Что называют диэлектриками. Электрические свойства

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.

Изоляционные материалы предназначены для ограничения конструкций и отдельных элементов от контакта с теми или иными средами. По этому принципу работают строительные водо-, паро- и теплоизоляционные материалы. В сферах, где используются электротехнические проводники, требуется изоляция другого рода - в виде диэлектриков. Их задача заключается в исключении контактов между активными эксплуатируемыми проводниками тока и материалами, которые не рассчитываются на обеспечение данной функции. В качестве целевых объектов могут выступать технические средства, прибора, строительные конструкции и даже декоративные покрытия. В свою очередь, электроизоляционные материалы создают барьер для прохождения электрического тока независимо от того, переменный он или постоянный.

Классификации изоляторов

Электроизоляторы различаются по своему происхождению и агрегатному состоянию. Что касается происхождения, то в качестве признаков выделяют принадлежность к органическим и неорганическим материалам, а также к натуральному и синтетическому сырью. К природным материалам можно отнести слюду, которая характеризуется прочностью, гибкостью и способностью к расщеплению. Это неорганический диэлектрик естественного происхождения. И напротив, в группе синтетических органических материалов можно отметить химические высокомолекулярные соединения. В готовом к использованию виде они предлагаются как пластмассы и эластомеры. Основные эксплуатационные различия определяет классификация электроизоляционных материалов по агрегатному состоянию. Выделяются твердые и жидкостные, а также газообразные диэлектрики.

Свойства изоляторов тока

Основная задача диэлектрика заключается в обеспечении изоляционной функции. Поэтому в качестве базовых эксплуатационных свойств можно отметить повышенное удельное сопротивление, небольшой тангенс потерь диэлектрика и высокое пробивное напряжение - уже упомянутый пробой. Сопротивление определяет, насколько материал сможет препятствовать проводимости тока при разных параметрах контактирующей электрической цепи. Потери диэлектрика, в свою очередь, указывают на влияние изолятора на показатели активного проводника - нормативно это значение должно стремиться к нулю, но чаще всего высокая сопротивляемость как раз приводит и к повышению потерь в основной цепи. Немаловажны и пробивные свойства электроизоляционных материалов, которые определяются напряжением. В данном случае можно говорить о непосредственной проницаемости целевого материала. При этом все перечисленные свойства фиксируются лишь в том случае, если была отмечена стабильность их «работы» во времени и при заданной температуре. Иногда в качестве параметра стабильности при испытаниях указывается и частота электрического поля.

Характеристики электроизоляторов

Одной из главных характеристик диэлектриков является поверхностное сопротивление. Это сопротивление, которое возникает в момент прохождения тока по поверхности материала. Следующей по значимости характеристикой можно назвать диэлектрическую проницаемость. Как уже говорилось, проницаемость напрямую связана с пробиваемостью целевого материала. И отдельного внимания заслуживают физико-химические характеристики. В их числе отмечают водопоглощаемость, вязкость и кислотность. Водопоглощаемость указывает на степень пористости материала и присутствие в нем водорастворимых элементов. Чем выше это значение, тем выше эффективность материала как диэлектрика. В свою очередь, вязкость характеризуется текучестью, что важно для определения взаимодействия материала с жидкостными или расплавленными диэлектриками. Кислотным числом обычно характеризуются жидкие диэлектрики. Например, основные особенности электроизоляционных материалов сводятся к способности нейтрализовать свободные кислоты, содержащиеся в 1 г материала. Присутствие свободных кислот понижает электроизоляционные качества электроизоляторов.

Газообразные изоляторы

Практически все газообразные электроизоляционные материалы обеспечивают диэлектрическую проницаемость, в коэффициенте равную 1. К плюсам таких изделий можно отнести небольшую долю диэлектрических потерь, хотя и степень пробоя тоже невелика. Как правило, основной газообразной средой с функцией электрического изолятора выступает воздух, дополненный специальными включениями. Но к сегодняшнему дню получил широкое распространение и элегаз, который применяется в качестве диэлектрической основы. Газообразные виды электроизоляционных материалов базируются на гексафториде серы, что обеспечивает более высокую защиту в показателе пробоя, а в некоторых случаях наблюдается и дугогасительная способность. Когда речь идет о сложных условиях эксплуатации целевого объекта защиты, газовая среда может дополняться органическими изоляторами.

Твердые диэлектрики

Традиционно под изоляторами данного типа понимаются такие материалы, как стекло, кварц, фарфор, пластики и резина. Их происхождение может быть натуральным и синтетическим. В тонких слоях изоляторов могут быть повышенные показатели удельного сопротивления и напряжения пробоя - эти значения зависят от диэлектрической проницаемости и электрической прочности структуры. Увеличение разности потенциалов по отношению к твердому или жидкому диэлектрику будет повышать ток, проходящий целевой объект. В итоге это явление способствует формированию вблизи катода положительного пространственного заряда на фоне отрыва электронов. Электрический пробой можно будет рассматривать как результат искажения заряженного поля в структуре самого изолятора. Твердотельные электроизоляционные материалы подвергаются поляризации, поэтому их диэлектрическая постоянная превышает единицу. Также в момент приложения переменных электрических полей поляризация способствует образованию диэлектрических потерь. В этом контексте стоит выделить материалы, которые даже в высокочастотных полях имеют минимальные диэлектрические потери. К таким можно отнести полиэтилен и кварц.

Жидкие диэлектрики

К жидким изоляторам относятся синтетические жидкости, масла, пасты, лаки и смолы. Особенно распространены минеральные масла, являющиеся продуктом нефтяной переработки и представляющие собой комбинацию жидких углеводородов. Они используются в масляных выключателях, небольших трансформаторах, конденсаторах и кабелях. Популярна и жидкая электроизоляция в виде пропитки. Ее часто применяют при подготовке кабелей и тех же конденсаторов к работе. Материал представляет собой бумажную изоляцию, в которой бумага является носителем, а пропитка - активной защитной средой.

Гильзовая электроизоляция

Это материал из группы механических защитных устройств, который обеспечивает внешнюю физическую защиту. Обычно используются гибкие гильзы, которыми защищаются проводники силовых агрегатов, трансформаторы и кабели. По этому же принципу работает традиционная изоляционная лента, задача которой заключается в создании физической преграды. Гильзы также выступают прослойкой, никак не взаимодействующей с на электрохимическом уровне. Однако среди недостатков этого материала отмечается быстрый износ.

Конденсаторы

Электрическая изоляция является важным условием полноценной работоспособности конденсаторов. В некоторых случая сам конденсатор выступает как диэлектрик в составе сложной электротехнической цепи. Такие приборы имеют разное применение, в том числе выделяется нейтрализация индукционных эффектов в линиях с переменным током, накопление заряда, а также получение токовых импульсов для всевозможных приложений. Для использования конденсатора в качестве изоляционной точки необходимо иметь представление о требуемой емкости. В приборах она рассчитывается исходя из характеристик системы или посредством вычисления размера заряда на обкладке. В самой конструкции для обеспечения защитной функции могут применяться электроизоляционные материалы в виде лаков и масел. В зависимости от типа конденсатора определяется и набор вторичных функций - например, учитывается горючесть, влагостойкость, износостойкость и т.д.

Вакуум как изолятор

Газовая среда при крайне низком давлении может создавать условия, когда газ просто не сможет образовывать заметный ток в межэлектродном зазоре. Такие условия называют изоляционным вакуумом. При столкновении с электронами или положительными ионами, которые вылетают из электродов, ионизация молекул газа под низким давлением происходит очень редко. Так называемый высокий вакуум при условии постоянного напряжения до 20 кВ на поверхности катода может обойтись без пробоя при напряженности поля порядка 5 МВ/см. Если речь идет об аноде, то напряженность должна быть в разы выше. И все же заметное увеличение напряжения способствует тому, что вакуумные электроизоляционные материалы утрачивают свой защитный потенциал. Пробой в данном случае может наступать в результате обмена заряженными частицами в связке катод-анод. Диэлектрики такого типа чаще используются в электронике. Их применяют и в целях ускорения электронов в обычных приборах, и в рентгеновских аппаратах для обеспечения высоковольтных приложений.

Компаунд как основной диэлектрик в радиотехнике

Довольно практичный в использовании и недорогой способ диэлектрической защиты. Компаунд наносится на рабочую зону, после чего застывает, в полной мере обретая свои основные функциональные качества. При этом нельзя сказать, что компаунды - это обязательно твердые электроизоляционные материалы, так как встречаются и разновидности жидкостного типа. Даже в рабочем состоянии они не отвердевают. Также существуют заливочные и пропиточные виды данного материала. Отличительной чертой всех компаундов является полное отсутствие растворителей в составе. Это дает возможность обеспечивать деликатную пропитку сложных электромеханических деталей и аппаратов.

Современные электроизоляционные материалы

К электроизоляторам нового поколения относится широкая группа полимерных материалов. В основном это пленочные изделия, которые обеспечивают эффект диэлектрика путем создания соответствующей оболочки. Пленка производится в формате рулонов, толщина которых варьируется от 5 до 250 мкм. Помимо основных электроизоляционных свойств, такие пленки характеризуются гибкостью, эластичностью, прочностью и стойкостью на разрыв. Удобна в применении и полимерная изоляционная лента, которая имеет толщину 0,2-0,3 мм. Такие материалы проигрывают многим традиционным диэлектрикам лишь в одном качестве - экологической безопасности. Это не самый безобидный материал в плане токсической угрозы, поэтому его используют по большей части в промышленности, хотя бывают и исключения.

Сферы применения электроизоляторов

Практически все сферы, в которых задействуется электропроводка, в том или ином виде применяют и диэлектрические средства. Базовым примером можно назвать кабели, которые получают несколько слоев изоляции - как электрической, так и механической. Приборостроение можно назвать второй по популярности сферой использования данной изоляции. От воздействия токов ограничивают как отдельные детали аппаратной части, так и технологические узлы в электротехнических машинах. В строительстве также востребованы средства изоляции от тока. Например, в прокладке домашней и уличной проводки тоже задействуются электроизоляционные материалы. Применение диэлектриков позволяет сохранить материалы, которые находятся рядом с токопроводящим контуром. В некоторых случаях подобная изоляция себя оправдывает и как средство понижения потерь в напряжении основной линии.

Заключение

Спектр вариантов электрической изоляции довольно широк, что дает возможность целенаправленно подобрать материал специально под конкретные нужды. Например, в быту распространены твердотельные виды электроизоляционных материалов, а также диэлектрики в форме деталей. В промышленности и строительстве могут применяться газовые и жидкостные среды. Коммунальная же сфера охватывает практически весь диапазон электрической изоляции, поскольку условия защиты могут быть очень разными.

Относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10 −5 Ом·м, а к диэлектрикам - материалы, у которых ρ > 10 8 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10 −8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10 16 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10 −5 -10 8 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков - возбуждённым.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты , пьезоэлектрики , пироэлектрики , сегнетоэластики, сегнетоэлектрики , релаксоры и сегнетомагнетики.

Использование

При применении диэлектриков - одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов - довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы .

Пассивные свойства диэлектриков

Активные свойства диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Диэлектрик" в других словарях:

Диэлектрик … Орфографический словарь-справочник

ДИЭЛЕКТРИК, материал, не проводящий электричество, например, изоляция, разделяющая два проводника в КОНДЕНСАТОРЕ. У этих материалов имеется такой показатель, как ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ, определяющий, до какой степени материал может… … Научно-технический энциклопедический словарь

Пироэлектрик, электрет, полиизобутилен, полипропилен, изолятор, полиэтилентерефталат, поликарбонат, синоксаль, политрифторхлорэтилен, политетрафторэтилен, полиарилат Словарь русских синонимов. диэлектрик сущ., кол во синонимов: 11 изолятор (21) … Словарь синонимов

диэлектрик - Вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле. [ГОСТ Р 52002 2003] диэлектрик Материал, не проводящий электрический ток. Тематики электротехника, основные … Справочник технического переводчика

ДИЭЛЕКТРИК, диэлектрика, муж. (физ.). Диэлектрическое тело, вещество, напр. стекло. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

ДИЭЛЕКТРИК, а, муж. (спец.). Вещество, плохо проводящее электрический ток, непроводник. | прил. диэлектрический, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

Вещество, слабо проводящее электр. ток. Д. являются: стекло, фарфор, слюда, мрамор, каучук, эбонит, сухое дерево, шелк, асбест, трансформаторное масло, воздух и т. д. Д. применяются для изоляции частей, находящихся под напряжением, для изоляции… … Технический железнодорожный словарь

Диэлектрик - вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле... Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ. ГОСТ Р 52002 2003 (утв. Постановлением Госстандарта РФ от… … Официальная терминология

диэлектрик - диэлектрик; отрасл. изолятор Вещество, основным электрическим свойством которого является способность к поляризации и в котором возможно существование электростатического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

Диэлектрик - – вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле. [ГОСТ 19880 74] Рубрика термина: Энергетическое оборудование Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы, Автодороги … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Книги

• Граничные эффекты в элементах бортовой аппаратуры космических аппаратов при действии ионизирующего , Шилобреев Борис Алексеевич, Лазурик Валентин Тимофеевич, Яковлев Михаил Викторович. Представлены основные представления и методы расчетного и экспериментального определения приграничных распределений поглощенной энергии и объемного заряда в конструкционных материалах…

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.);

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?