Чем объясняется изолирующее свойство диэлектриков

Новый документ в формате RTF (2)

Диэлектри́ческая проница́емость среды — физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая зависимостьэлектрической индукции от напряжённости электрического поля.

Определяется эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды).

Различают относительную и абсолютную диэлектрические проницаемости.

Относительная диэлектрическая проницаемость ε является безразмерной и показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Эта величина для воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постояннаяводы в статическом поле достаточно высока — около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость в зарубежной литературе обозначается буквой ε, в отечественной преимущественно используется сочетание , где — электрическая постоянная. Абсолютная диэлектрическая проницаемость используется только в Международной системе единиц (СИ), в которой индукция и напряжённость электрического поля измеряются в различных единицах. В системе СГС необходимость в введении абсолютной диэлектрической проницаемости отсутствует. Абсолютная диэлектрическая постоянная (как и электрическая постоянная) имеет размерность L −3 M −1 T 4 I². В единицах Международной системы единиц (СИ): []=Ф/м.

Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость в значительной степени зависит от частоты электромагнитного поля. Это следует всегда учитывать, поскольку таблицы справочников обычно содержат данные для статического поля или малых частот вплоть до нескольких единиц кГц без указания данного факта. В то же время существуют и оптические методы получения относительной диэлектрической проницаемости по коэффициенту преломления при помощи эллипсометров и рефрактометров. Полученное оптическим методом (частота 10 14 Гц) значение будет значительно отличаться от данных в таблицах.

Рассмотрим, например, случай воды. В случае статического поля (частота равна нулю), относительная диэлектрическая проницаемость при нормальных условияхприблизительно равна 80. Это имеет место вплоть до инфракрасных частот. Начиная примерно с 2 ГГц ε_r начинает падать. В оптическом диапазоне ε_r составляет приблизительно 1,8. Это вполне соответствует факту, что в оптическом диапазоне показатель преломления воды равен 1,33. [1] В узком диапазоне частот, называемом оптическим, диэлектрическое поглощение падает до нуля, что собственно и обеспечивает человеку механизм зрения [ источник не указан 1252 дня ] в земной атмосфере, насыщенной водяным паром. С дальнейшим ростом частоты свойства среды вновь меняются. О поведении относительной диэлектрической проницаемости воды в диапазоне частот от 0 до 10 12 (инфракрасная область) можно прочитать на [1] (англ.)

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов. Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.

Ёмкость конденсаторов определяется:

где ε_r — диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε_о — электрическая постоянная, S — площадь обкладок конденсатора, d — расстояние между обкладками.

Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат. Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивлениепроводников на плате.

УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ электрическое, физическая величина , равная электрическому сопротивлению (см.СОПРОТИВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ) R цилиндрического проводника единичной длины (l = 1м) и единичной площади поперечного сечения (S =1 м 2 ).. r = R S/l. В Си единицей удельного сопротивления является Ом . м. Удельное сопротивление могут выражать также в Ом . см. Удельное сопротивление является характеристикой материала, по которому протекает ток, и зависит от материала, из которого он изготовлен. Удельное сопротивление, равное r = 1 Ом . м означает, что цилиндрический проводник, изготовленный из данного материала, длиной l = 1м и с площадью поперечного сечения S = 1 м 2 имеет сопротивление R = 1 Ом . м. Величина удельного сопротивления металлов (см. МЕТАЛЛЫ), являющихся хорошими проводниками (см. ПРОВОДНИКИ), может иметь значения порядка 10 — 8 – 10 — 6 Ом . м (например, медь, серебро, железо и т. д.). Удельное сопротивление некоторых твердых диэлектриков (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) может достигать значения 10 16 -10 18 Ом.м (например, кварцевое стекло, полиэтилен, электрофарфор и др.). Величина удельного сопротивления многих материалов (особенного полупроводниковых материалов (см.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ)) существенно зависит от степени их очистки, наличия легирующих добавок, термических и механических обработок и т. д. Величина s, обратная удельному сопротивлению , называется удельной проводимостью: s = 1/r Удельная проводимость измеряется в сименсах (см. СИМЕНС (единица проводимости)) на метр См/м. Удельное электрическое сопротивление (проводимость) является скалярной величиной для изотропного вещества; и тензорной — для анизотропного вещества. В анизотропным монокристаллах анизотропия электропроводности является следствием анизотропии обратной эффективной массы (см. ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА) электронов и дырок.

1-6. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ

При включении изоляции кабеля или провода на постоянное напряжение U через нее проходит ток i, изменяющийся во времени (рис. 1-3). Этот ток имеет постоянные составляющие — ток проводимости (i _∞ ) и ток абсорбции, где γ — проводимость, соответствующая току абсорбции; Т — время, в течение которого ток i _абс спадает до 1/e своего первоначального значения. При бесконечно большом времени i _абс →0 и i = i _∞ . Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них некоторого количества свободных заряженных частиц: ионов и электронов.

Наиболее характерна для большей части электроизоляционных материалов ионная электропроводность, которая возможна за счет неизбежно присутствующих в изоляции загрязнений (примеси влаги, солей, щелочей и т. п.). У диэлектрика с ионным характером электропроводности строго соблюдается закон Фарадея — пропорциональность между количеством прошедшего через изоляцию электричества и количеством выделившегося при электролизе вещества.

При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов уменьшается и характеризуется формулой

где_ρ _о , А и В — постоянные для данного материала; Т- температура, °К.

Большая зависимость сопротивления изоляции от влаги имеет место у гигроскопичных изоляционных материалов, главным образом волокнистых (бумага, хлопчатобумажная пряжа и др.). Поэтому волокнистые материалы подвергаются сушке и пропитке, а также защите влагостойкими оболочками.

Сопротивление изоляции может уменьшаться с повышением напряжения за счет образования в изоляционных материалах объемных зарядов. Создающаяся при этом добавочная электронная проводимость приводит к увеличению электропроводности. Существует зависимость проводимости от напряжения в очень сильных полях (закон Я. И. Френкеля):

где γ _о — проводимость в слабых полях; а — постоянная. Все электроизоляционные материалы характеризуются определенными значениями проводимости изоляции G. В идеале проводимость изоляционных материалов равна нулю. У реальных изоляционных материалов проводимость на единицу длины кабеля определяют по формуле

В кабелях, имеющих сопротивление изоляции более , 3-10 11 ом-м и кабелях связи, где потери на диэлектрическую поляризацию значительно больше тепловых потерь, проводимость определяют по формуле

Проводимость изоляции в технике связи является электрическим параметром линии, характеризующим потери энергии в изоляции жил кабелей. Зависимость величины проводимости от частоты приведена на рис. 1-1. Величина, обратная проводимости — сопротивление изоляции, представляет собой отношение приложенного к изоляции напряжения постоянного тока (в вольтах) к току утечки (в амперах), т. е.

где R _V — объемное сопротивление изоляции, численно определяющее препятствие, создаваемое прохождению тока в толще изоляции; R _S — поверхностное сопротивление, определяющее препятствие прохождению тока по поверхности изоляции.

Практической оценкой качества применяемых изоляционных материалов является удельное объемное сопротивление ρ _V выражаемое в омо-сантиметрах (ом*см). Численно ρ _V равно сопротивлению (в омах) куба с ребром 1 см из данного материала, если ток проходит через две противоположные грани куба. Удельное поверхностное сопротивление ρ _S численно равно сопротивлению поверхности квадрата (в омах), если ток подводится к электродам, ограничивающим две противоположные стороны этого квадрата.

Сопротивление изоляции одножильного кабеля или провода определяют по формуле

Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной поляризации. Абсорбционные токи при постоянном напряжении протекают в диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают в течение всего времени нахождения диэлектрика в электрическом поле.

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.

Тепловые свойства диэлектриков

Для характеристики тепловых свойств диэлектриков используются следующие величины.

Нагревостойкость – способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них выдерживать воздействие высокой температуры и резких смен температуры. Определяют по температуре, при которой наблюдается существенное изменение механических и электрических свойств, например, в органических диэлектриках начинается деформация растяжения или изгиба под нагрузкой.

Теплопроводность – процесс передачи тепла в материале. Характеризуется экспериментально определяемым коэффициентом теплопроводности λ_т. λ_т – количество теплоты, переданной за одну секунду через слой материала толщиной в 1 м и площадью поверхности – 1 м 2 при разности температур поверхностей слоя в 1 °К. Коэффициент теплопроводности диэлектриков изменяется в широких пределах. Самые низкие значения λ_т имеют газы, пористые диэлектрики и жидкости (для воздуха λ_т = 0,025 Вт/(м·К), для водыλ_т = 0,58 Вт/(м·К)), высокие значения имеют кристаллические диэлектрики (для кристаллического кварца λ_т = 12,5 Вт/(м·К)). Коэффициент теплопроводности диэлектриков зависит от их строения (для плавленого кварца λ_т = 1,25 Вт/(м·К)) и температуры.

Тепловое расширение диэлектриков оценивают температурным коэффициентом линейного расширения: . Материалы с малым тепловым расширением, имеют, как правило, более высокую нагревостойкость и наоборот. Тепловое расширение органических диэлектриков значительно (в десятки и сотни раз) превышает расширение неорганических диэлектриков. Поэтому стабильность размеров деталей из неорганических диэлектриков при колебаниях температуры значительно выше по сравнению с органическими.

1. Абсорбционные токи

Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной поляризации. Абсорбционные токи при постоянном напряжении протекают в диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают в течение всего времени нахождения диэлектрика в электрическом поле.

В общем случае электрический ток j в диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока j_ск и тока абсорбции j_аб

j = j_ск + j_аб.

Ток абсорбции можно определить через ток смещения j_см — скорость изменения вектора электрической индукции D

Сквозной ток определяется переносом (движением) в электрическом поле различных носителей заряда.

2. Электронная электропроводность характеризуется перемещением электронов под действием поля. Кроме металлов она присутствует у углерода, оксидов металлов, сульфидов и др. веществ, а также у многих полупроводников.

3. Ионная – обусловлена движением ионов. Наблюдается в растворах и расплавах электролитов – солей, кислот, щелочей, а также во многих диэлектриках. Она подразделяется на собственную и примесную проводимости. Собственная проводимость обусловлена движением ионов, получаемых при диссоциации [1] молекул. Движение ионов в электрическом поле сопровождается электролизом [2] – переносом вещества между электродами и выделением его на электродах. Полярные жидкости диссоциированы в большей степени и имеют большую электропроводность, чем неполярные.

В неполярных и слабополярных жидких диэлектриках (минеральные масла, кремнийорганические жидкости) электропроводность определяется примесями.

4. Молионная электропроводность – обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами. Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях [3] , суспензиях [4] . Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом. При электрофорезе, в отличие от электролиза, новых веществ не образуется, меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных слоях жидкости. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, например, в маслах, содержащихэмульгированную воду.

Диэлектрики Свойства диэлектриков

Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергией. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры и стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно . Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения; при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры. Характерной особенностью диэлектрика является способность поляризоваться в электрическом поле. Сущность поляризации заключается в смещении связанных электрических зарядов под действием поля. Смещенные заряды создают собственное внутреннее электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему. Мерой поляризации является диэлектрическая проницаемость . Она оценивается отношением емкостей конденсатора. Емкость определяется, когда между пластинами конденсатора находится диэлектрик, а емкость — когда вместо диэлектрика — вакуум. В твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько видов поляризации, которые в сумме определяют величину и ее зависимость от температуры и частоты поля. Конструкционные диэлектрики общего назначения имеют небольшое значение — до . Диэлектрики, которые используются в конденсаторах, должны иметь высокие значения , чтобы увеличить емкость конденсатора. У конденсаторных диэлектриков меняется от до .

Наиболее важными видами поляризации являются электронная, ионная, дипольно — релаксационная и самопроизвольная (спонтанная).

Электронная поляризация вызывается деформацией электронных оболочек атомов. Электроны смещаются почти мгновенно, время установления поляризации ничтожно мало, и поэтому она не зависит от частоты.

Ионная поляризация возникает при упругом смещении ионов на расстояния, не превышающие межионные. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные ионы — в сторону отрицательного. Время установления ионной поляризации очень мало ( ), и также не зависит от частоты.

Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных диэлектриках. Повороты диполей существенно меняют . У неполярных диэлектриков немного больше , у полярных — в несколько раз больше. Повороты диполей при наложении поля и возвращение диполей к неупорядоченному состоянию после снятия поля требуют преодоления некоторого сопротивления молекулярных сил. Эта поляризация появляется и исчезает значительно медленнее электронной или ионной поляризации.

При нагреве диэлектрическая проницаемость изменяется, температурный коэффициент (ТК ) принимает значения от до .Отрицательный ТК имеют диэлектрики с электронной поляризацией, при нагреве увеличивается их объем и соответственно уменьшается плотность зарядов. Диэлектрики с ионной поляризацией имеют положительный ТК . При нагреве поляризация увеличивается вплоть до верхней границы рабочего интервала температур. Это объясняется ослаблением притяжения между ионами и увеличением их смещения. Особенно сильно повышается поляризация, когда ионы начинают смещаться на расстояния больше межионных. В этом случае поляризация зависит от частоты, устанавливается медленно — за и называется ионно-релаксационной.

Изменения дипольно-релаксационной поляризации при нагреве определяются соотношением межмолекулярного притяжения и теплового движения. Ослабление притяжения облегчает ориентацию диполей, а усиление теплового движения ей мешает. В связи с этим поляризация сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается.

Самопроизвольная поляризация наблюдается только у одного класса диэлектриков — сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже определенной температуры, которую называют точкой Кюри, самопроизвольно, без внешних воздействий, возникает поляризация. Объем сегнетоэлектрика разбивается на домены, в каждом из которых вещество сильно поляризовано. В отсутствие поля домены расположены беспорядочно, и суммарная поляризация равна нулю. При наложении поля поляризация увеличивается нелинейно благодаря переориентации поляризации доменов. При циклическом изменении поля от до возникает петля гистерезиса (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость поляризации (а) и диэлектрической проницаемости (б) сегнетоэлектрика от напряженности поля .

Когда напряженность поля возрастает, поляризация достигает насыщения; при этом увеличивается до максимального значения и вновь уменьшается. По аналогии с ферромагнетиками напряженность поля , при которой меняется направление поляризации, называется коэрцитивной силой. Когда , сегнетоэлектрик является мягким; когда , материал жесткий. Известно около сегнетоэлектриков. Они принадлежат к классу активных диэлектриков, которые используются для генерации и преобразования электрических сигналов. Между электрическими, механическими, тепловыми и другими свойствами сегнетоэлектриков существуют нелинейные зависимости. Значения свойств вблизи точки Кюри имеют максимумы или минимумы. В частности, максимальное значение достигается около точки Кюри.

Электропроводимость твердых диэлектриков связана с появлением в них свободных ионов или электронов. Основное значение имеет ионная проводимость, обусловленная примесями.

Электропроводимость диэлектрика подразделяют на объемную (сквозную) и поверхностную. Каждая из них характеризуется своим удельным электрическим сопротивлением — объемным и по поверхностным .

Диэлектрики имеют высокое удельное объемное электрическое сопротивление . При нагреве оно понижается в результате роста подвижности ионов.

Поверхностное электрическое сопротивление зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и состояния его поверхности и влажности среды. Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую пленку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его объемное электрическое сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностного электрического сопротивления поверхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, используя для этого покрытия — лаки и эмали. Поверхностное электрическое сопротивление зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и состояния его поверхности и влажности среды. Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую пленку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его объемное электрическое сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностного электрического сопротивления поверхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, используя для этого покрытия — лаки и эмали.

Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика.

Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока (рис. 2).

Рис. 2. Векторные диаграммы идеального (а) и реального (б) диэлектриков.

У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током и напряжением равен , поэтому активная мощность равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше на угол . Этот угол называют углом диэлектрических потерь. Тангенс угла и диэлектрическая постоянная характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), :

где k — коэффициент; Е — напряженность электрического поля, В/м; f — час­тота поля, Гц.

Произведение называют коэффициентом диэлектрических потерь. По величине диэлектрики подразделяют на низкочастотные ( ) и высокочастотные ( ). К основным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электропроводимость, ионизация газов в имеющихся порах и неоднородность структуры из-за примесей и включений.

Электрическая прочность характеризуется сопротивлением пробою. Пробой — это необратимое разрушение твердого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств. Электрической прочностью или пробивной напряженностью Е_пр называется отношение пробивного напряжения U_np к толщине диэлектрика в месте пробоя. Различают три вида пробоя: электрический, тепловой и электромеханический.

Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (за с) под действием поля большой напряженности (свыше 1 000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке.

Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева, причем пробивная напряженность Е_пр из-за повышения температуры диэлектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура диэлектрика и выше Е_пр. Тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как при этом возрастают потери) и замедлении теплоотвода.

Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопровождающемся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением его электрической прочности.

По химическому составу диэлектрики разделяют на органические и неорганические. К органическим относятся полимеры, резина, шелк; к неорганическим — слюда, керамика, стекло, ситаллы.

По электрическим свойствам диэлектрики подразделяют на низкочастотные (электротехнические) и высокочастотные (радиотехнические).

Для электроизоляционных материалов решающее значение имеет их нагревостойкость, т.е. способность без ущерба для свойств выдерживать нагрев в течение длительного времени. По нагревостойкости диэлектрики разделяют на семь классов, обозначенных Y, А, Е, В, F, Н, С. В классе Y объединены наименее стойкие целлюлозные, шелковые и полимерные материалы, для них рабочая температура не превышает 90° С. Самыми нагревостойкими являются материалы класса С — слюда, керамика, стекло, ситаллы, а также полиимиды и фторопласт-4. Они выдерживают длительный нагрев 180° С и выше.

Большое влияние на свойства диэлектриков оказывают гигроскопичность и влагопроницаемость. Образование токопроводящих пленок на поверхности и в толще изделий понижает изолирующую способность и может закончиться пробоем. Наиболее гигроскопичны материалы с порами и капиллярами на поверхности — бумага, обычная пористая керамика, слоистые пластики. Проницаемость для водяных паров исключительно важна для пропиточных, заливочных и других защитных материалов. Диаметр молекулы равен всего , и водяной пар проходит сквозь мельчайшие поры. Плотные, непористые материалы не пропускают водяные пары и негигроскопичны. К ним относятся ситаллы, малощелочное стекло, вакуумно-плотная керамика, эпоксидные пластмассы и неполярные полимеры. Для изделий из гигроскопичных диэлектриков используют пропитку, защищают поверхности лаками, глазурью и т.п.

Прочность диэлектриков и особенности их механических свойств являются дополнительным критерием выбора материалов. Керамика, стекло и ситаллы — наиболее прочные диэлектрики. Характерной особенностью этих материалов является хрупкость; их прочности на изгиб. Предел прочности на изгиб равен 30-300 МПа, увеличиваясь до 500 МПа у ряда ситаллов. Для хрупких диэлектриков исключительно важно учитывать тепловое расширение, особенно когда речь идет о работе в условиях быстрых смен температуры или о соединении диэлектриков с металлами. Температурный коэффициент линейного расширения керамики и тугоплавкого стекла не превышают , у легкоплавких стекол он равен , а у ситаллов в зависимости от химического состава — . Особенно велико тепловое тепловое расширение органических диэлектриков, но в пластмассах с неорганическими наполнителями оно примерно такое же, как у металлических сплавов. Кроме того, органические диэлектрики достаточно пластичны, для них термические напряжения не столь опасны.

Стабильность структуры и свойств диэлектриков определяет сроки их эксплуатации. Наибольшую стабильность имеют керамика и ситаллы, в стеклах под влиянием поля мигрируют ионы щелочных металлов и образуются электропроводящие мостики. Добавки РbО и BaO увеличивают стойкость стекла. Против электрохимического пробоя, связанного с миграцией ионов щелочных металлов. Органические диэлектрики разрушаются при комбинированном действии нагрева, окисления на воздухе и ионизации, поэтому их срок службы меньше, чем у керамики или стекла. Большинство пластмасс под действием разрядов обугливается и теряет изолирующую способность. Этого недостатка лишены полистирол, органическое стекло, фторопласты и кремнийорганические пластики. Среди диэлектриков самыми важными являются керамические материалы и особенно сегнетокерамика. Керамика имеет наиболее разнообразные электрические свойства, почти не подвержена старению и устойчива к нагреву.

Установочная керамика применяется для изготовления изоляторов, колодок, плат, каркасов, катушек и т.п. Она должна иметь низкие потери, хорошие электроизоляционные свойства и прочность.

Для работы при низких частотах используют электрофарфор, который дешев и имеет неплохие электрические свойства. Его недостатки — большие потери, резко возрастающие при нагреве выше 200° С, и низкая механическая прочность. Недостатки электрофарфора объясняются действием стекла, которого в нем содержится довольно много.

Основным материалом, используемым для изготовления деталей, предназначенных для работы при высоких частотах, является стеатит, который получают из талька. Стеатиты не содержат вредных примесей, их свойства стабильны до 100° С. Они легко прессуются, при обжиге дают усадку всего 1-2 % и используются для деталей с плотной и пористой структурой и точными размерами. В отличие от других видов керамики стеатит удовлетворительно режется. Недостатки стеатита — растрескивание при быстрых сменах температуры и трудность обжига.

5.4. Диэлектрики

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, иолекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров роложительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.

Используемые в качестве изоляционных материелов диэлектрики называют пассивными.Существуют активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения.

По химическому составу их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержащие в своем составе углерода.

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

Электропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называетсясквозным 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.

Диэлектрическая проницаемость и поляризованность.На рис.18 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которыхS, а расстояние между нимиh. В конденсаторе (рис.35,а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рис.35,б) – диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродахU, то напряженность электрического поляE=U/h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядомQ₀(на рис.35,а – квадраты).

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи с электрическим моментом: m=ql, гдеq– суммарный положительны (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл;l– рсстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q_д. Суммарный полный заряд в конденсаторе с диэлектриком:Q=Q₀+Q_д=ε_rQ₀,

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 ε_r = С/С₀– отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости того же конденсатора, где между электродами вакуум.

Емкость плосконо конденсатора: С = ε₀ ε_r S/h, гдеε₀= 8,85·10 -12 Ф/м – электрическая постоянная. Произведениеε₀ ε_r=ε, называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Поляризованное состояние диэлектрика характеризуется также электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р (Кл/м 2 ), которая связана с диэлектрической пронициемостью Р =ε₀(ε_r –1)Е. Поляризованность является векторной величиной.

Поляризация диэлектриков.

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. 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).

Электронная поляризация.В электрическом поле в атомах, ионах или молекулах деформируются электронные оболочки. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10 -13 м) в пределах своих атомов и молекул. Такая поляризация происходит у всех атомов и молекул независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации.

Нв рис.36,а схематически изображены деформация в электрическом поле электронной оболочки атома водорода.

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; твердые – алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин.

Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало отдичается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков с ростом температуры уменьшается незначительно и не изменяется с ростом частоты приложенного напряжения до 10 12 . 10 13 Гц. На рис.37 представлена зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков.

Ионная упругая поляризацияпроисходит в кристаллических диэлектриках, построенных их положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных кристаллах, слюде, керамике. 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 (рис.36,б). 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. 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.

Неупругие поляризации.

К неупругим относится дипольная поляризация, которая наблюдается в полярных газообразных и жидких диэлектриках. Полярные диэлектрики построены из из полярных молекул, в которых центры положительного и отрицательных зарядов не совпадают. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH₃, пары воды и спиртов. Полярными жидкостями являются вода, хлорбензолC₆H₅Cl, нитробензолC6H5NO₂. 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.

Для ориентации диполя требуется время, называемое временем релаксации τ, которое прямо пропорционально вязкости диэлектрика и обратно пропорционально температуре. При увеличении температуры вязкость диэлектрика экспоненциально уменьшается, поэтому уменьшается и τ. В этой области температур ε_rс ростом температуры увеличивается (рис. 38,а, участок б-в). Уменьшение ε_r на участке в-г вызывается разориентацией полярных молекул в результате теплового движения; на участке а-б — уменьшением плотности.

Если Т/2 r полярного диэлектрика уменьшается (рис.38,б). В зависимости от строения диэлектрика и внешних условий время релаксацииτдипольной поляризации изменяется в широких пределах (от 10 -8 до 10 -1 с). При ориентации в электрическом поле диполи преодолевают межмолекулярные силы взаимодействия, поворачиваются с “трением”; в этой области температур дипольная поляризация происходит с потерями.

Ионно-релаксационная поляризация. Используемые в технике твердые диэлектрики могут иметь неплотную упаковку объема частицами, дефекты кристаллической решетки – вакансии. Перемещение ионов в электрическом поле становится направленным. В результате возникает различие в расположении центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. появляется электрический момент. Такой процесс называетсяионно-релаксационной поляризацией. С ростом температуры увеличивается поляризованность и диэлектрическая проницаемость.

Миграционная поляризация.Электроизоляционные материалы могут быть неоднородными с отличающимися значениями удельной электрической проводимости и диэлектрической проницаемости. Образуются дополнительные заряды на границах блоков, зерен. Могут иметь место такие слабо связанные ионы, которые напрвляются к электродам и там локализуются, в результате около электродов образуется объемный заряд, обусловливающий электрический момент. Такую поляризацию называют объемно-зарядовой или высоковольтной поляризацией. Процессы миграционной поляризации завершаются за 10 -3 …1 с.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Доменная поляризация. Сегнетоэлектрики. 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 направлении ориентирован и вектор спонтанной поляризованностиP_sдомена. В соседних доменах направлениеP_s может быть противоположным или перпендикулярным (рис.39,а).

В электрическом поле в сегнетоэлектриках происходят упругие электронная и ионная поляризации, а также неупругая доменная. В процессе доменной поляризации векторы Р_sдоменов ориентируются по направлению электрического поля (рис.39,б). Переориентацией направлений Р_s доменов объясняются характерные для сегнетоэлектриков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис и зависимость их диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рис.39,в,г). Поляризованность кристалла с ростом напряженности электрического поля увеличивается благодаря ориентации Р_sдоменов 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 (до нескольких тысяч) диэлектрическая проницаемость и ее резкая зависимость от температуры (рис.39,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.

Удельные диэлектрические потери и угол диэлектрических потерь.

Диэлектрическими потерями называют мощность, поглощаемую диэлектриком под действием приложенного напряжения. Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными по­ляризациями. Если в диэлектрике имеют место газовые включения (поры), то в процессе работы его при высоких напряжениях и вы­соких частотах происходит ионизация газа в порах, что вызывает потери на ионизацию.

При включении на постоянное напряжение конденсатора, меж­ду электродами которого находится диэлектрик, через него проте­кает уменьшающийся со временем ток I=I_абс + Ι_ск(рис. 40, а).

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

Спадающий со временем ток абсорбции I_абсобусловлен смеще­нием связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызыва­ет рассеяние энергии в диэлектрике, диэлектрические потери.

Сквозной ток утечки I_ск вызван 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. при включении конденсатора.

При переменном напряжении I_абсимеет место, если время релак­сации процесса медленных поляризаций меньше или соизмеримо с полупериодом приложенного напряжения (τ = Т/2).В этом случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике под воздействием на него электрического поля, т.е. диэлектрические потери, обусловливае­мые токамиI_скиI_абс, наблюдаются в течение всего времени воздей­ствия приложенного напряжения.

На векторной диаграмме токов, протекающих через конденса­тор с диэлектриком при переменном напряжении (рис. 23, б),ем­костной токI_cопережает напряжениеUпо фазе на угол 90° и по­этому не создает потерь мощности в диэлектрике. Ток абсорбцииI_абсопределяется поляризациями, процесс установления которых связан с потерями энергии. Поэтому он имеет реактивнуюI_раи ак­тивнуюI_аасоставляющие. Сквозной токI_сксовпадает по фазе с приложенным напряжением. Суммарный токIимеет реактивнуюI_p=I_c+I_paи активнуюI_a=I_аа+I_сксоставляющие и опережает напря­жение на угол φ < 90°. Угол δ дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи, называютуглом диэлектрических потерь.В соответствии с векторной диаг­раммой токов:

где tgδ-тангенс угла диэлектрических потерь,который является важным параметром, характеризующим качество диэлектрика при работе на переменном напряжении.

Для диэлектриков, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений, значение tgδне должно превышать 10 -4 …10 -3 . Мощность диэлектрических потерь: Р_а=UI_a =ωU 2 Ctgδ. Подставив выражение для емкости плоского конденсатора, и принявS= 1 м 2 ,h= 1 м, получим формулу для расчета удельных диэлектрических потерь (Вт/м 2 ): Р_{а уд} = 5,567 ·10 11 Е 2 ε_rftgδ, где Е – напряженность электрического поля, В/м;ε_rtgδ=ε˝ — коэффициент диэлектрических потерь; 5,567·10 -11 ε_rftgδ=σ_а– проводимость диэлектрика при переменном токе частотойf, См/м.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках.В неполярных твердых диэлектриках диэлектрические потери вызваны электро­проводностью, а в полярных — электропроводностью и дипольной поляризацией. Изменениеtgδот температуры и частоты для твердых неполярных и полярных диэлектриков представлены на рис.41.

В процессе тепловой ионной поляризации твердых диэлектри­ков перемещение слабосвязанных ионов в электрическом поле про­исходит с потерями энергии. В некоторых диэлектриках с неплот­ной упаковкой объема частицами, например стеклах, где имеет ме­сто ионно-релаксационная поляризация, также наблюдаются закономерности изменения tgδот температуры и частоты, харак­терные для дипольной поляризации.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках определяются электропроводностью и доменной поляризацией. Изменения tgδот температуры и частоты в этом случае такие же, как и у твердых полярных диэлектриков.

Пробой диэлектриков и электрическая прочность.

Если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое крити­ческое значение, то диэлектрик теряет свои электроизолирующие свойства.

Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возраста­ет до 10 8 А/м 2 , а сопротивление диэлектрика уменьшается до тако­го значения, что происходит короткое замыкание электродов. Это явление называютпробоемдиэлектрика. Значение напряжения в момент пробояU_прназываютпробивным напряжением,напряжен­ность электрического поля Е_пр — электрической прочностью.

Если напряжение Uдостигло значенияU_пр,то сквозной ток рез­ко увеличивается даже и тогда, когда напряжение на электродах уменьшается. Это обусловливается тем, что под действи­ем приложенного напряжения в диэлектрике происходят необра­тимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление. Различают следую­щие виды пробоя диэлектриков.

Электрическийпробой — это процесс, в результате которого ди­электрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул. Он вызывается ударной ионизацией электронами.

Электротепловой пробойобусловлен прогрессивно нарастаю­щим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектри­ческих потерь или электропроводности; его часто называюттеп­ловымпробоем.

Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие меж­ду теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Если выделяющаяся теплота боль­ше отводимой, то диэлектрик нагревается, и в местах наихудшего теплоотвода температура возрастает до такого значения, при ко­тором происходит прожог, проплавление, т.е. пробой.

Электрохимический пробой (электрическое старение)обусловлен медленными изменениями химического состава и сруктуры диэлек­трика, которые развиваются под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике или в окружающей диэлек­трик среде. Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях с напряженностью, значительно меньшей, чем электрическая проч­ность диэлектрика.

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад