Электротехническое материаловедение. Диэлектрики

1

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева£

Кафедра электроснабжения горных и промышленных предприятий

Т. Л. Долгопол

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Диэлектрики

Рекомендовано в качестве учебного пособия учебно-методической комиссией для подготовки бакалавров по направлению 140400.62

Электроэнергетика и электротехника¨£

£

Кемерово 2012

2

Рецензенты:

Беляевский Р. В., старший преподаватель кафедры ЭГПП

Завьялов В. М., председатель УМК направления 140400.62 ®Электроэнергетика и электротехника¨

Долгопол Татьяна Леонидовна. Электротехническое материаловедение. Диэлектрики.: учеб. пособие [Электронный ресурс]: для подготовки бакалавров по направлению 140400.62 ®Электроэнергетика и электротехника¨£ всех форм обучения / Т.Л . Долгопол. – Электрон. дан. – Кемерово: КузГТУ, 2012. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM); зв.; цв.; 12 см. – Систем. требования: Pentium IV; ОЗУ 32 Мб; Windows ХР; (CD-ROM- дисковод); мышь. – Загл. с экрана.

Приведена классификация электротехнических материалов по электрическим свойствам. Рассмотрены электрические свойства диэлектриков: поляризация, электропроводность, пробой, диэлектрические потери; а также влияние различных факторов на количественные показатели этих свойств. Также рассмотрены тепловые, влажностные, механические и химические свойства диэлектриков.

³ КузГТУ

³ Долгопол Т. Л.

3

СОДЕРЖАНИЕ

1.Общие сведения о строении вещества

1.1.Зонная теория твердых тел

2.Диэлектрики

2.1.Поляризация диэлектриков

2.2.Основные виды поляризации

2.3.Классификация диэлектриков по видам поляризации

2.4.Диэлектрическая проницаемость диэлектриков

2.5.Электропроводность диэлектриков

2.5.1.Электропроводность газов

2.5.2.Электропроводность жидких диэлектриков

2.5.3.Электропроводность твердых диэлектриков

2.6.Диэлектрические потери

2.6.1.Виды диэлектрических потерь

2.6.2.Диэлектрические потери в газах

2.6.3.Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

2.6.4.Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

2.7.Пробой диэлектриков

2.7.1.Пробой газов

2.7.2.Пробой жидких диэлектриков

2.7.3.Пробой твердых диэлектриков

2.8.Неэлектрические свойства диэлектриков

2.8.1.Тепловые свойства диэлектриков

2.8.2.Влажностные свойства диэлектриков

2.8.3.Механические свойства диэлектриков

2.8.4.Химические свойства диэлектриков

Литература

4

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Основными элементарными частицами, из которых строятся все вещества, являются протоны, нейтроны и электроны. Протоны имеют положительный заряд, электроны – отрицательный, нейтроны являются нейтральными частицами, не имеющими заряда. Заряды протона и электрона равны по величине и составляют 16¶1020 К.

Согласно упрощенной модели Нильса Бора атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны, компенсируя положительный заряд ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Электроны располагаются вокруг ядра несколькими слоями – оболочками на очень большом по сравнению со своими размерами расстоянии. Строение ядер атомов и периодичность заполнения оболочек электронами можно находить с помощью таблицы Д.И. Менделеева.

Газы, жидкие и твердые тела состоят из атомов, молекул или ионов. Атом имеет размеры около 0,1 нанометра (нм). Молекулы различных веществ содержат различное число атомов. Например, гелий и аргон – одноатомные газы, водород и кислород – двухатомные, озон – трехатомный. В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов в молекулах могут образовываться различные виды связей.

Наиболее часто встречаются молекулы, в которых существуют ковалентные и ионные химические связи.

Ковалентная связь (рис. 1) возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами. Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, являются неполярными. Если же в отдельных молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными.

Рис. 1. Схематическое изображение двухатомной молекулы с ковалентной связью

5

Полярная молекула характеризуется величиной дипольного момента (μ), который определяется по формуле

q l

(1)

где q – заряд; l – расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов.

Электрический момент полярной молекулы является векторной величиной. За направление вектора принимают направление от отрицательного заряда к положительному. При отсутствии внешнего электрического поля суммарный дипольный момент равен нулю, так как диполи расположены хаотично. При приложении внешнего электрического поля диполи и их электрические моменты ориентируются по направлению поля.

Второй вид связи – ионная связь – определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами. Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Вещества ионной структуры могут быть с плотной или неплотной упаковкой ионов (рис. 2).

Рис. 2. Ионная структура материалов

Третий вид связи – металлическая связь, которая также приводит к образованию твердых кристаллических тел.

Металлы можно рассматривать как системы, построенные из расположенных в узлах решетки положительно заряженных ионов, находящихся в среде свободных электронов (рис. 3).

Притяжение между положительными ионами и электронами является причиной монолитности металлов. Наличием свободных электронов объясняется высокая электропроводность и теплопроводность металлов.

6

Рис. 3. Схематическое изображение металлической связи

Четвертый вид связи – молекулярная связь (связь Ван-дер- Ваальса). Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. Межмолекулярное притяжение в этом случае обусловливается согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое изображение молекулярной связи

В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказывается сильнее сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Вещества, имеющие данный вид связи, например, парафин, обладают низкой температурой плавления, свидетельствующей о непрочности их кристаллической решетки.

Вернуться к содержаниию

1.1. Зонная теория твердых тел Классификация веществ по электрическим свойствам

Электротехнические материалы характеризуются определенными свойствами по отношению к электромагнитным полям и применяются в технике с учетом этих свойств.

По магнитным свойствам материалы подразделяются на сильномагнитные и слабомагнитные (немагнитные). Все вещест-

7

ва в зависимости от их электрических свойств делятся на диэлектрики, проводники или полупроводники. Различие между ними наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

Спектральный анализ отдельных атомов показывает, что для атома каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов.

Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома. На других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом подвергается внешнему энергетическому воздействию и становится возбужденным. Стремясь снова вернуться к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии, и электроны возвращаются на свои прежние уровни, при которых энергия атома минимальна.

Нормальные энергетические уровни образуют заполненную электронами зону 2 (рис. 5). Уровни возбужденного состояния атома образуют свободную зону энергетических уровней 3. Между заполненной зоной и свободной зоной располагается запрещенная зона 2.

На рис. 5 показаны энергетические диаграммы диэлектрика (а), полупроводника (б) и проводника (в).

Рис. 5. Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б), проводников (в)

8

Диэлектриками являются такие материалы, у которых запрещенная зона (следовательно, и необходимая для ее преодоления энергия) настолько велика, что в обычных условиях электроны не могут переходить в свободную зону и электронной электропроводности не наблюдается. Ширина запрещенной зоны диэлектриков W > 3 эВ (электрон-вольт).

Полупроводники имеют более узкую запрещенную зону, которая может быть преодолена за счет небольших внешних энергетических воздействий, например температуры, света или других источников энергии. Если подведенная извне энергия будет достаточна для перехода электронов через запрещенную зону, то, став свободным, электроны могут перемещаться и под действием электрического поля, создавать электронную электропроводность полупроводника. С повышением температуры число носителей заряда растет, и сопротивление полупроводников сильно уменьшается.

Проводниками являются материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле могут переходить из заполненной зоны в свободную зону даже при слабых напряженностях электрического поля.

Вернуться к содержанию

2. ДИЭЛЕКТРИКИ

Диэлектриками называются материалы, основным электрическим свойством которых является способность к электрической поляризации, и в которых возможно существование электрического поля. По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики.

Электроизоляционными являются диэлектрики, применяемые для создания электрической изоляции между различными токоведущими частями электротехнических устройств и электрооборудования. Активными диэлектриками называют материалы, которые изменяют свои параметры под действием различных факторов.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. В особую

9

группу можно выделить твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкими, но в процессе изготовления изоляции отверждаются и при эксплуатации представляют собой твердые вещества, например, лаки и компаунды.

По химической природе диэлектрики подразделяются на органические, неорганические и элементоорганические.

Органическими называют материалы, содержащие в своем составе углерод. Материалы, в состав которых углерод не входит, называют неорганическими. Однако есть ряд соединений, имеющие в своем составе углерод и относящиеся к неорганическим веществам (например, алмаз, оксиды углерода, сероуглерод, угольная кислота и ее соли). Элементоорганическими называют вещества, в молекулы которых входят атомы элементов не характерных для обычных органических веществ – кремния, магния, алюминия, титана и др. Органические диэлектрики являются более гибкими и эластичными, но менее нагревостойкими, чем неорганические.

Вернуться к содержанию

2.1. Поляризация диэлектриков

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Электрическая поляризация приводит к тому, что суммарный электрический момент объема вещества становится отличным от нуля.

Влюбом материале, независимо от наличия или отсутствия

внем свободных носителей заряда, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, ионы. Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний по направлению действующих сил в зависимости от величины напряженности поля. В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp. Образование индуцированного электрического момента Р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованность,

интенсивность поляризации), который равен отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

10

P dp / dV

(2)

При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние.

Большинство диэлектриков характеризуются линейной зависимостью электрического смещения (Д) от напряженности электрического поля (Е), приложенного к диэлектрику (линейные диэлектрики, рис.6).

Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно (рис.6), достигая насыщенного состояния при некотором значении напряженности электрического поля. При уменьшении напряженности поля вектор электрического смещения уменьшается и при отсутствии поля остается остаточное электрическое смещение (До). Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками.

Наименование ®сегнетоэлектрик¨ связано с тем, что нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли. За рубежом данная группа материалов называется ферроэлектриками.

Рис. 6. Зависимости электрического смещения от напряженности электрического поля

В результате поляризационных процессов внутри диэлектрика образуется внутреннее электростатическое поле определенного заряда, направленное встречно внешнему электрическому полю (рис. 7).