Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы – это материалы, используемые для изоляции токоведущих частей друг от друга, для создания емкостей (конденсаторов) – накопителей заряда, изоляторов для других целей. Это самая обширная группа радиоматериалов. Они могут быть: газообразными – воздух или другие газы; жидкими – всевозможные масла, клеи, лаки; твердыми – керамика, пластмасса, стекло, смола и др. Имея широкую запрещенную зону, W_g  3 эВ, они относятся к неметаллам; обладают большим удельным электрическим сопротивлением
(10³…10¹⁶ Ом·м).

По химическому составу диэлектрики разделяют:

на органические – смолы, пластмассы, слоистые пластики, воскообразные, лаки, ткани, фторпласты, эластомеры и др.;

неорганические – керамика, стекла, слюды, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, фториды, оксиды и др.;

элементоорганические – смолы, пластмассы, эластомеры, масла, клеи и др.

Основные электрические процессы и явления, происходящие в диэлектриках, помещенных в электромагнитное поле, показаны на структурной схеме (рис. 5.1). Там же приводятся типы и виды этих процессов, характеризуемые основными параметрами.

В электрическом поле в диэлектрике происходят следующие основные процессы:

1) поляризация, характеризуемая относительной диэлектрической проницаемостью ε;

2) электропроводность γ (объемная γ_v и поверхностная γ_s), характеризуемая удельным электрическим сопротивлением (объемная γ_v и поверхностная γ_s)

;          ;                      (5.1)

3) диэлектрические потери, характеризуемые тангенсом угла диэлектрических потерь – tg δ;

4) пробой в электрическом поле, характеризуемый пробивной напряженностью Е_пр.

Рис. 5.1. Структурная схема диэлектриков

 

Поляризация диэлектриков

Поляризацией диэлектриков называется упорядоченное смещение связанных противоположных зарядов, находящихся в диэлектриках, происходящее под воздействием внешнего электрического поля. В результате этого на противоположных поверхностях диэлектрика, перпендикулярных силовым линиям поля, возникает заряд.

Поляризация характеризуется величиной поляризованности диэлектрика P_D, которая является пределом отношения суммы электрических моментов всех связанных противоположных зарядов m_i, отнесенных к объему диэлектрика V, когда он стремится к нулю:

.                        (5.2)

С поляризованностью связана относительная диэлектрическая проница-емость ε, которая показывает, во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком C_D больше емкости такого же конденсатора, если между ними его обкладками находится вакуум, С₀:

     (5.3)

    Из этого следует, что для вакуума ε = 1, а для любого другого диэлектрика ε > 1. Связь между ε, P_D и напряженностью приложенного электрического поля Е определяется формулой

                                   (5.4)

    Связь между величиной заряда на поверхности диэлектрика Q, его параметрами и приложенным электрическим полем U

                        (5.5)

где ε₀ = 8,85·10^-12 , Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоянная вакуума).

    Емкость диэлектрика                            (5.6)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

    S – площадь меньшего электрода, приложенного к диэлектрику, м²;

    d – толщина диэлектрика, м;

    Таким образом заряд на диэлектрике (или конденсаторе) зависит от его емкости и приложенного к нему напряжения, Кл:

 

                                  (5.7)

 

    Абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика равна относительной, умноженной на диэлектрическую постоянную ε₀
вакуума

                           (5.8)

 

Виды поляризации

Так как в любом материале, а значит, и в диэлектрике, имеется большое количество различных связанных между собой противоположных зарядов (электронов, протонов, ионов, диполей и т. п.), то существует много видов поляризации: дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, спонтанная, электронная, высоковольтная, резонансная и др.

Для сокращения сгруппируем все эти виды в три основных типа поляризаций:

А) электронный (безынерционный);

Б) дипольно-релаксационный (инерционный);

В) спонтанный (самопроизвольный).

А. Электронный тип поляризации происходит мгновенно (τ ≈ 10^-13… 10^-15с), упруго, без потерь и линейно. Если рассматривать поведение
Q от величины U за один цикл измерения переменного поля (рис. 5.2), для атома водорода (рис. 5.3,а), то это будет прямая, проходящая через начало координат (рис. 5.3,б).

                                                             а                     б

      Рис. 5.2                                      Рис. 5.3

 

    Б. Дипольно-релаксационный тип поляризации связан с разворотом (смещением) диполей (молекул, ионов) (рис. 5.4,а), и характерен для полярных диэлектриков. При этом поляризация происходит не мгновенно, с потерями, не упруго, но линейно. Зависимость Q = f(U) представляет собой эллипс (рис. 5. 4,б).

 

 

                                 а                                        б

Рис. 5.4.

                                 а)                                                б)

Рис. 5.5

 

   В. Спонтанный или самопроизвольный тип поляризации характерен для диэлектриков, имеющих доменную структуру, например, сегнетоэлектрики и нелинейно, т. е. имеет место явление насыщения, когда все моменты доменов развернутся по полю (рис. 5.5, а).

   Зависимость заряда на поверхности сегнетоэлектрика от приложенного напряжения представляет собой петлю гистерезиса,
(рис. 5. 5,б).

   Все материалы, имеющие доменную структуру, обладают высокой проницаемостью в поле, нелинейностью, т. е. ε = f(U), петлей гистерезиса и имеет точку Кюри – температуру, выше которой начинается перекристаллизация и исчезновение доменной структуры.

   Обычно реальные диэлектрики обладают несколькими видами поляризации, но преобладающим является какой-то один из трех вышеперечисленных типов.

   Нейтральным диэлектриком свойственен электронный тип поляризации. При этом диэлектрическая проницаемость их мала, например: у фторопласта ε = 2,5, у парафина ε = 2,2.

   Полярным ионным диэлектрикам свойственен дипольно-релаксационный тип поляризации, относительная диэлектрическая проницаемость их больше, чем у нейтральных, например: у гетинакса        ε = 6…8, у полихлорвинила ε = 5…7, у слюды ε = 6…7.

   Сегнетоэлектрикам свойственен спонтанный тип поляризации, их относительная диэлектрическая проницаемость велика: сегнетова соль имеет ε = 3000…6000, титанат бария ε = 1700…3500.

 

5.1.2. Влияние различных факторов на поляризуемость
диэлектрика

   Поляризуемость диэлектрика изменяется от многих факторов: температуры, частоты поля и др. Зависимости ε от температуры и частоты поля для полярных диэлектриков показаны на рис. 5.6 и 5.7.

                       Рис. 5.6                             Рис. 5.7

 

   Когда на участке 1 (рис. 5.6) повышается температура, происходит ослабление сил связи между молекулами (ионами) и поляризуемость увеличивается. На участке 2, при уже значительном тепловом движении, поляризуемость уменьшается, т. к. хаотическое движение мешает направленному, вызываемому полем.

   На рис. 5.7 показано поведение диэлектрической проницаемости в зависимости от изменения частоты поля. На участке 1 диполи (молекулы, ионы) успевают следовать за полем (переполяризовываться) и ε не меняется. На участке 2, после граничной частоты, ε уменьшается за счет того, что диполи не успевают следовать за полем, их поляризация не мгновенная.

   Явление поляризации в диэлектриках – процесс объемный, т. е. смещение связанных противоположных зарядов происходит во всем объеме материала. Однако внешне это явление проявляется в виде накапливания заряда на поверхности диэлектрика. Так как диэлектрики обладают большим диэлектрическим сопротивлением по сравнению, например, с проводниками, то в них может накапливаться электрическая энергия, создаваться значительное электрическое поле.

   Это свойство диэлектриков используется в электрических конденсаторах и других устройствах, например, в электретах.

 

Электретный эффект

   Если, например, полярный диэлектрик поместить в электрическое постоянное поле и одновременно нагреть, то диполи максимально развернутся вдоль силовых линий поля. Если затем в поле охладить диэлектрик до комнатной температуры, то на его поверхности после снятия поля может довольно длительно сохраняться электрический заряд
(рис. 5.8).

Рис. 5.8

 

   Такой диэлектрик называется электретом, он может служить источником статического электричества.

 

Вопросы для самопроверки

1. На какие группы делятся все материалы по отношению к электрическому полю?

2. Приведите основные особенности поведения каждой группы материалов в электрическом поле.

3. Какими основными параметрами характеризуются диэлектрики?

4. Что собой представляет явление поляризации в электрическом поле?

5. Какими параметрами характеризуется поляризация?

6. Какие Вы знаете виды поляризации и в каких диэлектриках они проявляются?

7. Приведите особенности каждого из трех типов поляризации.

8. В каких элементах, устройствах проявляется и используется явление поляризации?

9. В чем заключается электретный эффект в диэлектриках?

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: