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.);

Лекция 1.3.1. Поляризация диэлектриков

Диэлектрические материалы

Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. Это широкий класс электротехнических материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и интетических, органических, неорганических и элементоорганических. По выполняемым функциям они делятся на пассивные и активные. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов. В активных диэлектриках (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), электрические свойства зависят от управляющих сигналов, способных изменять характеристики электротехнических устройств и приборов.

По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из неполярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные диэлектрики состоят из несимметричных молекул (диполей). Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом – р.

В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивается в виде тепла. Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики.

Основные электрические свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 3.

Таблица 3 - Электрические свойства диэлектриков и их характеристики

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние.

Различают два вида поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без выделения энергии рассеяния, т.е. без выделения тепла, за время 10 -15 – 10 -13 с; поляризация не совершается мгновенно, а нарастает или убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревает - это релаксационная поляризация за время от 10 -8 до 10 2 с.

К первому виду относятся электронная и ионная поляризации.

Электронная поляризация (C э, Q э) – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за время 10 -15 с. Наблюдается такая поляризация для всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n 2 .

Ионная поляризация (C и, Q и) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10 -13 с. С повышением температуры смещение усиливается и в результате ослабления упругих сил между ионами, а температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.

Ко второму виду относят все релаксационные поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация (C др, r др, Q др) связана с тепловым движением диполей при полярной связи между молекулами. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, выделения энергии в виде тепла (r др). Время релаксации здесь порядка 10 -8 – 10 -6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация (C ир, r ир, Q ир) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений получают избыточные набросы в направлении поля и смещаются по силовой линии его. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации, энергия активации и частота собственных колебаний происходит в течение 10 -6 – 10 -4 с и связано законом

где f – частота собственных колебаний частиц; v - энергия активации; k –постоянная Больцмана (8,63 10 -5 ЭВ/град); T – абсолютная температура по К 0 .

Электронно - релаксационная поляризация (C эр, r эр, Q эр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10 -8 – 10 -6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, Са+2, Ва+2, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах наличие максимума в температурной зависимости e (диэлектрической проницаемости). e для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты.

Структурные поляризации различают:

Миграционная поляризация (C м, r м, Q м) протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 10 2 с.Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в при электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации. Для сегнетоэлектриков различают спонтанную или самопроизвольную поляризацию,(C сп, r сп, Q сп), когда идет значительное рассеяние энергии или выделение тепла за счет доменов (отдельные области, вращающихся электронных оболочек) , смещающихся в электрическом поле, т. е. еще в отсутствии электрического поля в веществе есть электрические моменты, а при некоторой напряженности внешнего поля наступает насыщение и наблюдается возрастание поляризации.

Классификация диэлектриков по виду поляризации.

Первая группа – диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенной поляризациями. Структура таких материалов состоит из нейтральных молекул, может быть слабополярной и характерна для твердых кристаллических и аморфных материалов таких, как парафин, сера, полистирол, а также жидкие и газообразные материалы как бензол водород и др.

Вторая группа – диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями – это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества как маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и т.п. материалы.

Третья группа – диэлектрики твердые неорганические, которые делятся на две подгруппы, отличающиеся по электрическим характеристикам – а) диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями, такие как кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил; б) диэлектрики с электронной и ионной релаксационными поляризациями – это стекла, материалы со стекловидной фазой (фарфор, микалекс и т.п.) и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов.

Четвертая группа – это диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенными и структурной поляризациями, что свойственно многим позиционным, сложным, слоистым и сегнетоэлектрикам материалам.

5.8.2. Жидкие диэлектрики

Подразделяются на 3 группы:

1) нефтяные масла;

2) синтетические жидкости;

3) растительные масла.

Жидкие диэлектрики используют для пропитки кабелей высокого напряжения, конденсаторов, для заливки трансформаторов, выключателей и вводов. Кроме этого они выполняют функции теплоносителя в трансформаторах, дугогасителя в выключателях и др.

Нефтяные масла

Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов парафинового (С n Н 2 n+ 2 ) и нафтенового (С n Н 2 n ) рядов. Они широко применяются в электротехнике в качестве трансформаторного, кабельного и конденсаторного масел. Масло, заполняя промежутки и поры внутри электротехнических установок и изделий, повышает электрическую прочность изоляции и улучшает теплоотвод от изделий.

Трансформаторное масло получают из нефти путем перегонки. Электрические свойства трансформаторного масла в значительной степени зависят от качества очистки масла от примесей, содержания в нем воды и степени обезгаживания . Диэлектрическая проницаемость масла 2,2, удельное электрическое сопротивление 10 13 Ом· м .

Назначение трансформаторных масел – повышать электрическую прочность изоляции; отводить тепло; способствовать дугогашению в масляных выключателях, улучшать качество электроизоляции в электротехнических изделиях: реостатах, бумажных конденсаторах, кабелях с бумажной изоляцией, силовых кабелях - путем заливки и пропитки.

Трансформаторное масло в процессе эксплуатации стареет, что ухудшает его качество. Старению масла способствуют: контакт масла с воздухом, повышенные температуры, соприкосновение с металлами (Сu , Рb , Fе ), воздействие света. Для увеличения срока службы масло регенерируют очисткой и удалением продуктов старения, добавлением ингибиторов.

Кабельное и конденсаторное масла отличаются от трансформаторного более высоким качеством очистки.

Синтетические жидкие диэлектрики

Синтетические жидкие диэлектрики по некоторым свойствам превосходят нефтяные электроизоляционные масла.

Хлорированные углеводороды

Совол – пентахлордифенил С 6 Н 2 Сl 3 – С 6 Н 3 Сl 2 , получают при хлорировании дифенила С 12 Н 10

С 6 Н 5 – С 6 Н 5 + 5 Сl 2 → С 6 Н 2 Сl 3 – С 6 Н 3 Сl 2 + 5 НСl

Совол применяется для пропитки и заливки конденсаторов. Обладает более высокой по сравнению с нефтяными маслами диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость совола 5,0, удельное электрическое сопротивление 10 11 ¸ 10 12 Ом · м.Применяется совол для пропитки бумажных силовых и радиоконденсаторов с повышенной удельной емкостью и невысоким рабочим напряжением.

Совтол – смесь совола с трихлорбензолом . Используется для изоляции взрывобезопасных трансформаторов.

Кремнийорганические жидкости

Наибольшее распространение имеют полидиметилсилоксановые , полидиэтилсилоксановые , полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Полисилоксановые жидкости – жидкие кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны ), обладают такими ценными свойствами как: высокая нагревостойкость , химическая инертность, низкая гигроскопичность, низкая температура застывания, высокие электрические характеристики в широком интервале частот и температур.

Жидкие полиорганосилоксаны представляют собой полимерные соединения с низкой степенью полимеризации, молекулы которых содержат силоксанную группировку атомов

,

где атомы кремния связаны с органическими радикалами R : метилом CH 3 , этилом C 2 H 5 , фенилом C 6 H 5 . Молекулы полиорганосилоксановых жидкостей могут иметь линейную, линейно-разветвленную и циклическую структуру.

Жидкие полиметилсилоксаны получают при гидролизе диметилдихлорсилана в смеси с триметилхлорсиланом .

Образующиеся жидкости бесцветны, растворяются в ароматических углеводородах, дихлорэтане и ряде других органических растворителей, не растворяются в спиртах и ацетоне. Полиметилсилоксаны химически инертны, не оказывают агрессивного действия на металлы и не взаимодействуют с большинством органических диэлектриков и резин. Диэлектрическая проницаемость 2,0 ¸ 2,8, удельное электрическое сопротивление 10 12 Ом · м , электрическая прочность 12 ¸ 20 МВ/м

Формула полидиметилсилоксан а имеет вид

– Si (СН 3 ) 3 – О – [ Si (СН 3 ) 2 – О ] n – Si (СН 3 ) = О

Жидкие кремнийорганические полимеры находят применение как:

Полидиэтилсилоксаны – получают при гидролизе диэтилдихлорсилана и триэтилхлорсилана . Имеют широкий интервал температур кипения. Строение выражается формулой:

Свойства зависят от температуры кипения. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана .

Жидкие полиметилфенилсилоксаны имеют строение, выражаемое формулой

Получают гидролизом фенилметилдихлорсиланов и др. Масло вязкое. После обработки NаОН вязкость повышается в 3 раза. Выдерживает нагрев в течение 1000 час до 250 °С. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана .

При γ – облучении вязкость кремнийорганических жидкостей сильно возрастает, а диэлектрические характеристики резко ухудшаются. При большой дозе облучения жидкостипревращаются в каучукоподобную массу, а затем в твердое хрупкое тело.

Фторорганические жидкости

Фторорганические жидкости – С 8 F 16 – негорючи и взрывобезопасны, высоконагревостойки (200 °С), обладают малой гигроскопичностью. Пары их имеют высокую электрическую прочность. Жидкости имеют низкую вязкость, летучи. Обладают лучшим теплоотводом , чем нефтяные масла и кремнийорганические жидкости. –) n ,

представляет собой неполярный полимер линейной структуры. Получается полимеризацией газа этилена С 2 Н 4 при высоком давлении (до 300 МПа), либо при низком (до 0,6 МПа). Молекулярная масса полиэтилена высокого давления – 18000 – 40000, низкого – 60000 – 800000.

Молекулы полиэтилена обладают способностью образовывать участки материала с упорядоченным расположением цепей (кристаллитов), поэтому полиэтилен состоит из двух фаз (кристаллической и аморфной), соотношение которых определяет его механические и тепловые свойства. Аморфная придает материалу эластичные свойства, а кристаллическая – жесткость. Аморфная фаза имеет температуру стеклования +80 °С. Кристаллическая фаза обладает более высокой нагревостойкостью .

Агрегаты молекул полиэтилена кристаллической фазы представляют собой сферолиты с орторомбической структурой. Содержание кристаллической фазы (до 90 %) в полиэтилене низкого давления выше, чем в полиэтилене высокого давления (до 60 %). Благодаря высокой кристалличности полиэтилен низкого давления имеет более высокую температуру плавления (120 -125 °С) и более высокую прочность при растяжении. Структура полиэтилена в значительной степени зависит от режима охлаждения. При его быстром охлаждении образуются мелкие сферолиты, при медленном охлаждении – крупные. Быстро охлажденный полиэтилен отличается большой гибкостью и меньшей твердостью.

Свойства полиэтилена зависят от молекулярного веса, чистоты, посторонних примесей. Механические свойства зависят от степени полимеризации. Полиэтилен обладает большой химической стойкостью. Как электроизоляционный материал широко применяется в кабельной промышленности и в производстве изолированных проводов.

В настоящее время изготовляются следующие виды полиэтилена и полиэтиленовых изделий:

1. полиэтилен низкого и высокого давления - (н.д.) и (в.д.);

2. полиэтилен низкого давления для кабельной промышленности;

3. полиэтилен низкомолекулярный высокого или среднего давления;

4. пористый полиэтилен;

5. полиэтиленовый специальный шланговый пластикат;

6. полиэтилен для производства ВЧ кабеля;

7. электропроводящий полиэтилен для кабельной промышленности;

8. полиэтилен, наполненный сажей;

9. хлорсульфированный полиэтилен;

10. пленка полиэтиленовая.

Фторопласты

Существует несколько видов фторуглеродных полимеров, которые могут быть полярными и неполярными.

Рассмотрим свойства продукта реакции полимеризации газа тетрафторэтилена

(F 2 С = СF 2 ).

Фторопласт – 4 (политетрафторэтилен) – рыхлый порошок белого цвета. Структура молекул имеет вид

Молекулы фторопласта имеют симметричное строение. Поэтому фторопласт является неполярным диэлектриком

Симметричность молекулы и высокая чистота обеспечивают высокий уровень электрических характеристик. Большая энергия связи между С и F придает ему высокую холодостойкость и нагревостойкость . Радиодетали из него могут работать от-195 ÷ +250°С. Негорюч , химически стоек, негигроскопичен, обладает гидрофобностью, не поражается плесенью. Удельное электрическое сопротивление составляет 10 15 ¸ 10 18 Ом · м , диэлектрическая проницаемость 1,9 ¸ 2,2, электрическая прочность 20 ¸ 30 МВ/м

Радиодетали изготавливают из порошка фторопласта холодным прессованием. Отпрессованные изделия спекают в печах при 360 - 380°С. При быстром охлаждении изделия получаются закаленными с высокой механической прочностью. При медленном охлаждении – незакаленные. Они легче обрабатываются, менее тверды, имеют высокий уровень электрических характеристик. При нагреве деталей до 370° из кристаллического состояния переходят в аморфное и приобретают прозрачность. Термическое разложение материала начинается при > 400°. При этом образуется токсичный фтор.

Недостаток фторопласта – его текучесть под действием механической нагрузки. Имеет низкую стойкость к радиации и трудоемок при переработке в изделия. Один из лучших диэлектриков для техники ВЧ и СВЧ. Изготовляют электро - и радиотехнические изделия в виде пластин, дисков, колец, цилиндров. Изолируют ВЧ кабели тонкой пленкой, уплотняющиеся при усадке.

Фторопласт можно модифицировать, применяя наполнители – стекловолокно, нитрид бора, сажу и др., что дает возможность получать материалы с новыми свойствами и улучшить имеющиеся свойства.

Диэлектрики. Классификация

Диэлектриками называются материалы, в которых длительно могут существовать электростатические поля и основным свойством которых является способность к поляризации.

При нормальных условиях (температура близкая к комнатной, давление порядка атмосферного, уровень радиационного воздействия близок по интенсивности к солнечному) диэлектрики обладают высокими значениями удельного электрического сопротивления (ρ>10 8 Ом·м) и шириной запрещенной зоны порядка 3-8 эВ. При этом электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле они могут лишь смещаться, что приводит к разделению центров положительного и отрицательного зарядов.

Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.

Диэлектрики классифицируют по разным признакам.

1 По функциям, которые диэлектрические материалы выполняют в приборах и устройствах, а также по воздействию, оказываемому на них внешними факторами, они подразделяются на электроизоляционные и конденсаторные материалы (линейные или пассивные) и активные диэлектрики (нелинейные или управляемые).

2 По агрегатному состоянию - на газообразные, жидкие и твердые.

В газообразных - молекулы или атомы находятся на значительном расстоянии друг от друга и слабо взаимодействуют между собой, плотность газов низка, они не имеют собственного объема и подразделяются на:

Неполярные (воздух и входящие в его состав газы: водород, кислород, азот; благородные газы: гелий, аргон и др.), у которых в отсутствии внешнего электрического поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают;

Полярные (СО, Н 2 О, HCl, HF, H 2 S и др.), у которых центры разноименных зарядов не совпадают, т.е. существуют постоянные диполи.

В жидких - молекулы и атомы расположены ближе чем в газах, и они имеют собственный объем, а их свойства слабо зависят от внешнего давления. К электроизоляционным и конденсаторным материалам относятся нефтяные масла (трансформаторное, кабельное и конденсаторное) и синтетические фтор-, хлор- и кремнийорганические жидкости.

3 По химическому составу на: органические, неорганические и элементоорганические.

Органические - представляют собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические - те, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержат в своем составе углерода и представляют собой, в основном, неорганические химические соединения и твердые растворы на их основе.

Также возможна классификация по наличию или отсутствию дальнего порядка (аморфные и кристаллические), по количеству фаз (однофазные и многофазные), по области применения (низкочастотные и высокочастотные) и др.

Из многообразия электрических свойств диэлектриков, определяющих их техническое применение, основными являются: электропроводность, поляризация, диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.

При воздействии электрического поля в диэлектрике возникает ряд процессов: смещение связанных зарядов (поляризация), направленное движение зарядов (электропроводность), рассеивание энергии поля, вызывающее нагрев диэлектрика (диэлектрические потери) и, наконец, при достаточно высоких напряженностях поля диэлектрик теряет свои диэлектрические свойства (пробой).

1.2 Основные электрические свойства и характеристики диэлектриков

1.2.1 Поляризация и электрическое поле в диэлектрике

В диэлектрике положительно и отрицательно заряженные частицы прочно связаны друг с другом. Поэтому, при внесении диэлектрика в электрическое поле наблюдается лишь смещение связанных зарядов относительно друг друга на небольшие расстояния в направлении действующих на них сил. Это явление называется поляризацией.

Электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля.

Свойства диэлектриков, в которых поляризация возникает лишь пол влиянием электрического поля и исчезает после его снятия, не зависит от напряженности приложенного поля. Поэтому такие диэлектрики и называются линейными (пассивными).

Поляризация в диэлектриках может возникать не только под влиянием электрического поля, но и под воздействием различных внешних факторов (механических усилий, света, температуры и др.), а в некоторых диэлектриках-сегнетоэлектриках возникает в определенном интервале температур самопроизвольно. Свойствами таких диэлектриков можно управлять с помощью внешнихвоздействий: напряженностью электрического поля Е (в сегнетоэлектриках), механическим усилием (в пьезоэлектриках) и т.д., причем зависимость эта не линейна. Так, у сегнетоэлектриков диэлектрическая проницаемость

ε = f (Е) , у материалов для варисторов электрическая проводимость γ = f (E). Эти аномальные по своему поведению в электромагнитном поле материалы называют нелинейными (активными).

Таким образом, приложение к диэлектрику внешнего электрического поля напряженностью Е может привести:

К смещению внутри диэлектрика электрических зарядов (положительные смещаются к “-“, а отрицательные – к”+”), в результате чего образуются диполи;

К ориентации уже имеющихся в материале постоянных диполей.

Два электрических заряда противоположного знака (±q), находящиеся на расстоянии l друг от друга образуют диполь с моментом m (рисунок 1.1)

Рисунок 1.1 – Диполь в электрическом поле

При этом дипольный момент каждого элементарного объема диэлектрика будет пропорционален напряженности электрического поля Е

где α- поляризуемость, характеризующая способность частицы диэлектрика (атома, иона, молекулы или другой структурной единицы) к поляризации.

1.2.2 Вектор поляризации, поляризованность

Основными количественными характеристиками степени поляризации диэлектриков являются поляризованность (или вектор поляризации) Ри диэлектрическая проницаемость ε. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты диэлектрика или равны нулю (неполярные молекулы) или распределены хаотических образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю.

Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется, т.е. результирующий дипольный момент любого его объема становится отличным от нуля. Тогда вектор поляризации можно определить по формуле

,

где – χ = к э ·ε 0 – абсолютная диэлектрическая восприимчивость; к э - диэлектрическая восприимчивость, а ε 0 = 8,85·10 -12 Ф/м- электрическая постоянная.

Таким образом,

Пропорциональность между Р и Е в слабых полях наблюдается у линейных диэлектриков. Вектор поляризации может быть представлен в виде

,

где N- число элементарных дипольных моментов. Скалярная величина Р называется поляризованностью.

1.2.3 Диэлектрическая проницаемость

На рисунке 1.2 схематически изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рисунок 1.2 а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рисунок 1.2 б)- диэлектрик.

Рисунок 1.2

Если электрическое напряжение на электродах U= U 0 · exp (jωt) с угловой частотой ω = 2πf, то напряженность электрического поля Е = U/h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q 0 (на рисунке 1.2 а - квадраты) и определяется из выражения

,

где С 0 - емкость конденсатора с вакуумом.

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате, как уже сказано выше, образуются электрические диполи с моментом m= q·l, где q- суммарный положительный (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l- расстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q д и общий заряд конденсатора возрастает.

При этом полный заряд конденсатора с диэлектриком

,

где ε r - относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами

.

Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами

.

Из этих формул следует, что

,

где ε r и есть относительная диэлектрическая проницаемость.

Емкость плоского конденсатора

,

где ε 0 = 8,85·10 -12 Ф/м- электрическая постоянная, а произведение ε 0 ·ε r = ε- абсолютная диэлектрическая проницаемость.

1.2.4 Электропроводность диэлектриков

Свойство вещества проводить под действием неизменяющегося во времени электрического поля неизменяющийся во времени электрический ток называется электропроводностью.

Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3…7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации, сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном воздействии на диэлектрик ионизируются основные частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом температуры с большей скоростью, так как число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и примесей. Энергия активации основных частиц больше, эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью поверхности материала адсорбировать загрязняющие компоненты, в частности, влагу, содержащуюся в окружающей атмосфере. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их называют гидрофильными, в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление.

Таким образом, в диэлектрике, находящемся в постоянном электрическом поле, протекает электрический ток, состоящий из тока поляризации или смещения, и тока сквозной электропроводности или тока утечки.

Токи поляризации обусловлены смещением связанных зарядов при установлении поляризации. При постоянном напряжении они возникают лишь в момент включения и выключения напряжения и затем затухает. Токи смещения при электронной и ионной поляризации весьма кратковременны (10 -13 -10 -15 с) и называются мгновенными токами смещения. У большинства диэлектриков время существования поляризационных токов составляет доли секунды, но у некоторых может достигать несколько дестков секунд, что происходит при замедленных видах поляризации. Токи, возникающие при установлении замедленных видов поляризации, называются токами абсорбции (Iабс). Их надо учитывать при измерении сопротивления диэлектриков. Считается, что процесс установления всех видов поляризации заканчивается через 1 мин. После подачи постоянного напряжения. При постоянном напряжении I абс протекает лишь в моменты включения и выключения напряжения, при переменном – в течение всего времени. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только током утечки (как при постоянном напряжении), но и активными составляющими поляризационных токов.

Ток утечки может быть измерен через 1 мин. После включения напряжения, когда процесс поляризации закончится и токи смещения исчезнут. Именно ток утечки, или сквозной ток I ск, и определяет электропроводность диэлектрика (рисунок 1.3).

Количественной мерой электропроводности служит удельная проводимость γ, являющаяся коэффициентом пропорциональности между плотностью тока j и напряженностью E (закон Ома)

Плотность тока численно равна заряду, проходящему через единицу сечения в единицу времени

,

где n 0 - концентрация свободных носителей заряда, q - величина заряда, V - скорость дрейфа, т.е. направленного движения заряда в поле Е.

В случае ионной электропроводности

,

где N 0 - полная концентрация ионов в веществе; w- энергия активации, определяющая вероятность перехода иона ьв свободное состояние при температуреТ; к= 1,38·10 -23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Из этого следует, что

,

где b - подвижность носителей заряда, т.е. средняя дрейфовая скорость при единичной напряженности поля. В системе СИ подвижность b имеет размерность м 2 /В·с.

При обычных условиях главным видом носителей зарядов в диэлектриках являются ионы, что объясняется их более низкой энергией активации в сравнении с другими носителями заряда. Так, например, сравним велечины энергий активации (ω) заряженных частиц каменной соли (NaCl) – ионов Na + , Сl - и электронов: ω Na = 0,85 эВ; ω С l = 3 эВ; ω эл = 6 эВ.

Рисунок 1.3 – Изменение тока текущего через диэлектрик, во времени после включения его под постоянное напряжение

Носителями тока в каменной соли служат ионы натрия, так как для их перевода в свободное состояние затрачивается наименьшая энергия (для перевода электронов в свободное состояние требуется энергия в 7 раз больше). Помимо собственных ионов, электропроводность диэлектрика обуславливают и слабо связанные ионы примесей. В неполярных диэлектриках с ковалентной связью при низких температурах это единственные носители тока. Судить о виде носителей (собственные или примесные ионы) можно на основании рис. 1.3. Снижение I c к (кривая 1) свидетельствует о том, что электропроводность диэлектрика была обусловлена ионами примесей, количество которых из-за электрической очистки уменьшилось. Рост I ск (кривая 2) указывает, что носителями тока являются собственные ионы самого диэлектрика, количество которых возрастает из-за необратимого процесса старения. Таким образом, ионная (или электролитическая) проводимость есть результат образования ионов либо за счет диссоциации молекул самого диэлектрика, либо за счет диссоциации молекул примесей под действием теплового движения, электрического поля и др. Этот вид проводимости наиболее часто проявляется в диэлектриках. В этом случае прохождение тока через диэлектрик сопровождается явлением электролиза.

В диэлектриках возможны также электронная и молионная виды проводимости. При электронной основными носителями являются свободные электроны. Этот вид проводимости наблюдается в газообразных диэлектриках, в твердых диэлектриках при высоких температурах и значительных напряженностях поля, а также в тонких слоях.

Молионная или электрофоретическая проводимость появляется в диэлектриках, в которых носителями зарядов служат заряженные группы молекул – молионы. Такой вид проводимости часто имеет место в жидких диэлектриках. При этом наблюдается явление электрофореза – переноса массы вещества к электроду.

1.2.5 Поляризация диэлектриков

Состояние электрической поляризации в диэлектриках возникает за счет различных процессов или механизмов, определяемых структурой вещества.

Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и неупругую (медленную, релаксационную) поляризации. Упругая поляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток, при этом процесс поляризации обратим и протекает без рассеивания энергии, т.е. без нагрева диэлектрика. К таким быстрым поляризациям относятся электронная, завершающаяся за время 10 -16 …10 -13 с, и ионная упругая, завершающаяся за время 10 -14 …10 -13 с, поляризации.

1.2.5.1 Упругие поляризации

Электронная поляризация. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов или ионов, в результате чего центры тяжести зарядов электронного облака и ядра атома (иона) не совпадают в пространстве (рисунок 1.4) и возникает дипольный момент. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10 -13 м) в пределах своих атомов и молекул. Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков, в любом агрегатном состоянии, в переменном поле она происходит во всем диапазоне частот вплоть до 10 15 Гц, а при более высоких частотах исчезает.

Рисунок 1.4 Рисунок 1.5 Рисунок 1.6

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярны. Неполярными диэлектриками являются газы (гелий, водород, азот, метан), жидкости (бензол, четыреххлористый углерод) и твердые материалы (алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин).

Диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом температуры из-за теплового расширения диэлектрика и уменьшения числа частиц в единице объема (рисунок 1.7, кривая 1). Кривая зависимости диэлектрической проницаемости от температуры подобна кривой изменения плотности.

Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало отличается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не изменяется с ростом частоты приложенного напряжения до 10 12 ... 10 13 Гц.

Изменение ε при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости

.

Ионная упругая поляризация. Ионная поляризация происходит в кристаллических диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных кристаллах, слюде, керамике и др. В электрическом поле в таких диэлектриках происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе – электронная поляризация. Смещаются друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов, т.е. происходит упругая ионная поляризация (рисунок 1.5). Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и диэлектрическую проницаемость.

Ионная поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 10 12 – 10 13 Гц, так как время установления поляризации ничтожно мало по сравнению с периодом изменения этого поля. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи между ионами, и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле (рисунок 1.7, кривая 2).

Рисунок 1.7

1.2.5.2 Неупругие поляризации (релаксационные)

Дипольно-релаксационная поляризация. Дипольная поляризация наблюдается в полярных газообразных и жидких диэлектриках. Полярные диэлектрики построены из полярных молекул, в которых центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH 3 , пары воды и спиртов. Полярными жидкостями являются вода, хлорбензол C 6 H 5 Cl, нитробензол C 6 H 5 NO 2 . В электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки атомов – происходит электронная поляризация, также происходит и дипольная поляризация (дипольные моменты молекул ориентируются по полю). В твердых полярных диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков – звеньев, сегментов молекул или ориентация отдельных полярных групп молекул (рисунок 1.6).

Дипольно-релаксационная поляризация сводится к повороту (ориентации) в направлении электрического поля частиц полярного диэлектрика, имеющих постоянный дипольный момент. Такими частицами являются полярные молекулы (в полярных газах и жидкостях) и полярные радикалы (группы атомов и ионов в твёрдых полярных диэлектриках). Схематически этот процесс поляризации изображён на рисунке 1.8, на примере полярной молекулы.

Рисунок 8

В электрическом поле на заряды диполя будут действовать силы, равные по величине, но противоположно направленные (рисунок 1.8, а). Разложим каждую силу на 2 составляющие: вдоль и перпендикулярно оси диполя. Силы, действующие в направлении оси диполя, компенсируют друг друга, а силы, действующие перпендикулярно оси, вызывают вращающий момент М, который разворачивает полярную молекулу в электрическом поле

Так как мы рассматриваем изолированную полярную молекулу, то никаких препятствий для разворота её вдоль поля нет, и направление электрического момента её совпадает с направлением поля (рисунок 1.8, б). В реальном же диэлектрике полярные молекулы связаны друг с другом внутренними силами и в то же время находятся в непрерывном хаотическом движении, которое препятствует ориентации их вдоль поля. Поэтому полярные молекулы разворачиваются в диэлектрике на углы 0 < Θ < π. Поворот полярных частиц в направлении поля происходит замедленно 10 -12 -10 -2 , связан с затратами энергии и сопровождается её рассеиванием.

Если на полярный диэлектрик поле не воздействует, то в любой момент времени проекция электрического момента всех молекул на любое направление равна нулю. При воздействии электрического поля проекция электрического момента всех молекул на направление поля становится отличной от нуля, и диэлектрик приобретает поляризованность. После снятия электрического поля ориентация частиц постепенно ослабевает, система из неравновесного состояния, вызванного воздействием поля, переходит к более равновесному состоянию (рисунок 1.9). При этом поляризованность во времени изменяется в соответствии с формулой

,

где Р 0 - начальная поляризованность ориентированных частиц; τ- время, прошедшее после снятия поля; τ 0 - постоянная времени (время релаксации).

Рисунок 1.9 – Изменение поляризованности во времени

Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого поляризованность (упорядоченность) ориентированных полем диполей, после снятия поля, из-за теплового хаотического движения уменьшается в 2,7 раза от первоначального значения. При этом 37% диполей ещё сохраняет поляризованность. Время релаксации поляризации экспоненциально убывает с температурой

,

где τ 0 *- время релаксации при абсолютной температуре Т→∞.

При повышении температуры поляризованность частиц при дипольно-релаксационной поляризации, а следовательно, и диэлектрическая проницаемость, обусловленная ею, вследствие ослабления молекулярных сил (вязкость диэлектрика экспоненциально уменьшается), вначале растёт, достигает максимума, а затем, при достаточно высоких температурах, падает в связи с возрастающим дезориентирующим влиянием теплового движения (рисунок 1.10).

При воздействии на полярный диэлектрик переменного поля до тех пор, пока полярные частицы успевают следовать за изменением поля, частота не влияет на величину диэлектрической проницаемости. Начиная с некоторой критической частоты f р (частоты релаксации), полярные частицы, являющиеся инерционными, не успевают следовать за изменением поля, дипольно-релаксационная поляризация прекращается, и диэлектрическая проницаемость резко падает до величины, обусловленной электронной поляризацией (рисунок 1.11). Частота релаксации зависит от природы и структуры диэлектрика. При повышении температуры частота релаксации растёт из-за уменьшения молекулярных сил и вязкости.

Рисунок 1.10 Рисунок 1.11

Ионно-релаксационная поляризация. Этот вид поляризации наблюдается в ионных диэлектриках неорганического происхождения с неплотной упаковкой,например, в неорганических стёклах с рыхлой структурой и низким показателем преломления, и состоит в дополнительных (наряду с хаотическим тепловым движением) перебросах слабо связанных ионов под воздействием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие постоянную решётки. Эти перебросы ионов, совершаемые из одного равновесного состояния в другое, необратимы и сопровождаются заметным рассеиванием энергии.

Время установления ионно-релаксационной поляризации велико, колеблется в широких пределах у разных диэлектриков – от 10 -6 с до 1 минуты.

В таких диэлектриках возможно несколько релаксаторов-ионов с различной массой, имеющих из-за этого разные периоды релаксации. Поэтому с ростом частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость, обусловленная ионно-релаксационной поляризацией, постепенно уменьшается. При повышении температуры диэлектрическая проницаемость растёт из-за увеличения числа ионов, участвующих в этом виде поляризации.

Электронно-релаксационная поляризация. Этот вид поляризации возникает в некоторых диэлектриках с плотной структурой и высоким показателем преломления (например, в двуокиси титана, загрязнённой примесями). Возникает она из-за наличия в них слабо связанных электронов. В отсутствие электрического поля под влиянием теплового движения эти электроны совершают равновероятные перемещения вблизи дефекта, с которым они связаны, и не создают электрического момента. При наложении же электрического поля большинство таких электронов перемещается против поля на расстояние порядка одного или нескольких междуатомных расстояний. Это приводит к возникновению электрического момента в объёме диэлектрика и его поляризации. Так как эта поляризация устанавливается в течение некоторого времени, она называется электронно-релаксационной.

Спонтанная поляризация. Сегнетоэлектрики. Эта поляризация, возникающая самопроизвольно в определённом интервале температур, лежащих ниже температуры Θ к, называемой точкой Кюри. Выше точки Кюри наблюдается лишь электронная, ионная и ионно-релаксационная поляризация. Характерные для сегнетоэлектриков свойства впервые были обнаружены у сегнетовой соли, поэтому сегнетоэлектриками стали называть вещества, свойства которых подобны свойствам сегнетовой соли.

В сегнетоэлектриках даже в отсутствии электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение частиц – ионов в ионных кристаллах или полярных радикалов молекул, которое приводит к несовпадению положительного и отрицательного зарядов в объеме диэлектрика, то есть поляризации. Такая поляризация называется спонтанной (самопроизвольной). В диэлектрике образуются области - домены. В каждом домене частицы, обусловливающие самопроизвольную поляризацию, смещены в одном направлении. В этом же направлении ориентирован и вектор спонтанной поляризованности (P s) домена. В соседних доменах направление P s может быть противоположным или перпендикулярным (рисунок 1.12, а), (механизм поляризации на примере титаната бария будет рассмотрен ниже в разделе 2 свойства активных диэлектриков).

В электрическом поле в сегнетоэлектриках происходят упругие электронная поляризация и ионная поляризация, а также неупругая доменная. В процессе доменной поляризации векторы Р s доменов ориентируются по направлению электрического поля (рисунок 1.12, б). Переориентацией направлений Р s доменов объясняются характерные для сегнетоэлектриков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис и зависимость их диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рисунок 1.12, в,г). Поляризованность кристалла с ростом напряженности электрического поля увеличивается благодаря ориентации Р s доменов и достигает поляризованности насыщения. С уменьшением напряженности при Е = 0 наблюдается остаточная поляризованность, так как сохраняется ориентация доменов. Уменьшить поляризованность до нуля можно приложив к образцу электрическое поле напряженностью Е с, которое называется коэрцитивной силой.

Для сегнетоэлектриков характерны: большая диэлектрическая проницаемость (до нескольких тысяч) и ее сильная зависимость от температуры (рисунок 1.12, д). Увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации доменов. Поляризованность диэлектрика, вызванная доменной поляризацией, увеличивается, а диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения при температуре точки Кюри. Спонтанная поляризованность при температуре Кюри исчезает, сегнетоэлектрик теряет свои сегнетоэлектрические свойства и переходит в параэлектрическое состояние, при котором сохраняется нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

Рисунок 1.12

Миграционная поляризация. При миграционной поляризации происходит смещение свободных зарядов (положительных и отрицательных ионов и электронов) и их закрепление на дефектах и поверхностях раздела различных диэлектриков в диэлектрическом материале. Величина миграционной поляризации Р м

,

где N – количество положительных зарядов q, сместившихся на расстояние l относительно отрицательных зарядов в единице объема диэлектрика.

Миграционная поляризация чаще всего наблюдается в неоднородных диэлектриках, состоящих из частиц с различными диэлектрическими проницаемостями и проводимостями. В таких неоднородных диэлектриках свободные заряды могут собираться на поверхности раздела различных диэлектриков, приводя к частному виду миграционной поляризации, называемой межслойной.

Миграционная поляризация может возникать и в однородных диэлектриках, в которых свободные электрические заряды могут захватываться чужеродными ионами примесей, дислокациями и трещинами в различных частях объема диэлектрика.

Миграционная поляризация связана с появлением объемных зарядов в приэлектродных слоях или в самом диэлектрике при воздействии постоянного поля и с электропроводимостью диэлектрика. На образование этой поляризации затрачивается значительное время, измеряемое иногда десятками минут. Такая поляризация, как и другие замедленные виды поляризации, сопровождается потерями в диэлектрике.

1.2.6 Диэлектрические потери

При помещении любого вещества в электрическое поле с напряженностью Е в этом веществе наблюдается поглощение части энергии электрического поля. Поглощенная часть энергии превращается в тепловую, которая и является диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери обычно пропорциональны Е 2 .

Диэлектрическими потерями называется мощность, поглощаемая диэлектриком при воздействии на него электрического поля и вызывающая нагревание диэлектрика.

Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными поляризациями. Диэлектрические потери могут привести к увеличению удельной электропроводности вследствие миграции примесных и собственных ионов,а в полях высокой напряженности – к пробою. Возможны также потери, связанные с ионизацией газовых включений, которые могут вызвать ионизационный пробой.

Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь δ, тангегс угла диэлектрических потерь tg δ

и мощность потерь или активную мощность Р а.

Диэлектрические потери наблюдаются как в постоянном, так и в переменном поле.

В постоянном поле диэлектрические потери невелики. Они оцениваются сопротивлением изоляции,то есть током сквозной проводимости I ск, возникающим вследствие миграции свободных носителей заряда, и определяются выражением

,

где U – напряжение, а I ск - ток сквозной проводимости.

В общем случае, при включении на постоянное напряжение возникает ток, спадающий во времени

Ток смещения (емкостной ток) I с вызван смещением электронных оболочек в атомах, ионах и молекулах, т.е. процессом установления быстрых, упругих поляризаций, и спадает в течение 10 -15 -10 -16 с, поэтому не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции I абс обусловлен смещением связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызывает рассеяние энергии в диэлектрике и диэлектрические потери (рисунок 1.13, а).

Рисунок 1.13

Сквозной ток утечки I ск, вызванный перемещением свободных зарядов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем (если не происходит электроочистка диэлектрика или его старение, деградация) и вызывает потери аналогичные джоулевым потерям в проводниках. Следовательно, при постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т.е. в период включения.

Диэлектрические потери в переменном поле значительно выше, чем в постоянном поле.

Рассмотрим потери в переменном поле с частотой f = 2π·ω, напряжение которого изменяется синусоидально U(t) = U max ·Sinωt.

Общий ток, протекающий через диэлектрик, является суммой токов различной природы

Для того, чтобы определить: что такое диэлектрики в физике, вспомним, что важнейшей характеристикой диэлектрика является поляризация. В любом веществе свободные заряды перемещаются под воздействием электрического поля, при этом появляется электрический ток, а связанные заряды поляризуются. Вещества делятся на проводники и диэлектрики в зависимости от того какие заряды преобладают (свободные или связанные). В диэлектриках, преимущественно, под воздействием внешнего электрического поля возникает поляризация. Если разрезать проводник, находящийся в электрическом поле, то можно разделить заряды разных знаков. Такого проделать с поляризационными зарядами диэлектрика нельзя. В металлических проводниках свободные заряды могут перемещаться на большие расстояния, тогда как в диэлектриках положительные и отрицательные заряды перемещаются в пределах одной молекулы. У диэлектриков энергетическая зона полностью заполнена.
Если внешнее поле отсутствует, то заряды, имеющие разные знаки, по всему объему диэлектрика распределены равномерно. При наличии внешнего электрического поля, заряды входящие в молекулу, смещаются в противоположных направлениях. Данное смещение проявляется, как возникновение заряда на поверхности диэлектрика, при помещении его во внешнее электрическое поле - это и есть явление поляризации.
Поляризация зависит от вида в диэлектрике. Так, в ионных кристаллах поляризация возникает, в основном, из-за сдвига ионов в электрическом поле и лишь немного за счет деформации электронных атомных оболочек. Тогда как в алмазе, который имеет ковалентную химическую связь, поляризация идет за счет деформации электронных атомных оболочек в электрическом поле.
Диэлектрик называют полярным, если его молекулы обладают собственным электрическим дипольным моментом. В таких диэлектриках при наличии внешнего электрического поля электрические дипольные момента ориентируются вдоль поля.
Поляризацию диэлектрика определяют при помощи вектора поляризации . Эта величина равна сумме электрических дипольных моментов всех молекул в единичном объеме вещества. Если диэлектрик является изотропным, то выполняется равенство:

где — электрическая постоянная; — диэлектрическая восприимчивость вещества. Диэлектрическая восприимчивость вещества связана с диэлектрической проницаемостью как:

где — характеризует ослабление внешнего электрического поля в диэлектрике за счет наличия поляризационных зарядов. Полярные диэлектрики имеют наибольшие величины . Так, для воды =81.
В некоторых диэлектриках поляризация возникает не только во внешнем электрическом поле, но и при механических напряжениях. Данные диэлектрики носят название: пьезоэлектрики.
У диэлектриков удельное электрическое сопротивление много больше, чем у проводников. Оно лежит в интервале: Ом/см. Поэтому, диэлектрики применяют для изготовления изоляции электротехнических устройств. Важным случаем применения диэлектриков является их использование в электрических конденсаторах.