978-5-7996-1186-6_2014

	управляемые(Активные) диэлектрики	электреты
		теплом
		излучением
		светомидругим
		механическимусилием
		электрическогополя
		спомощью

		Керамика
		Стекла
		диэлектрики
	диэлектрики	Монокристаллические
		Лакотканиислоистыепластики
	Пассивные	Волокнистыематериалы
		компаунды,лаки
		Пропиточныевещества
		Композиционныепластмассы
		Эластомеры(каучуки)
		Линейныеполимеры

Рис. 5.1. Классификация диэлектриков

90

П о л я р и з а ц и я – это состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента объема. Различают поляризацию под действием внешнего электрического поля, спонтанную и поляризацию под действием механических напряжений.

Способность поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью

= Сд/С0,

(5.1)

где Сд –емкость конденсатора, изготовленного изданногодиэлектрика;С0 –емкостьконденсатораввакууме(геометрическаяемкость).

Абсолютная проницаемость а связана с относительной выражением

а = 0,

(5.2)

где 0 – этопереводной коэффициент, зависящий от системы единиц.

В системе СИ 0 = 8,854 10–12 ф/м (const).

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектрика связанныхэлектрическихзарядов, уменьшающихнапряженность поля внутри вещества.

Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность P:

P= dp/dV,

(5.3)

где dp – единичный электрический момент; dV – единица объема. Механизмы поляризации различны.

Э л е к т р о н н а я п о л я р и з а ц и я – это упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов,= 10–15 с, поэтому ее называют мгновенной (рис. 5.2). Имеет место у всех видов диэлектриков.

ат. Н2

Рис. 5.2. Электронная поляризация

91

И о н н а я п о л я р и з а ц и я обусловлена смещением связанных ионов в кристаллической решетке на расстояние меньшепериодарешетки(рис. 5.3).ВкристаллахNaClпри ионной поляризации Na+ смещаетсяв направлении приложенноговнешнегополя, а Cl– – против поля. Времяэтогопроцесса составляет = 10–13 с.

Рис. 5.3. Ионная поляризация

Д и п ол ь н о - р е л а к с а ц и о н н а я п о л я р и з а ц и я происходит, когда дипольные моменты ориентируются в электрическомполе(рис. 5.4). Она свойственна полярным, жидкими твердым органическим веществам. Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого поляризация под действием тепловой энергии уменьшается в 2,7 раза. Сильноевлияниеоказывает значение температуры.

Е

Рис. 5.4. Дипольно-релаксационная поляризация

И о н н о - р е л а к с а ц и о н н а я п о л я р и з а ц и я имеет место, когда слабо связанные ионы перемещаются на расстояния больше величины постоянной решетки (неорганические стекла, ионные диэлектрики с неплотной упаковкой). После снятия внешнего поля ионы постепенно возвращаются на свои места.

92

Э л е к т р о н н о - р е л а к с а ц и о н н а я п о л я р и - з а ц и я имеет тот же механизм, что и в предыдущем случае, но касается слабосвязанных носителей заряда.

Р е з о н а н с н а я п о л я р и з а ц и я наблюдается в диэлектриках при световых частотах и относится к собственной частоте электронов или ионов, при которой резковозрастает поглощение электромагнитной энергии. Изменение с изменением частоты называется диэлектрической дисперсией.

М и г р а ц и о н н а я п ол я р и з а ц и я имеетместов неоднородных по структуре и проводимости материалах при наличии проводящих примесей. Перемещения ограничиваются границами неоднородностей.

С а м о п р о и з в о л ь н а я п о л я р и з а ц и я существует у группы материалов, обладающих особенностями сегнетовой соли (NaKC4H4O6 4H2O) и поэтому названных сегнетоэлектриками.

В зависимости от влияния напряженности внешнего поля на диэлектрическую проницаемость диэлектрики подразделяются

на л и н е й н ы е и	н е л и н е й н ы е (а к т и в н ы е) (рис.5.5).

Е	Е
а	б

Рис. 5.5. Линейные (а) и нелинейные (б) диэлектрики

Линейные диэлектрики можно разделить на несколько групп

сучетом механизмов поляризации:

Н е п о л я р н ы е (газы, жидкости и твердыетела) –это диэлектрики, которыеобладаютэлектронной поляризацией (водород, бензол, сера, парафин, полиэтилен).

93

П о л я р н ы е (д и п о л ь н ы е) – это органические жидкие и твердые вещества, обладающие одновременно электронной

идипольно-релаксационной поляризацией (нитробензол, фенолформальдегидные смолы, хлоруглеводороды, капрон).

И о н н ы е – это твердые неорганические диэлектрики:

–с ионной и электронной поляризацией (кварц, слюда, корунд

идругие)

–с ионной, электронной и релаксационной поляризацией (неорганические стекла, многие виды керамики).

Большое влияние на диэлектрическую проницаемость линейных диэлектриков оказывает их агрегатное состояние.

У газов поляризация незначительна, значение близко к 1,

идля них выполняется условие n2, гдеn –показатель преломления. Поляризация бывает либоэлектронная, либодипольная, если молекулыгаза полярны.Диэлектрическаяпроницаемостьтембольше, чем больше радиус молекул, пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре. Для воздуха значение составляет 1,0006.

Жидкости могут состоять из полярных и неполярных молекул. Для неполярных молекул справедливо выражение n2, значениене превышает 2,5, и для них характерна электронная поляризация. Для полярных жидкостей имеют местоэлектронная и диполь- но-релаксационная поляризации. Чем больше электрическое значение диполя, тем больше . При частотах более 109 Гц уменьша-

ется. Значение для Н2О находится в пределах от 60 до 85.

В твердых телах возможны все виды поляризации. Наименьшее значение утвердых тел из неполярных молекул (электронная поляризация, n2). Значение парафина равно 2,0, серы – 3,8, а алмаза – 5,7. Твердые тела, состоящие из ионных кристаллов,

имеют большее значение . У корунда Al2O3 значение равно 10, уTiO2 – 110, у CaTiO3 – 150, а у стекла находится в пределах от 4

до 20.

У полярных органических диэлектриков сильно зависит от температуры и частоты.

94

5.2.Электропроводность диэлектриков

Поляризация приводит к появлению поляризационных токов или токов смещения. При электронной и ионной поляризации токи очень кратковременны и не фиксируются приборами. При релаксационных видах поляризации токи смещения называются абсорбционными (Iабс). При постоянном напряжении ток возникает только в периоды его включения и выключения. При переменном напряжении ток имеет место в течение всего времени действия приложенного напряжения.

Приналичиив диэлектрикахсвободныхзарядовмогутпоявитьсятоки сквозной электропроводности (Iскэл). Полнаяплотностьтока называется током утечки (Iут):

Iут = Iабс + Iскэл.

(5.4)

В большинстведиэлектриков электропроводность ионная, реже – электронная.

У твердых диэлектриков различают объемную и поверхностную электропроводность, а также удельное объемное сопротивление v и удельное поверхностноесопротивление s. Для них характернo соотношениe

v =RS/h,

(5.5)

где R – объемное сопротивление; S – площадь электрода; h – толщина образца.

s численно равно сопротивлению квадрата любых размеров:

s =Rsd/l,

(5.6)

где Rs – поверхностное сопротивление образца между электродами шириной d и межэлектродным расстоянием l.

Значения 1/ v и 1/ s называются удельной объемной и поверхностной проводимостями v и s.

Полная проводимость складывается из объемной и поверхностной проводимостей. Электропроводность диэлектриков зависит от их агрегатного состояния, температуры и влажности среды.

95

При длительной работе диэлектрика под напряжением значение Iскэл может уменьшиться или увеличиться. Это связано либо с электронной оболочкой, либо с процессами старения диэлектрика под напряжением.

Электропроводность газов незначительна, если газ неионизированный. Ионизация может быть внешняя (ультрафиолет, рентгеновское излучение, нагревание) и ударная (соударение частиц газа ускоренных электрическим полем).

ДонапряжениянасыщенияUн выполняетсязаконОма(рис.5.6). Дальнейшемуростутока дозначения, соответствующегокритическомунапряжениюUкр, препятствуетрекомбинациязаряженныхчастиц. Далее ток снова начинает расти.

I

Uн

Uкр

U

Рис. 5.6. Вольт-амперная характеристика диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков сильно связана со строением молекул диссоциирующих примесей, возможностью диссоциации самой жидкости и может быть обусловлена также коллоидными и другими крупными частицами.

С ростом электропроводностьжидкости растет. Сильнополярные жидкости уже рассматриваются как проводники с ионной электропроводностью. Электропроводность жидкости сильно зависит от температуры, увеличиваясь с ее ростом. Электропроводность твердых диэлектриков может быть обусловлена свободными электронами, ионами и примесями.

96

Вид электропроводности определяется экспериментально. Подвижность электронов на 9–12 порядков больше подвижности ионов.

Втелах с кристаллической ионной решеткой электропроводность связана с валентностью ионов. В кристаллах NaCl больше,

чем у MgO или Al2O3. В анизотропных кристаллах различается по его осям. Для кварца значение в направлении главной оси

в1000разбольше, чемв направлении, перпендикулярномэтой оси.

Вкристаллических телах с молекулярной решеткой (сера, алмаз) значение малои определяется в основном примесями. У пористыхдиэлектриков большой вклад в величину вноситадсорбированная вода. Влага еще сильнее увеличивает , если в составе материала есть растворимые примеси (электролиты).

Поверхностная s во многом обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности. Посколькуад-

сорбциявлагисвязанасприродой материаладиэлектрика, тоувеличение в этом случаерассматривают как свойствосамогодиэлектрика. На это сильно влияет относительная влажность воздуха.

Загрязнения сильнее сказываются на гидрофильных диэлектриках, чем на гидрофобных. Усиливают значение растворимость

вводематериала диэлектрика иадсорбционнаяактивностьповерхности к загрязнениям.

Для уменьшения величины s применяют промывку в спирте, нагрев, кипячение в дистиллированной воде, нанесение кремний-

органических лаков.

5.3.Потери в диэлектриках

Д и э л е к т р и ч е с к и м и п о т е р я м и называют электрическуюмощность, затраченную на нагрев диэлектрика, находящегосяв электрическом поле. Винженерной практикедляобозначения способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом полеиспользуютуголдиэлектрическихпотерь, а такжетангенс этого угла.

97

Уг л о м	д и э л е к т р и ч е с к и х п о т е р ь называют
угол, дополняющий до 90 ° угол сдвига фаз между током I и на-
пряжением Uс	в емкостной цепи (рис. 5.7).
		I
Cs	r					Ur = Ir
Uc	Ur
		U			I
			c		Cs
	а				б

Рис. 5.7. Емкостная цепь (а) и угол диэлектрических потерь (б), характеризующие способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле

Для идеального диэлектрика = 0. Чем больше рассеивается мощность, тем больше значение .

Материалы, используемые в установках с высоким напряжением и в высокочастотной аппаратуре, должныиметь малыезначения и . Большие диэлектрические потери приводят к нагреву изделия и могут привести к его разрушению.

Различают следующие в и д ы д и э л е к т р и ч е с к и х

по т е р ь:

1)потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметнуюобъемнуюили поверхностнуюэлектропроводность, не зависят от частоты напряжения;

2)релаксационные потери обнаруживаются в диэлектриках, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области высоких частот;

3)ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии;

98

4)резонансныепотеринаблюдаютсявнекоторыхгазахпристрого определенной частоте и связаны с сильным поглощением электромагнитного излучения.

Диэлектрические потери в газах очень малы при напряженияхнижеUкр. Связаны они в основномс электропроводностью. Они незначительны также в неполярных жидкостях без примесей (например, чистое конденсаторное масло).

Вполярныхжидкостяхиз-задипольно-релаксационныхпотерь, особенно в вязких жидкостях, общие потери значительно выше, чем потери на электропроводность. Особенно их увеличивает повышениечастоты напряжения (полярныежидкости нельзя использовать в высокочастотных устройствах).

Втвердыхдиэлектрикахпотери зависятотструктурыматериала, а в веществах с молекулярной структурой – от вида молекул.

Для материалов с неполярными молекулами мала (сера, полиэтилен, полистирол). Их можно использовать в высокочастотных устройствах. В случае полярных молекул значение может быть очень большим, особеннона радиочастотах (гетинакс, лавсан, капрон, фенолформальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, кремнийорганика).

Ввеществахсионнойрешеткойв отсутствиепримесей исплотной упаковкой ионов значение мало (корунд, хлорид натрия). При неплотной упаковке ионов велико (некоторые материалы из керамики и фарфора).

Вквазиаморфных веществах (стеклах) может быть различно

иопределяется временем релаксации. На высоких частотах могут быть резонансные потери.

5.4.Пробой диэлектриков

Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называется п р о б о е м. Минимальное напряжение, приводящее к пробою, называется п р о б о й н ы м н а п р я ж е н и е м Uпр (рис. 5.8).

99