = D 0 e iωt , причём D 0 = ε(ω)Ε 0 . Диэлектрическая проницаемость в этом случае является комплексной величиной: ε(ω) = ε’ + iε’’, ε’ и ε’’ зависят от частоты переменного электрического поля ω. Абсолютная величина

определяет амплитуду колебания D, а отношение ε’/ε" = tgδ - разность фаз между колебаниями D и Е. Величина δ называется углом диэлектрических потерь. В постоянном электрическом поле ω = 0, ε" = 0, ε’ = ε.

В переменных электрических полях высоких частот свойства диэлектрика характеризуются показателями преломления n и поглощения k (вместо ε’ и ε"). Первый равен отношению скоростей распространения электромагнитных волн в диэлектрике и в вакууме. Показатель поглощения k характеризует затухание электромагнитных волн в диэлектрике. Величины n, k, ε’ и ε" связаны соотношением (2)

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля. В ряде твёрдых диэлектриков (пироэлектриках, сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, электретах) поляризация может существовать и без электрического поля, т. е. может быть вызвана другими причинами. Так, в пироэлектриках заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. диэлектрик спонтанно поляризован. Однако поляризация в пироэлектриках проявляется только при изменении температуры, когда компенсирующие поляризацию электрические заряды не успевают перестроиться. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, спонтанная поляризация которых может существенно изменяться под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического поля). В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформации кристалла, что связано с особенностями их кристаллической структуры. Поляризация в отсутствии поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами.

Электрическая проводимость диэлектриков мала, но всегда отлична от нуля. Подвижными носителями заряда в диэлектриках могут быть электроны и ионы. В обычных условиях электронная проводимость диэлектриков мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость может быть обусловлена перемещением как собственных ионов, так и примесных. Возможность перемещения ионов по кристаллу связана с наличием дефектов в кристаллах. Если, например, в кристалле есть вакансия, то под действием поля соседний ион может занять её, во вновь образовавшуюся вакансию может перейти следующий ион и т. д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов происходит и в результате их перескоков по междоузлиям. С ростом температуры ионная проводимость возрастает. Заметный вклад в электрическую проводимость диэлектрика может вносить поверхностная проводимость (смотри Поверхностные явления).

Пробой диэлектриков. Плотность электрического тока j через диэлектрик пропорциональна напряжённости электрического поля Е (закон Ома): j = ςЕ, где ς - электрическая проводимость диэлектрика. Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом значении Е пр наступает электрический пробой диэлектрика. Величина Е пр называется электрической прочностью диэлектрика. При пробое почти весь ток течёт по узкому каналу (смотри Шнурование тока). В этом канале j достигает больших величин, что может привести к разрушению диэлектрика: образуется сквозное отверстие или диэлектрик проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции; например, в органических диэлектриках осаждается углерод, в ионных кристаллах - металл (металлизация канала) и т. п. Пробою способствуют всегда присутствующие в диэлектрике неоднородности, поскольку в местах неоднородностей поле Е может локально возрастать.

В твёрдых диэлектриках различают тепловой и электрический пробои. При тепловом пробое с ростом j растёт количество теплоты, выделяемое в диэлектрике, и, следовательно, температура диэлектрика, что приводит к увеличению числа носителей заряда n и уменьшению удельного электрического сопротивления ρ. При электрическом пробое с ростом поля возрастает генерация носителей заряда под действием поля и ρ тоже уменьшается.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает Е пр. Для чистых однородных жидких диэлектриков Е пр близка к Е пр твёрдых диэлектриков. Пробой в газе связан с ударной ионизацией и проявляется в виде электрического разряда.

Нелинейные свойства диэлектриков. Линейная зависимость Р = ε 0 ϰЕ справедлива только для полей Е, значительно меньших внутрикристаллических полей Е кр (Е кр порядка 10 8 В/см). Т.к. Е пр << Е кр, то в большинстве диэлектриков не удаётся наблюдать нелинейную зависимость Р(Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, в которых в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость Р(Е). При высоких частотах электрическая прочность диэлектрика повышается, поэтому нелинейные свойства любых диэлектриков проявляются в ВЧ-полях больших амплитуд. В частности, в луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённостью порядка 10 8 В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства диэлектрика, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная оптика).

Применение диэлектриков. Диэлектрики используются главным образом как электроизоляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразования механических сигналов (перемещений, деформаций, звуковых колебаний) в электрические и наоборот (смотри Пьезоэлектрический преобразователь); пироэлектрики - как тепловые детекторы различных излучений, особенно ИК-излучения; сегнетоэлектрики, будучи также пьезоэлектриками и пироэлектриками, применяются, кроме того, как конденсаторные материалы (из-за высокой диэлектрической проницаемости), а также как нелинейные элементы и элементы памяти в разнообразных устройствах. Большинство оптических материалов является диэлектриками.

Лит.: Фрелих Г. Теория диэлектриков. М., 1960; Хиппель А. Р. Диэлектрики и волны. М., 1960; Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М., 1966. Вып. 5: Электричество и магнетизм; Калашников С. Г. Электричество. 5-е изд. М., 1985.

А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.

Электрические свойства

К электрическим свойствам диэлектриков относят поляризацию, электропроводность, диэлектрические потери и пробой.

Поляризация диэлектриков. Диэлектрик, помещенный между электродами, к которым подводится электрическое напряжение, поляризуется.

Поляризация - это процесс, состоящий в ограниченном смеще­нии или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздей­ствии на него электрического поля.

В любом веществе, в том чис­ле и в диэлектрике, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических заря­дов всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под действием внешнего элект­рического поля связанные элек­трические заряды в диэлектри­ке смещаются со своих равно­весных положений: положитель­ные к отрица­тельному электроду, а отрица­тельные - в обратном (рис. 5.1).

У диэлектриков, содержащих дипольные молекулы, при поляризации наблю­дается ориентация диполей в электрическом поле. Поляри­зация приводит к образованию в каждом элементарном объеме ди­электрика dV индуцированного (наведенного) электрического мо­мента dp.

Степень поляризованности диэлектрика оценивается относитель­ной диэлектрической проницаемостью .Чем выше ее значение, тем сильнее поляризуется диэлектрик.

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение заряда конденсатора с данным диэлектриком к заряду 0 вакуумного конденсатора тех же размеров, той же кон­фигурации электродов, при том же напряжении:

где - заряд конденсатора, когда между обкладками находится ди­электрик; 0 - заряд конденсатора, в котором диэлектриком является вакуум; - заряд, обусловленный поляризацией.

Рис. 5.1.Схема расположения зарядов в поляризованном диэлектрике: 1- диэлектрик; 2- обкладки электродов; S – площадь каждой обкладки; h- расстояние между электродами (толщина слоя диэлектрика).

Таким образом

(37)

Диэлектрическая проницаемость является количественной харак­теристикой, она всегда больше единицы.

Когда между обкладками конденсатора находится вакуум,

где - диэлектрическая проницаемость вакуума.

Емкость конденсатора, в котором диэлектриком является ваку­ум, С 0 определяется по следующей формуле:

Емкость конденсатора тех же размеров с диэлектриком

где h - толщина диэлектрика, м.

Отсюда относительная диэлектрическая проницаемость:

Увеличение диэлектрической проницаемости свидетельствует о том, что емкость конденсатора с данным диэлектриком увеличива­ется по сравнению с емкостью конденсатора, между обкладками которого находится вакуум.

В зависимости от строения диэлектрика и его агрегатного со­стояния различают электронную, ионную, дипольную, миграцион­ную, спонтанную и резонансную поляризацию.

Электронная поляризация - это смещение электронных ор­бит относительно положительно заряженного ядра под действием внешнего электрического поля. Она устанавливается за очень ко­роткое время после наложения электрического поля и составляет с. При увеличении размеров атома электронная поля­ризуемость увеличивается.

Электронная поляризация происходит во всех атомах любого ве­щества и, следовательно, во всех диэлектриках независимо от нали­чия в них других видов поляризации. Для веществ ионного строения существенна электронная поляризуемость не атомов, а ионов.

Запаздывание в установлении статического равновесия переме­щающихся зарядов по отношению к электрическому полю называ­ется релаксационной поляризацией.

Электронно-релаксационная поляризация проявляется в матери­алах, имеющих дефекты в электронном строении.

Ионная поляризация - это смещение друг относительно друга из положения равновесия разноименно заряженных ионов на рассто­яние, меньшее постоянной кристаллической решетки, в веществах с ионными связями. Она устанавливается также за малое, но все же большее, чем при электронной поляризации, время с.

Ионная поляризация, как и электронная, не связана с потерями энергии и не зависит от частоты.

Ионно-релаксационная поляризация присуща ионным диэлект­рикам со сравнительно слабым закреплением структурных частиц (например, изоляторный фарфор, нагревостойкая керамика, щелоч­ные изоляционные стекла). Она сопровождается рассеиванием элек­трической энергии и зависит от температуры и частоты тока.

Дипольная поляризация заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля.

Поляризованность при дипольной поляризации уменьшается после снятия приложенного напряжения, т.е. имеет место дипольно-релаксационная поляризованность.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в тех­нических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений и слоев с различной проводимостью.

При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы начинают перемещаться (мигриро­вать) в пределах каждого включения и накапливаться на границах, образуя поляризованные области.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация на­блюдается у диэлектриков с доменным строением, когда до прило­жения внешнего электрического поля в таких материалах уже име­ются небольшие поляризованные области.

Внешнее поле ориентирует домены, векторы электрических мо­ментов которых ориентированы хаотично и скомпенсированы в объеме материала, и диэлектрик поляризуется.

При самопроизвольной поляризации наблюдаются большие ди­электрические потери и резко выраженная зависимость диэлектри­ческой проницаемости от температуры и напряженности электри­ческого поля. Диэлектрическая проницаемость при этом может до­стигать очень высоких значений (до 100 000).

Материалы, обладающие таким видом поляризации, называют­ся сегнетодиэлектриками (сегнетовая соль, титанат бария BaTiO2 , титанат стронция SrTiO3 и др.).

Резонансная поляризация проявляется в области сверхвы­соких частот у газов и твердых диэлектриков с дефектами в крис­таллической структуре.

В зависимости от механизма поляризации все диэлектрики мож­но разделить на полярные и неполярные.

Полярные диэлектрики составляют группу материалов, со­держащих постоянные электрические диполи, которые способны к переориентации во внешнем электрическом поле.

В полярных диэлектриках наблюдается электронная и дипольно-релаксационная поляризация. Они имеют худшие электрические свойства по сравнению с неполярными диэлектриками и применяются в качестве электроизоляционных материалов в области низких частот.

Полярными являются поливинилхлорид, эпоксидные смолы, фторопласт – 3, органическое стекло и др.

Неполярные диэлектрики составляют группу материалов, не содержащих диэлектрические диполи, которые способны к пере­ориентации во внешнем электрическом поле.

В неполярных диэлектриках наблюдается в основном электрон­ная поляризация. Они применяются как высококачественные элек­троизоляционные материалы в технике высоких и сверхвысоких частот.

Неполярными являются воздух, полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, бензол и др.

Электропроводность диэлектриков. Диэлектрические материалы обладают некоторой электропроводностью, которая связана с на­правленным перемещением заряженных частиц (электронов, ионов, молионов).

Электропроводность диэлектриков в большинстве случаев но­сит ионный характер, т.е. носителями зарядов являются ионы.

Электропроводность диэлектриков оценивается удельным элек­трическим сопротивлением постоянному току, Ом*м,

где у - удельная электрическая проводимость, См/м.

При включении диэлектрика в цепь постоянного напряжения происходит резкий скачок тока, а затем уменьшение его до посто­янного значения. Это постоянное значение называется током сквоз­ной проводимости I ск.

Спадающий во времени ток, обусловленный перераспределением свободных зарядов, принято называть абсорбционным I аб.

Ток, сопутствующий электронной и ионной поляризации, назы­вают током смещения; его мгновенное значение обозначают I см .

Таким образом, ток, проходящий через диэлектрик, представля­ет собой сумму токов смещения I см , абсорбции I аб и сквозного I ск.

I = I см + I аб + I ск (43)

Так как абсорбционный ток быстро затухает, электропровод­ность изолирующих материалов при постоянном напряжении оп­ределяется по сквозному току:

где I ск = I – I см – I аб - ток сквозной проводимости; I - общий ток, A;

U- приложенное напряжение, В.

При определении электропроводности диэлектрика необходи­мо измерять ток, когда I см + I аб = 0

В зависимости от конструкции электротехнических изделий при­нято различать удельное объемное электрическое сопротивлениеи удельное поверхностное электрическое сопротивление.

Удельное объемное электрическое сопротив­ление рv определяет свойства изоляции, когда основные утечки тока происходят через объем материала, например в экранирован­ном электрическом проводе.

Удельное объемное электрическое сопротивление рv , численно равно сопротивлению образца материалов в виде кубика с ребром единичных размеров, когда напряжение прикладывается к двум его противоположным граням. Для плоских образцов:

, (Ом*м) (45)

где RV - объемное сопротивление образца постоянному току. Ом; S- площадь элект­родов, контактирующих с испытуемым образцом, м 2 ; b - толщина образцов, м.

Удельное поверхностное электрическое сопро­тивление р s является важнейшей характеристикой при оценке изо­ляционных материалов в таких деталях, как линейные изоляторы.

Удельное поверхностное сопротивление р s численно равно со­противлению образца материала в виде квадрата со стороной еди­ничных размеров при прохождении тока через две его противопо­ложные стороны:

, (Ом*м) (46)

где R - поверхностное сопротивление материала образца, находящегося между электродами, Ом; / - длина электродов; h - расстояние между электродами, м.

Удельное объемное и поверхностное электрические сопротивле­ния р твердых диэлектриков зависят от температуры, влажности и величины приложенного напряжения.

Электропроводность многих изоляционных материалов зависит не только от строения и химического состава, но и от технологии их изготовления.

Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков оп­ределяется наличием в их строении адсорбированных водно-кол­лоидных пленок. По отношению к воде изоляционные материалы делятся на не смачиваемые и смачиваемые. К не смачиваемым материалам относятся, например, воски, янтарь, полистирол и др. Их поверхностная проводимость мала и не зависит от влажности воз­духа. К смачиваемым материалам относятся электроизоляцион­ные стекла, мрамор, бумага, многие виды пластмасс. Электропро­водность у них зависит от влажности окружающей среды.

Диэлектрические потери. Диэлектрические потери связаны со сложными явлениями, которые происходят в материале при воз­действии на него электрического поля. Они проявляются на посто­янном и переменном токе. Однако качество диэлектрика на посто­янном токе обычно характеризуется не диэлектрическими потеря­ми, а удельным объемным и поверхностным сопротивлениями.

При воздействии электрического поля на любое вещество часть потребляемой им электрической энергии превращается в тепловую и рассеивается.

Рассеянную часть поглощенной диэлектриком электрической энергии называют диэлектрическими потерями.

Рис. 5.2. Векторная диаграмма плотности тока в диэлектрике:

Угол сдвига суммарного тока относительно тока идеального диэлектрика; у - угол сдвига фаз между током и напряжением;

Jсм - плотность тока смещения;

Jпр - плотность тока проводи­мости; J - плотность общего тока

В диэлектрике, помещенном в пе­ременное электрическое поле с напря­женностью Е и угловой частотой , возникают ток смещения и ток прово­димости (рис. 5.2). Угол между век­торами плотности переменного тока диэлектрика J и тока смещения J на комплексной плоскости называют уг­лом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла является одним из важней­ших параметров не только диэлектри­ков, но также конденсаторов, изоля­торов и других электроизоляционных материалов. Тангенс угла диэлектри­ческих потерь определяет активную мощность, которая теряется в диэлек­трике, работающем под переменным напряжением. Он выражается отноше­нием плотности тока проводимости J пр к плотности тока смещения J см :

Введение безразмерного параметра удобно потому, что он не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь свойствами диэлектрического материала.

Чем выше тангенс угла диэлектрических потерь ,тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и на­пряжения.

Пробой. Явление образования в диэлектрике проводящего кана­ла под действием электрического" поля называют пробоем.

Если проводящий канал проходит от одного электрода к друго­му и замыкает их, происходит полный пробой.

Если проводящий канал не достигает хотя бы одного из элект­родов, происходит неполный пробой.

При частичном пробое пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика.

У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему возможен про­бой по поверхности, такой пробой называют поверхностным.

Минимальное напряжение, приводящее к пробою диэлектрика, называют пробивным напряжением Uпр. Пробивное напряжение Uпр растет с увеличением толщины диэлектрика h. Для характеристики способности материала противостоять разрушению в электричес­ком поле используют напряженность электрического поля, при ко­торой происходит пробой, мВ/м,

где Uпр – величина положительного к диэлектрику напряжения, при котором произошел пробой, кВ; h- толщина материала в месте пробоя, м.

Напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою, называют электрической прочностью.

Механизмы пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков имеют существенные различия.

Контрольные вопросы:

1. На какие группы можно разделить диэлектрики по назначению, по агрегатному состоянию, по химической основе?

2. Что из себя представляет поляризация диэлектрика?

3. Чем оценивается степень поляризованности диэлектрика?

4. Как определить относительную диэлектрическую проницаемость через заряд и емкость конденсатора?

5. Перечислить виды поляризации. В чем их суть?

6. Как определяется объемная и поверхностная проводимость диэлектрика?

7. Что такое диэлектрические потери?

8. Что такое ток абсорбции, ток смещения, сквозной ток диэлектрика?

9. Чему равен тангенс угла диэлектрических потерь?

10. Что такое диэлектрическая прочность?

Лекция 1.3.1. Поляризация диэлектриков

Диэлектрические материалы

Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. Это широкий класс электротехнических материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и интетических, органических, неорганических и элементоорганических. По выполняемым функциям они делятся на пассивные и активные. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов. В активных диэлектриках (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), электрические свойства зависят от управляющих сигналов, способных изменять характеристики электротехнических устройств и приборов.

По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из неполярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные диэлектрики состоят из несимметричных молекул (диполей). Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом – р.

В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивается в виде тепла. Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики.

Основные электрические свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 3.

Таблица 3 - Электрические свойства диэлектриков и их характеристики

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние.

Различают два вида поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без выделения энергии рассеяния, т.е. без выделения тепла, за время 10 -15 – 10 -13 с; поляризация не совершается мгновенно, а нарастает или убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревает - это релаксационная поляризация за время от 10 -8 до 10 2 с.

К первому виду относятся электронная и ионная поляризации.

Электронная поляризация (C э, Q э) – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за время 10 -15 с. Наблюдается такая поляризация для всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n 2 .

Ионная поляризация (C и, Q и) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10 -13 с. С повышением температуры смещение усиливается и в результате ослабления упругих сил между ионами, а температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.

Ко второму виду относят все релаксационные поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация (C др, r др, Q др) связана с тепловым движением диполей при полярной связи между молекулами. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, выделения энергии в виде тепла (r др). Время релаксации здесь порядка 10 -8 – 10 -6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация (C ир, r ир, Q ир) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений получают избыточные набросы в направлении поля и смещаются по силовой линии его. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации, энергия активации и частота собственных колебаний происходит в течение 10 -6 – 10 -4 с и связано законом

где f – частота собственных колебаний частиц; v - энергия активации; k –постоянная Больцмана (8,63 10 -5 ЭВ/град); T – абсолютная температура по К 0 .

Электронно - релаксационная поляризация (C эр, r эр, Q эр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10 -8 – 10 -6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, Са+2, Ва+2, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах наличие максимума в температурной зависимости e (диэлектрической проницаемости). e для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты.

Структурные поляризации различают:

Миграционная поляризация (C м, r м, Q м) протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 10 2 с.Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в при электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации. Для сегнетоэлектриков различают спонтанную или самопроизвольную поляризацию,(C сп, r сп, Q сп), когда идет значительное рассеяние энергии или выделение тепла за счет доменов (отдельные области, вращающихся электронных оболочек) , смещающихся в электрическом поле, т. е. еще в отсутствии электрического поля в веществе есть электрические моменты, а при некоторой напряженности внешнего поля наступает насыщение и наблюдается возрастание поляризации.

Классификация диэлектриков по виду поляризации.

Первая группа – диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенной поляризациями. Структура таких материалов состоит из нейтральных молекул, может быть слабополярной и характерна для твердых кристаллических и аморфных материалов таких, как парафин, сера, полистирол, а также жидкие и газообразные материалы как бензол водород и др.

Вторая группа – диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями – это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества как маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и т.п. материалы.

Третья группа – диэлектрики твердые неорганические, которые делятся на две подгруппы, отличающиеся по электрическим характеристикам – а) диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями, такие как кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил; б) диэлектрики с электронной и ионной релаксационными поляризациями – это стекла, материалы со стекловидной фазой (фарфор, микалекс и т.п.) и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов.

Четвертая группа – это диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенными и структурной поляризациями, что свойственно многим позиционным, сложным, слоистым и сегнетоэлектрикам материалам.

5.8.2. Жидкие диэлектрики

Подразделяются на 3 группы:

1) нефтяные масла;

2) синтетические жидкости;

3) растительные масла.

Жидкие диэлектрики используют для пропитки кабелей высокого напряжения, конденсаторов, для заливки трансформаторов, выключателей и вводов. Кроме этого они выполняют функции теплоносителя в трансформаторах, дугогасителя в выключателях и др.

Нефтяные масла

Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов парафинового (С n Н 2 n+ 2 ) и нафтенового (С n Н 2 n ) рядов. Они широко применяются в электротехнике в качестве трансформаторного, кабельного и конденсаторного масел. Масло, заполняя промежутки и поры внутри электротехнических установок и изделий, повышает электрическую прочность изоляции и улучшает теплоотвод от изделий.

Трансформаторное масло получают из нефти путем перегонки. Электрические свойства трансформаторного масла в значительной степени зависят от качества очистки масла от примесей, содержания в нем воды и степени обезгаживания . Диэлектрическая проницаемость масла 2,2, удельное электрическое сопротивление 10 13 Ом· м .

Назначение трансформаторных масел – повышать электрическую прочность изоляции; отводить тепло; способствовать дугогашению в масляных выключателях, улучшать качество электроизоляции в электротехнических изделиях: реостатах, бумажных конденсаторах, кабелях с бумажной изоляцией, силовых кабелях - путем заливки и пропитки.

Трансформаторное масло в процессе эксплуатации стареет, что ухудшает его качество. Старению масла способствуют: контакт масла с воздухом, повышенные температуры, соприкосновение с металлами (Сu , Рb , Fе ), воздействие света. Для увеличения срока службы масло регенерируют очисткой и удалением продуктов старения, добавлением ингибиторов.

Кабельное и конденсаторное масла отличаются от трансформаторного более высоким качеством очистки.

Синтетические жидкие диэлектрики

Синтетические жидкие диэлектрики по некоторым свойствам превосходят нефтяные электроизоляционные масла.

Хлорированные углеводороды

Совол – пентахлордифенил С 6 Н 2 Сl 3 – С 6 Н 3 Сl 2 , получают при хлорировании дифенила С 12 Н 10

С 6 Н 5 – С 6 Н 5 + 5 Сl 2 → С 6 Н 2 Сl 3 – С 6 Н 3 Сl 2 + 5 НСl

Совол применяется для пропитки и заливки конденсаторов. Обладает более высокой по сравнению с нефтяными маслами диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость совола 5,0, удельное электрическое сопротивление 10 11 ¸ 10 12 Ом · м.Применяется совол для пропитки бумажных силовых и радиоконденсаторов с повышенной удельной емкостью и невысоким рабочим напряжением.

Совтол – смесь совола с трихлорбензолом . Используется для изоляции взрывобезопасных трансформаторов.

Кремнийорганические жидкости

Наибольшее распространение имеют полидиметилсилоксановые , полидиэтилсилоксановые , полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Полисилоксановые жидкости – жидкие кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны ), обладают такими ценными свойствами как: высокая нагревостойкость , химическая инертность, низкая гигроскопичность, низкая температура застывания, высокие электрические характеристики в широком интервале частот и температур.

Жидкие полиорганосилоксаны представляют собой полимерные соединения с низкой степенью полимеризации, молекулы которых содержат силоксанную группировку атомов

,

где атомы кремния связаны с органическими радикалами R : метилом CH 3 , этилом C 2 H 5 , фенилом C 6 H 5 . Молекулы полиорганосилоксановых жидкостей могут иметь линейную, линейно-разветвленную и циклическую структуру.

Жидкие полиметилсилоксаны получают при гидролизе диметилдихлорсилана в смеси с триметилхлорсиланом .

Образующиеся жидкости бесцветны, растворяются в ароматических углеводородах, дихлорэтане и ряде других органических растворителей, не растворяются в спиртах и ацетоне. Полиметилсилоксаны химически инертны, не оказывают агрессивного действия на металлы и не взаимодействуют с большинством органических диэлектриков и резин. Диэлектрическая проницаемость 2,0 ¸ 2,8, удельное электрическое сопротивление 10 12 Ом · м , электрическая прочность 12 ¸ 20 МВ/м

Формула полидиметилсилоксан а имеет вид

– Si (СН 3 ) 3 – О – [ Si (СН 3 ) 2 – О ] n – Si (СН 3 ) = О

Жидкие кремнийорганические полимеры находят применение как:

Полидиэтилсилоксаны – получают при гидролизе диэтилдихлорсилана и триэтилхлорсилана . Имеют широкий интервал температур кипения. Строение выражается формулой:

Свойства зависят от температуры кипения. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана .

Жидкие полиметилфенилсилоксаны имеют строение, выражаемое формулой

Получают гидролизом фенилметилдихлорсиланов и др. Масло вязкое. После обработки NаОН вязкость повышается в 3 раза. Выдерживает нагрев в течение 1000 час до 250 °С. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана .

При γ – облучении вязкость кремнийорганических жидкостей сильно возрастает, а диэлектрические характеристики резко ухудшаются. При большой дозе облучения жидкостипревращаются в каучукоподобную массу, а затем в твердое хрупкое тело.

Фторорганические жидкости

Фторорганические жидкости – С 8 F 16 – негорючи и взрывобезопасны, высоконагревостойки (200 °С), обладают малой гигроскопичностью. Пары их имеют высокую электрическую прочность. Жидкости имеют низкую вязкость, летучи. Обладают лучшим теплоотводом , чем нефтяные масла и кремнийорганические жидкости. –) n ,

представляет собой неполярный полимер линейной структуры. Получается полимеризацией газа этилена С 2 Н 4 при высоком давлении (до 300 МПа), либо при низком (до 0,6 МПа). Молекулярная масса полиэтилена высокого давления – 18000 – 40000, низкого – 60000 – 800000.

Молекулы полиэтилена обладают способностью образовывать участки материала с упорядоченным расположением цепей (кристаллитов), поэтому полиэтилен состоит из двух фаз (кристаллической и аморфной), соотношение которых определяет его механические и тепловые свойства. Аморфная придает материалу эластичные свойства, а кристаллическая – жесткость. Аморфная фаза имеет температуру стеклования +80 °С. Кристаллическая фаза обладает более высокой нагревостойкостью .

Агрегаты молекул полиэтилена кристаллической фазы представляют собой сферолиты с орторомбической структурой. Содержание кристаллической фазы (до 90 %) в полиэтилене низкого давления выше, чем в полиэтилене высокого давления (до 60 %). Благодаря высокой кристалличности полиэтилен низкого давления имеет более высокую температуру плавления (120 -125 °С) и более высокую прочность при растяжении. Структура полиэтилена в значительной степени зависит от режима охлаждения. При его быстром охлаждении образуются мелкие сферолиты, при медленном охлаждении – крупные. Быстро охлажденный полиэтилен отличается большой гибкостью и меньшей твердостью.

Свойства полиэтилена зависят от молекулярного веса, чистоты, посторонних примесей. Механические свойства зависят от степени полимеризации. Полиэтилен обладает большой химической стойкостью. Как электроизоляционный материал широко применяется в кабельной промышленности и в производстве изолированных проводов.

В настоящее время изготовляются следующие виды полиэтилена и полиэтиленовых изделий:

1. полиэтилен низкого и высокого давления - (н.д.) и (в.д.);

2. полиэтилен низкого давления для кабельной промышленности;

3. полиэтилен низкомолекулярный высокого или среднего давления;

4. пористый полиэтилен;

5. полиэтиленовый специальный шланговый пластикат;

6. полиэтилен для производства ВЧ кабеля;

7. электропроводящий полиэтилен для кабельной промышленности;

8. полиэтилен, наполненный сажей;

9. хлорсульфированный полиэтилен;

10. пленка полиэтиленовая.

Фторопласты

Существует несколько видов фторуглеродных полимеров, которые могут быть полярными и неполярными.

Рассмотрим свойства продукта реакции полимеризации газа тетрафторэтилена

(F 2 С = СF 2 ).

Фторопласт – 4 (политетрафторэтилен) – рыхлый порошок белого цвета. Структура молекул имеет вид

Молекулы фторопласта имеют симметричное строение. Поэтому фторопласт является неполярным диэлектриком

Симметричность молекулы и высокая чистота обеспечивают высокий уровень электрических характеристик. Большая энергия связи между С и F придает ему высокую холодостойкость и нагревостойкость . Радиодетали из него могут работать от-195 ÷ +250°С. Негорюч , химически стоек, негигроскопичен, обладает гидрофобностью, не поражается плесенью. Удельное электрическое сопротивление составляет 10 15 ¸ 10 18 Ом · м , диэлектрическая проницаемость 1,9 ¸ 2,2, электрическая прочность 20 ¸ 30 МВ/м

Радиодетали изготавливают из порошка фторопласта холодным прессованием. Отпрессованные изделия спекают в печах при 360 - 380°С. При быстром охлаждении изделия получаются закаленными с высокой механической прочностью. При медленном охлаждении – незакаленные. Они легче обрабатываются, менее тверды, имеют высокий уровень электрических характеристик. При нагреве деталей до 370° из кристаллического состояния переходят в аморфное и приобретают прозрачность. Термическое разложение материала начинается при > 400°. При этом образуется токсичный фтор.

Недостаток фторопласта – его текучесть под действием механической нагрузки. Имеет низкую стойкость к радиации и трудоемок при переработке в изделия. Один из лучших диэлектриков для техники ВЧ и СВЧ. Изготовляют электро - и радиотехнические изделия в виде пластин, дисков, колец, цилиндров. Изолируют ВЧ кабели тонкой пленкой, уплотняющиеся при усадке.

Фторопласт можно модифицировать, применяя наполнители – стекловолокно, нитрид бора, сажу и др., что дает возможность получать материалы с новыми свойствами и улучшить имеющиеся свойства.

низкочастотными. В качестве высокочастотныхиспользуются неполярные диэлектрики.

3.1. Основные электрические свойства диэлектриков

Основные электрические свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 12.

Таблица 12

Электрические свойства диэлектриков и их характеристики

		Свойство	Характеристика	Обозначение
		Поляризация	Относительная диэлек-
			трическая проницаемость
		Электропроводность	Удельное электрическое	ρ , Ом м
			сопротивление
		Диэлектрические	Тангенс угла диэлектриче-	tgδ
			ских потерь
		Электрическая проч-	Пробивная напряженность	Епр , МВ/м

3.1.1. Поляризация диэлектриков

Поляризация - это упругое смещение связанных зарядов или ориентация молекул диэлектрика в электрическом поле. Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектрика связанных электрических зарядов.

Способность диэлектрика к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью

где С - емкость конденсатора с диэлектриком;С 0 - емкость конденсатора без диэлектрика (в вакууме).

Различают следующие виды поляризации:

электронная поляризация - упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов под действием внешнего поля (рис. 13,а). Она свойственна всем веществам, но играет определяющую роль в неполярных диэлектриках (газообразных,

жидких и твердых). Такая поляризация протекает почти мгновенно (τ = 10-15 с), без потерь энергии, ее величина не зависит от частоты поля;

Рис. 13. Схема возникновения поляризации: а - электронной, б - ионной, в - ди-

польно-релаксационной, г - спонтанной (самопроизвольной)

ионная поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов в пределах межатомного расстояния (рис. 13,б). Она характерна для веществ с ионным строением, время поляризации невелико (τ = 10-13 с), происходит практически без потерь энергии;

дипольно-релаксационная поляризациязаключается в ори-

ентации дипольных молекул под действием сил поля (рис. 13,в).

Она присуща полярным диэлектрикам, протекает во времени (τ = 10-2 с) и сопровождается потерями энергии;

самопроизвольная (спонтанная) поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков. Это вещества, состоящие из наэлектризованных областей - доменов, обладающих электрическим моментом. В отсутствие внешнего поля домены расположены произвольно, и суммарный момент равен нулю. Во внешнем поле происходит переориентация доменов и создается эффект сильной поляризации (рис. 13,г): относительная диэлектриче-

ская проницаемость достигает ε = 105 .

Влияние температуры на поляризацию диэлектриков

Изменение относительной диэлектрической проницаемости при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом

αε =
	ε dT

При электронной поляризации относительная диэлектрическая проницаемость несколько уменьшается с повышением температуры вследствие уменьшения плотности вещества (αε <0) (кривая 1 на рис. 14). При ионной поляризации ε с увеличением температуры несколько повышается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении (αε >0) (кривая 2 на рис. 14). Дипольнорелаксационная поляризация сильно зависит от температуры среды. С увеличением температуры силы межмолекулярного взаимодействия ослабевают, и дипольные молекулы легче ориентируются во внешнем поле - ε растет. При дальнейшем повышении температуры интенсивное тепловое движение молекул ослабляет ориентирующее влияние поля - ε уменьшается (кривая 3 на рис. 14). При самопроизвольной поляризации ее величина растет до определенной температуры (Т к - точка Кюри), выше которой сегнотоэлектрик теряет свои специфические свойства (кривая 4 на рис. 14).

Рис. 14. Температурные зависимости относительной диэлектрической прони-

цаемости при поляризации: 1 - электронной, 2 - ионной, 3 - дипольнорелаксационной, 4 - спонтанной

Влияние напряженности электрического поля на поляризацию диэлектриков

По влиянию напряженности электрического поля на относительную диэлектрическую проницаемость различают диэлектрики линейные и нелинейные. Емкость конденсатора с линейным диэлектриком зависит только от его геометрических размеров, и ε не зависит от напряженности внешнего поля (рис. 15,а).

К линейным диэлектрикам относится подавляющее число диэлектриков:

неполярные диэлектрики с электронной поляризацией - газы, жидкости, твердые вещества кристаллические и аморфные (бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.);

полярные диэлектрики с дипольно-релаксационной и электронной поляризацией - органические жидкие и твердые вещества (хлорированные углеводороды, большинство органических соединений на основе полимеров и др.);

неорганические ионные соединения с ионной и электронной поляризацией - кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, корунд - Al 2 O3 , рутил - TiO2 и др.);