Классификация диэлектриков по диэлектрической проницаемости

Диэлектрики			Виды поляризации	
Агрегатное состояние	Классы	Примеры	Электронная	1,9 - 2,5
Твердые органические (линейная поляризация)	Неполярные	Полиэтилен, фторопласт–4
	Полярные	Поливинил-хлорид, органическое стекло	Дипольная и электронная	3 - 7
Твердые неорганические (линейная поляризация)	Кристаллические с плотной упаковкой ионов	Кварц, слюда	Ионная и электронная	5 - 10
	Аморфные и кристалличес­кие с неплотной упаковкой ионов	Титано-содержащая керамика		12 - 230
Твердые (нелинейная поляризация)	Сегнетоэлектрические	Метатитанат бария и стронция, сегнетова соль	Спонтанная, ионная, ионно-релаксационная и электронная	До 40000

Диэлектрические потери – энергия в виде тепла, теряемая в единицу времени в диэлектриках, находящихся в электрическом поле.

Диэлектрические потери оцениваются удельными потерями (рассеиваемая мощность в единице объема материала) или тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ). Величина tg численно равна доле запасенной в диэлектрике энергии, необратимо рассеиваемой в виде тепловых потерь за один период колебаний электрического поля. При больших диэлектрических потерях пользуются понятием добротности диэлектрика, которая равна величине, обратной тангенсу угла потерь.

Значения tg различных групп диэлектриков приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2

Классификация диэлектриков по диэлектрическим потерям

Диэлектрики			Преобладающий источник потерь	tg
Агрегатное состояние	Классы	Примеры	Электропро- водность	(1-5)^.10^–4
Твердые органичес­кие (линейная поляризация)	Неполярные	Полиэтилен, фторопласт-4
	Полярные	Поливинилхлорид, эпоксидные смолы	Дипольная поляризация	10^–3- 10^–1
Твердые неорганичес­кие (линейная поляризация)	Кристаллические с плотной упаковкой ионов	Кварц, алюминоксид	Электропроводность	(2 - 7)^.10^–4
	Аморфные и кристаллические с неплотной упаковкой ионов	Радиофарфор, щелочное и свинцовое стекла	Ионно - релаксационная поляризация	10^–3 - 2^.10^–2
				2^.10^–4
Твердые (нелинейная поляризация)	Сегнето-электрики	Метатитанат бария, стронция, сегнетова соль	Спонтанная поляризация	(1 - 5)^.10^–2

Значения электропроводности обычно оценивают обратной величиной – сопротивлением.

У диэлектриков различают удельное объемное _v и удельное поверхностное _s сопротивления.

Удельное объемное сопротивление _v – отношение напряженности постоянного электрического поля к плотности тока, проходящего через объем образца диэлектрика. Оно численно равно сопротивлению кубика данного диэлектрика с ребром, равным 1 м, если ток проходит через две противоположные его грани. Размерность удельного объемного сопротивления выражается в омах на метр, его величина обратна величине удельной объемной проводимости:

.

Удельное поверхностное сопротивление _s – отношение напряженности постоянного электрического поля к току на единицу длины поверхности образца диэлектрика. Оно численно равно сопротивлению квадрата любого размера поверхности диэлектрика, если ток проходит через две противоположные его стороны. Размерность удельного поверхностного сопротивления выражается в омах; его величина обратна величине удельной поверхностной проводимости:

.

В неоднородных диэлектриках сопротивление в различных направлениях неодинаково. В слоистых материалах сопротивление в продольном направлении значительно меньше, чем в поперечном. Электропроводность диэлектриков зависит от агрегатного состояния, особенностей их строения и состава.

Молекулы твердых органических диэлектриков мало склонны к ионной диссоциации. Поэтому эти материалы в чистом виде имеют малую электропроводность. Однако большинство органических диэлектриков имеют повышенную электропроводность, так как могут содержать большое количество ионогенных и полярных групп примесей, склонных к ионной диссоциации. Такими примесями являются вода, остатки растворителей, катализаторов, побочных продуктов, исходных мономеров и т.п.

Электропроводность пластических масс сильно зависит от свойств наполнителя. Например, пластмассы, содержащие в качестве наполнителей гигроскопические целлюлозные материалы (древесную муку, бумагу, хлопчатобумажную ткань), обладают повышенной электропроводностью, а пластмассы с минеральными наполнителями (кварц, слюда) характеризуются более высоким электросопротивлением.

Объемное сопротивление _v кристаллических полимеров при прочих равных условиях выше, чем аморфных, так как при плотной упаковке макромолекул перемещение ионов затрудняется.

Электропроводность неорганических диэлектриков в слабых полях при низких температурах обусловливается ионами примесей, а при высоких температурах – также собственными ионами.

У чистых неорганических аморфных диэлектриков с плотной упаковкой ионов _v имеет высокие значения, достигающие 10¹⁴ – 10¹⁷ Ом^.м.

Электропроводность неорганических аморфных диэлектриков, например, стекол, зависит от состава. В наибольшей степени электропроводность стекол повышается при введении окислов одновалентных металлов (К₂О, Li₂О), так как их ионы подвижнее, чем ионы двухвалентных. Электропроводность стекол, не содержащих примесей, невысокая (плавленый кварц).

Керамические материалы можно рассматривать как совокупность мелкокристаллической и стеклообразной аморфной фаз. Поскольку электропроводность кристаллических диэлектриков мала, электропроводность керамики определяется электропроводностью аморфной фазы. Керамические материалы, содержащие большое количество аморфной фазы с щелочными окислами (например, электрофарфор), обладают повышенной электропроводностью.

Долговечность и надежность электрической изоляции проводов, диэлектрика конденсатора и других деталей зависят от электрической прочности диэлектрика, характеризующей способность диэлектрика противостоять разрушающему действию электрического поля.

Электрическую прочность диэлектриков Е_пр оценивают по пробивной напряженности однородного электрического поля:

, МВ/м,

где – пробивное (предельное) напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, МВ;– толщина диэлектрика, т.е. расстояние между электродами, м.

В твердых диэлектриках различают два основных вида пробоя: электрический и тепловой. Возникновение того или иного вида пробоя в данном диэлектрике зависит от его свойств, формы электродов и условий эксплуатации.

Электрический пробой твердых диэлектриков сводится к нарушению упругих связей между зарядами под действием электрического поля и по своей природе является чисто электронным процессом. Электрический пробой протекает очень быстро (10^–7 – 10^–8 с) и электрическая прочность большинства однородных материалов в однородном поле практически не зависит или слабо зависит от толщины, температуры и времени действия напряжения.

На практике часто до наступления электрического пробоя при более низких напряжениях уже происходит тепловой пробой, вызванный накоплением тепла, выделяемого в диэлектрике под действием электрического. Такой пробой происходит в диэлектриках, обладающих высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью в условиях затрудненной теплоотдачи. Сущность теплового пробоя заключается в следующем: под влиянием нагрева в электрическом поле активное сопротивление диэлектрика уменьшается, рост активного тока, в свою очередь, ведет к дальнейшему нагреву, нарушению теплового баланса и, наконец, к тепловому разрушению диэлектрика (расплавлению, обугливанию). Для теплового пробоя характерно значительное уменьшение электрической прочности с ростом температуры.

Иногда различают так называемый электрохимический пробой. В диэлектриках, длительно находящихся в электрическом поле, происходит электролиз, ионизация газовых включений и т.д. Эти процессы приводят к химическому изменению – старению диэлектрика. Конечной стадией электрохимического пробоя чаще всего является тепловой пробой.

При возникновении разрядов в порах керамических материалов при высокой частоте в результате выделения тепла образуются значительные градиенты температуры, что вызывает термическое напряжение в диэлектрике. При достаточно высоком электрическом напряжении, когда термические напряжения станут больше предела механической прочности керамики, происходит ее растрескивание вблизи пор, что приводит к пробою газовых прослоек. Этот пробой в керамических материалах называется термоионизационным.

Наличие пор как в органических, так и неорганических диэлектриках может привести к снижению Е_пр и по той причине, что поры во влажной среде заполняются влагой, которая увеличивает проводимость и ведет к тепловому пробою.

Снижение электрической прочности неоднородных композиционных материалов происходит также из-за того, что обычно отдельные их компоненты имеют разные диэлектрические проницаемости , проводимости  и толщины h.

Таким образом, наибольшей электрической прочностью обладают диэлектрики однородные, плотные, нагревостойкие, тонкие с низкой электропроводностью и повышенной теплопроводностью; Е_пр однородных плотных тонких диэлектриков (пленочные фторлон-4, лавсан, слюда и т.п.) составляет 100 – 300 МВ/м. У неоднородных материалов с небольшим количеством закрытых пор (керамика и т.п.) Е_пр = 10 – 13 МВ/м, а у неоднородных с большим количеством пор (пенопласты, непропитанная бумага, пористая керамика и т.п.) Е_пр = 2 – 10 МВ/м.