Група 11. Число 09.11.2020. Тема. Поняття про діелектрики

 

Класифікація діелектриків. Поняття діелектричних і електроізоляційних матеріалів.

Діелектрик (Ізолятор) - речовина, практично не проводить електричний струм. Концентрація вільних носіїв заряду в діелектрику не перевищує 10⁸ см^-3. Основна властивість діелектрика полягає в здатності поляризуватися в зовнішньому електричному полі. З точки зору зонної теорії твердого тіла діелектрик - речовина з шириною забороненої зони більше 3 еВ.

Діелектрики бувають двох видів: неполярні і полярні.

неполярний діелектрик - Діелектрик, у молекул якого, внаслідок їх симетрії, центри позитивних і негативних зарядів збігаються. Молекули неполярного діелектрика за своїми електричними властивостями подібні диполю, у якого електричний дипольний момент дорівнює нулю. Приклад неполярних діелектриків H2, O2, Cl4.

У молекулах неполярних діелектриків при відсутності електричного поля центримас позитивного і негативного зарядів збігаються. Атоми і молекули неполярних діелектриків в нормальному стані не мають електричних полюсів. Неполярний діелектрик, якого помістили в зовнішнє електричне поле, поляризується, з виникненням індукованого (наведеного) дипольного електричного моменту.

Існує клас неполярних діелектриків - п'єзоелектрики, Т. Е. Кристали на поверхні яких при деформації виникає не скомпенсований заряд. П'єзоелектрик можуть бути тільки іонні кристали. У них позитивні іони утворюють свою кристалічну решітку, а негативні - свою. У нормальних умовах решітки збігаються, при будь-якому механічному впливі решітки зсуваються відносно один одного, внаслідок чого на поверхні кристала виникає різниця потенціалів. Необхідно відзначити, що існує і зворотний ефект П'єзоелектрика - електрострикція (перетворення електричних коливань в механічні деформації кристала).

полярний діелектрик - Діелектрик, у молекул якого центри позитивних і негативних зарядів зміщені відносно один одного. Молекули полярного діелектрика за своїми електричними властивостями подібні жорсткого диполю з постійним власним дипольниммоментом, = const. Приклад полярних діелектриків HCL, H2O, NH3.

діелектричний титанат барій сегнетоелектричної

У полярних діелектриків молекули за відсутності електричного поля являють собою диполі, але тепловий рух орієнтує їх хаотичним чином.

До полярних діелектриків відносяться електрети - Діелектрики, тривалий час зберігають в обсязі або на поверхні електричні заряди і тим самим створюють в навколишньому просторі електричне поле. Така властивість полярних діелектриків проявляється, якщо крім сильного електричного поля, до діелектрика застосовують будь - яке сильне активізує вплив, прискорює процес поляризації. Залежно від виду впливу розрізняють термо-, фото-, магнітних електрети.

Існує ще один різновид полярних діелектриків, що представляють інтерес, це - піроелектрики. Піроелектричний ефект полягає в появі електричних зарядів на поверхні діелектрика при зміні його температури. Таке перетворення можливе, якщо діелектрик був поляризований у відсутності зовнішнього електричного поля. Підвищення (зниження) температури змінює орієнтацію полярних молекул і відстань між атомами. Це і призводить до зміни спонтанної поляризованности. В результаті чого, на поверхні діелектрика виникають не скомпенсованих заряди.

Особливий інтерес представляють сегнетоелектрики.

Електроізоляційні матеріали, матеріали, що застосовуються в електротехнічних і радіотехнічних пристроях для поділу струмоведучих частин, що мають різні потенціали, для збільшення ємності конденсаторів, а також службовці теплопроводящей середовищем в електричних машинах, апаратах і т. п. В якості електроізоляційних матеріалів використовують діелектрики, які в порівнянні з провідниковими матеріалами мають значно більшою питомою об'ємним електричним опором ?_v = 10⁹-10²⁰ ом · см (у провідників 10^-6-10^-4 ом · см). Основні характеристики електроізоляційних матеріалів: питомий об'ємний і поверхневий опори ?_v і ?_s, Відносна діелектрична проникність ?, температурний коефіцієнт діелектричної проникності 1 / ? · d? / dTград^-1, Кут діелектричних втрат ?, електріческаяпрочность Е_пр (Напруженість електричного поля, при якій відбувається пробій, см. Пробій діелектриків). При оцінці електроізоляційних матеріалів враховують також залежність цих характеристик від частоти електричного струму і величини напруги.

діелектричними матеріалами називають клас електротехнічних матеріалів, призначених для використання їх діелектричних властивостей - великого опору проходженню електричного струму і здатність поляризуватися.
 За призначенням діелектричні матеріали можна розділити на електроізоляційні матеріали (пасивні) і активні діелектрики.
електроізоляційні матеріали - Це діелектричні матеріали, призначені для створення електричної ізоляції струмоведучих частин.
 По агрегатному стані діелектричні матеріали підрозділяють на тверді, рідкі та газоподібні.
 За хімічною основі діелектричні матеріали підрозділяють на органічні і неорганічні.

2. електричні характеристики діелектриків: поляризація, електропровідність, електрична міцність і пробою, діелектричні втрати.

поляризацією діелектрика називається процес орієнтації диполів або появи під впливом зовнішнього електричного поля орієнтованих по полю диполів.
 І для трьох груп діелектриків розрізняють три види поляризації: електронна, або деформационная, Поляризація діелектрика з неполярними молекулами, яка полягає у виникненні у атомів індукованого (наведеного) дипольного моменту за рахунок деформації електронних орбіт;
орієнтаційна, або дипольная поляризація діелектрика з полярними молекулами, яка полягає в орієнтації наявних дипольних моментів молекул по полю. Очевидно, що тепловий рух заважає повною орієнтації молекул, але в результаті спільної дії електричного поле і теплового руху виникає переважна орієнтація дипольних моментів молекул по цьому полю. Ця орієнтація тим сильніше, чим більше напруженість електричного поля і нижче температура; іонна поляризація діелектриків з іонними кристалічними гратами, яка полягає в зміщенні підґратки позитивних іонів уздовж поля, а негативних - проти поля, яке призводить до виникнення дипольних моментів.

Для виконання функції електричної ізоляції діелектричні матеріали повинні перешкоджати проходженню електричного струму шляхами, небажаними для роботи приладу. З цієї точки зору основною характеристикою діелектриків є велічінаудельной електропровідності або питомої опору.

Особливістю електропровідності твердих діелектриків є те, що з огляду на їх велику питому опору струм через обсяг діелектрика порівняємо з струмом по поверхні (рис. 2.1), тому загальний струм ізоляції

I = I_v + I_s. (2.1)

При характеристиці діелектрика розрізняють об'ємну та поверхневу питомі електропровідності (s_v і s_s). Величини, зворотні електропровідності, - питомі об'ємне і поверхневий опори (r_v і r_s).

У твердих діелектриках розрізняють три основних види пробою: електричний, електротеплової і електрохімічний. Виникнення того чи іншого виду пробою в діелектрику залежить від його властивостей, форми електродів, умов експлуатації.

Надійність і довговічність електричної ізоляції проводів, діелектрика конденсатора і інших деталей радіоелектронної апаратури залежать від електричної міцності діелектрика. Пробоєм називається втрата діелектриком електроізолюючих властивостей матеріалу в каналі, що утворюється між електродами, під дією електричного поля. Напруга, при якому відбувається пробій, називається пробивним напругою (U_пр).

Електричну міцність діелектрика E_пр в однорідному електричному полі визначають величиною пробивної напруги U_пр, Віднесеної до товщини діелектрика d (Відстані між електродами):

 , В / м. (2.10)

Питомими діелектричними втратами називається енергія, що розсіюється у вигляді тепла в одиниці об'єму та в одиницю часу в діелектрику, що знаходиться в електричному полі, і що викликає його нагрівання. При постійному полі втрати обумовлюються струмом наскрізної провідності - рухом іонів, іноді - вільних електронів. Втрати на наскрізну електропровідність притаманні в більшій чи меншій мірі всім діелектриків без винятку. Величина втрат на наскрізну електропровідність визначається питомим опором r_v, А в твердих діелектриках також і питомою поверхневим опором r_s.

При змінному полі розрізняють наступні види втрат:

1) втрати на наскрізну електропровідність; 2) поляризаційні втрати, зумовлені сповільненій поляризацією; 3) іонізаційні втрати; 4) втрати, зумовлені неоднорідністю структури. Для виведення виразу потужності втрат користуються еквівалентною схемою діелектрика, що складається з послідовно або паралельно включених активного опору R і ємності С. Еквівалентна схема вибирається так, щоб витрачається активна потужність дорівнювала потужності, що розсіюється в діелектрику конденсатора, а вектор струму був зрушений щодо вектора напруги на той же кут, що і в даному конденсаторі.

В ідеальному вакуумному конденсаторі без втрат кут між векторами струму  і напруги  дорівнює 90⁰ (Рис. 2.8, а). Чим більше розсіюється в діелектрику потужність, що переходить в тепло, тим менше кут зсуву фаз j і тим більше кут діелектричних втрат d і його функція tgd (рис. 2.8, б). Тангенс кута діелектричних втрат (tgd) - параметр, що враховує всі види втрат в діелектрику і представляє собою тангенс кута, що доповнює кут зсуву фаз між струмом і напругою в ємнісний ланцюга до 90⁰. Тангенс кута діелектричних втрат дорівнює відношенню