- •1. Поляризация диэлектриков
- •2. Зависимость ε от частоты приложенного напряжения.
- •3. Зависимость ε от температуры.
- •4. Потери в диэлектриках
- •5. Электрическое сопротивление диэлектриков.
- •6. Диэлектрические потери.
- •7. Электрическая прочность диэлектриков
- •8. Механические и физико-химические свойства диэлектриков
- •9. Газообразные диэлектрики
- •10. Жидкие диэлектрики.
- •10.1. Нефтяные масла.
- •10.2. Синтетические масла
- •11. Твёрдые диэлектрики.
- •11.2. Неполярные (высокочастотные) органические диэлектрики.
- •11.3 Слабо полярные (низкочастотные) полимеры.
- •11.4. Полярные низкочастотные полимеры.
- •11.5. Электроизоляционные волокнистые и слоистые пластики.
- •11.6. Материалы печатных схем.
- •11.7. Неорганические диэлектрики.
Диэлектрики
К диэлектрикам относятся материалы с удельным электрическим сопротивлением более 10 Ом-м обладающие свойством поляризации. Диэлектрики являются самой многочисленной группой материалов, отличающихся многообразием химического состава структуры, а также электрических, механических и других свойств.
Существуют различные классификации диэлектриков:
-
По агрегатному состоянию: газообразные, жидкие твердые.
-
По способности к поляризации: неполярные, полярные.
-
По химическому составу: органические и неорганические.
-
По структуре: кристаллические, аморфные.
-
По виду выходного параметра: активные, пассивные.
Разнообразно применение диэлектриков в современной технике. Кроме широкого известного использования диэлектриков в качестве изоляции от воздействия электрического тока, они все в большей степени применяются в качестве активных элементов современной электронной аппаратуры: запоминающих устройств вычислительной техники, преобразователей механических воздействий в электрический сигнал и наоборот, а также в термочувствительных и других датчиках.
Диэлектрики обладают характерными свойствами, наиболее важными из которых является их способность поляризоваться в электрическое поле. Основными параметрами электрических свойств диэлектриков являются:
-
удельное электрическое сопротивление;
-
диэлектрическая проницаемость;
-
коэффициент диэлектрических потерь;
-
электрическая прочность.
1. Поляризация диэлектриков
Основное электрическое свойство диэлектриков - способность поляризоваться под воздействием электрического поля, в котором возможно существование внутреннего электрического поля.
Поляризация представляет собой процесс смещения и упорядочения связных электрических зарядов в диэлектриках под действием внешнего электрического поля.
По этому признаку все диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные.
В тех материалах, в атомах которых электрон вращается вокруг ядра (протона) по круговой орбите, центры приложения как положительных, так и отрицательных зарядов совпадают. За счет быстрого вращения по круговой орбите отрицательный заряд электрона практически находится в центре системы. Дипольный электрический момент атома μ = qL, где q - положительный или равный ему отрицательный заряд частицы; L - расстояние между зарядами. В данном случае L = 0 и соответствует μ = 0.
Диэлектрики, у которых дипольный электрический момент равно нулю, называются неполярными. К таким диэлектрикам относятся одноатомные (Не, Аr, Кr) и двухатомные (H2, N2, Cl2) газы. Слабо полярны все углеводороды и некоторые органические материалы.
Если такой материал поместить в электрическое поле, то центр отрицательного заряда изменит свое положение и система, (атом) превратится в диполь с наведенным электрическим моментом:
Рисунок – 1. Дипольная молекула
m = αE
где: Е - напряженность электрического поля; α - коэффициент пропорциональности или поляризуемость, т.е. способность поляризоваться.
Рассмотренный вид поляризации называется электронный и происходит практически мгновенно (за время 1015 с.). Этот вид поляризации относится к упругим видам, не сопровождается рассеиванием энергии, т.е. за счет упругой деформации или смещения атомов, ионов или молекул материала из положения равновесия под действием электрического поля и быстро возвращается в исходное положение при снятии воздействия внешнего поля. Электронная поляризация характерна для всех типов диэлектриков.
Примером полярного диэлектрика является материал, обладающий молекулярным строением, когда центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают. В простейшем случае молекула состоит из положительного и отрицательного иона. В отсутствии внешнего электрического поля каждая молекула обладает собственным электрическим дипольным моментом μ неравным нулю. За счет теплового движения все дипольные молекулы расположены хаотично и суммарная поляризация материала равна нулю.
Если такой диэлектрик поместить в электрическое поле Ен, то дипольные молекулы примут некоторое ориентированное положение. На поверхности материала появятся связанные поверхностные заряды. Эти заряды некомпенсированные в отличие от внутренних зарядов и именно они создают собственное поле диэлектрика Ев, вызванное поляризацией, напряженность которого направлена на встречу Ен. Суммарная напряженность электрического поля Е оказывается несколько меньше, чем в случае отсутствия диэлектрика электродами (в вакууме). Такой вид поляризации называется дипольнорелаксационной, замедленной поляризацией, так как связан с перемещением крупных частиц материала и происходит за более ощутимое время 10-2 ... 10-10 с. За время установления поляризации (время релаксации) принимают время, в течение которого при снятии электрического поля поляризация диэлектрика уменьшается в е раз.
Величина, характеризующая степень ослабления напряженности внешнего поля внутренним полем диэлектрика, является одной из важных электрических характеристик диэлектрика - диэлектрической проницаемостью и обозначается буквой е:
ε=Ен/Ен – Ев
Рисунок 2. Поляризация диэлектрика
В неполярных диэлектриках происходят только упругие виды поляризации, в полярных – как упругие, так и релаксационные. Значение е зависит от вида поляризации. Для полярных диэлектриков она обычно больше, чем для неполярных и зависит от частоты приложенного напряжения, температуры и влажности.
Рисунок 3. Поляризация неполярного диэлектрика