Классификация диэлектриков. Понятие диэлектрических и электроизоляционных материалов

Диэлектрик (изолятор) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Диэлектрики бывают двух видов: неполярные и полярные.

Неполярный диэлектрик - диэлектрик, у молекул которого, вследствие их симметрии, центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Молекулы неполярного диэлектрика по своим электрическим свойствам подобны диполю, у которого электрический дипольный момент равен нулю. Пример неполярных диэлектриков H2, O2, Cl4.

В молекулах неполярных диэлектриков в отсутствие электрического поля центры масс положительного и отрицательного зарядов совпадают. Атомы и молекулы неполярных диэлектриков в нормальном состоянии не имеют электрических полюсов. Неполярный диэлектрик, помещённый во внешнее электрическое поле, поляризуется, с возникновением индуцированного (наведённого) дипольного электрического момента.

Существует класс неполярных диэлектриков - пьезоэлектрики, т.е. кристаллы на поверхности которых при деформации возникает не скомпенсированный заряд. Пьезоэлектриками могут быть только ионные кристаллы. В них положительные ионы образуют свою кристаллическую решётку, а отрицательные - свою. В нормальных условиях решётки совпадают, при любом механическом воздействии решётки сдвигаются относительно друг друга, вследствие чего на поверхности кристалла возникает разность потенциалов. Необходимо отметить, что существует и обратный эффект пьезоэлектричеству - электрострикция (преобразование электрических колебаний в механические деформации кристалла).

Полярный диэлектрик - диэлектрик, у молекул которого центры положительных и отрицательных зарядов смещены относительно друг друга. Молекулы полярного диэлектрика по своим электрическим свойствам подобны жесткому диполю с постоянным собственным дипольным моментом, = const. Пример полярных диэлектриков HCL, H2O, NH3.

диэлектрический титанат барий сегнетоэлектрический

У полярных диэлектриков молекулы в отсутствие электрического поля представляют собой диполи, но тепловое движение ориентирует их хаотичным образом.

К полярным диэлектрикам относятся электреты - диэлектрики, длительное время сохраняющие в объеме или на поверхности электрические заряды и тем самым создающие в окружающем пространстве электрическое поле. Такое свойство полярных диэлектриков проявляется, если помимо сильного электрического поля, к диэлектрику применяют какое - либо сильное активизирующее воздействие, ускоряющее процесс поляризации. В зависимости от вида воздействия различают термо-, фото-, магнит- электреты.

Существует еще одна разновидность полярных диэлектриков, представляющих интерес, это - пироэлектрики. Пироэлектрический эффект заключается в появлении электрических зарядов на поверхности диэлектрика при изменении его температуры. Такое превращение возможно, если диэлектрик был поляризован в отсутствии внешнего электрического поля. Повышение (понижение) температуры изменяет ориентацию полярных молекул и расстояние между атомами. Это и приводит к изменению спонтанной поляризованности. В результате чего, на поверхности диэлектрика возникают не скомпенсированные заряды.

Особый интерес представляют сегнетоэлектрики.

Электроизоляционные материалы, материалы, применяемые в электротехнических и радиотехнических устройствах для разделения токоведущих частей, имеющих разные потенциалы, для увеличения ёмкости конденсаторов, а также служащие теплопроводящей средой в электрических машинах, аппаратах и т. п. В качестве электроизоляционных материалов используют диэлектрики, которые по сравнению с проводниковыми материалами обладают значительно большим удельным объёмным электрическим сопротивлением _v = 10⁹—10²⁰ ом·см (у проводников 10^-6—10^-4 ом·см). Основные характеристики электроизоляционных материалов: удельное объёмное и поверхностное сопротивления _v и _s, относительная диэлектрическая проницаемость , температурный коэффициент диэлектрической проницаемости 1/·d/dTград^-1, угол диэлектрических потерь , электрическаяпрочность Е_пр (напряжённость электрического поля, при которой происходит пробой, см. Пробой диэлектриков). При оценке электроизоляционных материалов учитывают также зависимость этих характеристик от частоты электрического тока и величины напряжения.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств – большого сопротивления прохождению электрического тока и способность поляризоваться.
По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы (пассивные) и активные диэлектрики.
Электроизоляционные материалы – это диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей.
По агрегатному состоянию диэлектрические материа­лы подразделяют на твердые, жидкие и газообразные.
По химической основе диэлектрические материалы подразделяют на органические и неорганические.

2.Электрические характеристики диэлектриков: поляризация, электропроводность, электрическая прочность и пробой, диэлектрические потери.

Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появления под воздействием внешнего электрического поля ориентированных по полю диполей.
И для трех группам диэлектриков различают три вида поляризации: электронная, или деформационная, поляризация диэлектрика с неполярными молекулами, которая заключается в возникновении у атомов индуцированного (наведенного) дипольного момента за счет деформации электронных орбит;
ориентационная, или дипольная поляризация диэлектрика с полярными молекулами, которая заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Очевидно, что тепловое движение мешает полной ориентации молекул, но в результате совместного действия электрического поле и теплового движения возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по этому полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура; ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, которая заключается в смещении подрешетки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных — против поля, которое приводит к возникновению дипольных моментов.

Для выполнения функции электрической изоляции диэлектрические материалы должны препятствовать прохождению электрического тока путями, нежелательными для работы прибора. С этой точки зрения основной характеристикой диэлектриков является величинаудельной электропроводности или удельного сопротивления.

Особенностью электропроводности твердых диэлектриков является то, что ввиду их большого удельного сопротивления ток через объем диэлектрика сравним с током по поверхности (рис. 2.1), поэтому общий ток изоляции

I = I_v + I_s. (2.1)

При характеристике диэлектрика различают объемную и поверхностную удельные электропроводности (s _v и s _s). Величины, обратные электропроводности, – удельные объемное и поверхностное сопротивления (r _v и r _s).

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

Надежность и долговечность электрической изоляции проводов, диэлектрика конденсатора и других деталей радиоэлектронной аппаратуры зависят от электрической прочности диэлектрика. Пробоем называется потеря диэлектриком электроизолирующих свойств материала в канале, образующемся между электродами, под действием электрического поля. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением (U_пр).

Электрическую прочность диэлектрика E_пр в однородном электрическом поле определяют величиной пробивного напряжения U_пр, отнесенной к толщине диэлектрика d (расстоянию между электродами):

, В/м. (2.10)

Удельными диэлектрическими потерями называется энергия, рассеиваемая в виде тепла в единице объема и в единицу времени в диэлектрике, находящемся в электрическом поле, и вызывающая его нагрев. При постоянном поле потери обусловливаются током сквозной проводимости – движением ионов, иногда – свободных электронов. Потери на сквозную электропроводность присущи в большей или меньшей мере всем диэлектрикам без исключения. Величина потерь на сквозную электропроводность определяется удельным сопротивлением r _v, а в твердых диэлектриках также и удельным поверхностным сопротивлением r _s.

При переменном поле различают следующие виды потерь:

1) потери на сквозную электропроводность; 2) поляризационные потери, обусловленные замедленной поляризацией; 3) ионизационные потери; 4) потери, обусловленные неоднородностью структуры. Для вывода выражения мощности потерь пользуются эквивалентной схемой диэлектрика, состоящей из последовательно или параллельно включенных активного сопротивления R и емкости С. Эквивалентная схема выбирается так, чтобы расходуемая активная мощность была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а вектор тока был сдвинут относительно вектора напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе.

В идеальном вакуумном конденсаторе без потерь угол между векторами тока и напряжения равен 90⁰ (рис. 2.8,а). Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tgd (рис. 2.8,б). Тангенс угла диэлектрических потерь (tgd) – параметр, учитывающий все виды потерь в диэлектрике и представляющий собой тангенс угла, дополняющего угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи до 90⁰. Тангенс угла диэлектрических потерь равен отношению

, (2.8)

а мощность диэлектрических потерь в переменном электрическом поле

, (2.9)

Рис. 2.8. Векторные диаграммы для конденсатора с идеальным диэлектриком (а) и диэлектриком с потерями (б)

где U – приложенное напряжение; w=2p f – частота. Из выражения (2.8) следует, что диэлектрические потери существенно влияют на работу аппаратуры высокого напряжения, высокочастотной и, в особенности, одновременно высокочастотной и высоковольтной. Тангенс угла диэлектрических потерь зависит от состава и структуры диэлектриков, от агрегатного состояния, а также от условий эксплуатации.