ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Электропроводность материалов объясняет зонная теория.
Все вещества состоят из ядер (протоны + нейтроны) и электронов, распределённых по орбитам, которым соответствуют определённые энергетические уровни. У проводников валентные электроны, наиболее удалённые от ядра, довольно свободно переходят от одного атома к другому, что и соответствует большой электрической проводимости. Для этого (то есть перехода на другой уровень) электроны должны возбуждаться, то есть получать добавочную энергию – порциями, квантами. В невозбуждённом состоянии электроны могут иметь только определённые значения энергии, соответствующее энергетическим уровням оболочек атома. Эти уровни образуют полосу – зону, которая заполнена электронами. В атомах есть и другие, «дозволенные» уровни энергии, которые электроны могут занять, если получат дополнительную энергию, например, при нагреве. Связь электронов с атомами в таких случаях является непрочной, и электроны легко меняются местами, то есть передвигаются. Если значения энергии заполненной зоны и зоны проводимости перекрываются, то при незначительном возбуждении электроны будут переходить из заполненной зоны в зону проводимости – то есть материал обладает большой электрической проводимостью, это и есть проводник.
У других материалов между уровнями энергии, соответствующих заполненной зоне и зоне проводимости, имеется промежуточная зона недозволенных уровней (запрещённая зона). Это зона значений энергии, которые электроны данного тела не могут иметь. Если запрещённая зона широка, то есть нужно иметь много энергии для ее преодоления, то для перевода электронов из заполненной зоны в зону проводимости теплового возбуждения недостаточно.
Такие материалы называются диэлектриками, в них переход заметного числа электронов в зону проводимости – случайное явление. В большинстве диэлектриков электропроводность в основном не электронная, а ионная, вызванная движением в электрическом поле свободных ионов, появляющихся вследствие диссоциации примесей и части молекул самого диэлектрика.
Основные электрические характеристики диэлектрика:
1) удельное электрическое сопротивление ρ v и ρ s;
2) диэлектрическая проницаемость Е, относительная – Еr = E/E0;
3) электрическая прочность Епр = Uпр : h, В/м.
1. Сопротивление диэлектрика
Способность материала проводить электрический ток называется электрической проводимостью или электропроводностью. Величина ей обратная – электрическое сопротивление.
Если для проводников удельное сопротивление более 10-9 Ом.
м, то для диэлектриков оно более 1010 ÷ 1019 Ом.м, поэтому диэлектрики используются как изоляционный материал. Величина сопротивления диэлектриков говорит о том, что сквозной ток проводимости в диэлектриках очень и очень мал. Однако он существует и его тоже надо учитывать.
Ток в диэлектрике, вызванный электропроводностью, называют током утечки. В твёрдых диэлектриках различают два тока утечки – объёмный Iv, идущий через толщу диэлектрика, и поверхностный Is, идущий по поверхности диэлектрика. Сумма этих токов определяет общий ток утечки. Соответственно двум видам токов утечки различают объёмное удельное сопротивление ρ v и поверхностное удельное сопротивление ρ s. Единица измерения объёмного удельного сопротивления [ρ v] – Ом.м. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата поверхности материала, когда постоянный ток подведён к двум противоположным сторонам квадрата: [ρ s] = 1 Ом. Тогда единицы измерения удельных проводимостей: объемной – См/м (сименс/м), поверхностной – См (сименс).
Для определения ρ v и ρ s необходимо разделить в образце диэлектрика токи утечки Iv и Is, замерить их отдельно, по напряжению и току посчитать сопротивление и потом уже рассчитать ρ v и ρ s. Для этого используется трёхэлектродная схема (см. учебник).
2. Относительная диэлектрическая проницаемость
Относительная диэлектрическая проницаемость ε r показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этом диэлектрике меньше силы взаимодействия этих зарядов в вакууме. Существует также понятие абсолютная диэлектрическая проницаемость:
ε a = ε r . ε о,
где ε r – безразмерная величина, а ε о – диэлектрическая проницаемость вакуума (называется также электрической постоянной, это – коэффициент пропорциональности в законе Кулона, ее значение зависит от системы единиц, в СИ она равна 8, 85.10-12 или 8, 86.10-12 Ф/м (фарад/метр). Диэлектрическая проницаемость характеризует процесс поляризации диэлектрика во внешнем электрическом поле.
Поляризацией называется смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием приложенного электрического поля. В атомах и молекулах диэлектрика электроны и ионы упруго связаны, в целом они электрически нейтральны. При наложении электрического поля по-разному заряженные частицы атома стремятся к противоположно заряженным электродам, при этом они изменяют своё пространственное положение, они смещаются друг относительно друга (хотя и не намного). При этом частицы превратятся в диполи, то есть материальные частицы, несущие на одном конце положительный, на другом отрицательный заряды, пространственно смещённые на некоторое расстояние и электрически не компенсирующие друг друга.
Таким образом, под действием электрического поля в изоляторе возникает особый электрический ток в форме пространственно ограниченного перемещения остающихся взаимосвязанными положительных и отрицательных зарядов. Такой ток называется током смещения. Если направление поля остаётся неизменным, ток смещения длится короткое время, затем прекращается. Если поле будет периодически менять свой знак, заряды будут перемещаться то в одну, то в другую сторону, и в диэлектрике всё время будет иметь место ток смещения.
Различают следующие виды поляризации:
1) электронная – смещение электронов внутри атомов (на малые расстояния в пределах данного атома);
2) ионная – образуется смещением ионов во внешнем электрическом поле, если диэлектрик является ионным кристаллом, например, поваренная соль NaCl: (–)← Na+ Cl-→ (+). Ионы смещаются на небольшие расстояния от положения равновесия.
Эти два вида поляризации называются упругими, так как при исчезновении электрического поля электроны и ионы возвращаются на свои места без необратимого поглощения энергии. Электронная поляризация есть всегда, в любом диэлектрике при его попадании во внешнее электрическое поле, ионная накладывается на электронную (но её может и не быть).
Другие виды поляризации называются неупругими, так как происходят с потерями энергии, которая переходит в тепло).
3) дипольная поляризация – возникает, если молекулы диэлектрика несимметричны и поэтому обладают электрическим дипольным моментом (вода, гидроксильная группа ОН и другие). Без внешнего электрического поля все молекулы-диполи ориентированы по-разному, в целом диэлектрик неполяризован. Во внешнем электрическом поле все молекулы-диполи выстраиваются в направлении поля, на поверхнистях диэлектрика появляются заряды. Поворот молекул происходит с «трением», то есть потерями энергии. Дипольная поляризация добавляется к ионной (если она есть) и электронной (которая есть всегда) поляризации.
4) ионно-релаксационная – в некоторых твёрдых диэлектриках отдельные ионы слабо связаны с другими (из-за примесей, дефектов кристаллической решётки, своей химической природы) и могут быть переброшены внешним электрическим полем.
5) миграционная поляризация – образуется в слоистой, твёрдой изоляции, состоящей из разных диэлектриков.
6) доменная поляризация – присуща сегнетоэлектрикам, веществам, в которых имеется спонтанная поляризация – без наличия внешнего электрического поля в диэлектрике есть области со смещенными электрическими зарядами. Во внешнем электрическом поле они могут переориентироваться, значит, их относительная диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности электрического поля, а также от температуры.
От комбинации разных видов поляризации (то есть от вида диэлектрика) зависит способность материала к поляризации, которая и характеризуется абсолютной диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость определяет ёмкостные свойства диэлектрика, показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с диэлектриком больше ёмкости того же самого конденсатора в вакууме.
3. Электрическая прочность
Любой диэлектрик может быть использован при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определённых условиях. При напряжении выше этих предельных значений наступает явление пробоя диэлектрика – то есть полная потеря им изоляционных свойств с образованием канала высокой проводимости, приводящего к короткому замыканию электродов. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжениемUпр. Напряжённость электрического поля, при которой произошёл пробой, называется электрической прочностью Епр =Uпр / h, В/м, где h – расстояние между плоскими электродами (эта формула справедлива для равномерного поля). То есть электрическая прочность диэлектрика Епр – это напряжённость электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой.
На твёрдых образцах вместо пробоя – КЗ через толщу диэлектрика – может наблюдаться явление поверхностного разрядаили перекрытия, когда КЗ происходит за счёт пробоя окружающей среды – воздуха, трансформаторного масла – по поверхности диэлектрика. Напряжение перекрытия является параметром данной электроизоляционной конструкции, но зависит также от материала диэлектрика.
УРОК № 12
Популярное:
