Электрические свойства

К электрическим свойствам диэлектриков относят поляризацию, электропроводность, диэлектрические потери и пробой.

Поляризация диэлектриков. Диэлектрик, помещенный между электродами, к которым подводится электрическое напряжение, поляризуется.

Поляризация - это процесс, состоящий в ограниченном смеще­нии или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздей­ствии на него электрического поля.

В любом веществе, в том чис­ле и в диэлектрике, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических заря­дов всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под действием внешнего элект­рического поля связанные элек­трические заряды в диэлектри­ке смещаются со своих равно­весных положений: положитель­ные к отрица­тельному электроду, а отрица­тельные - в обратном (рис. 5.1).

У диэлектриков, содержащих дипольные молекулы, при поляризации наблю­дается ориентация диполей в электрическом поле. Поляри­зация приводит к образованию в каждом элементарном объеме ди­электрика dV индуцированного (наведенного) электрического мо­мента dp.

(35)

Степень поляризованности диэлектрика оценивается относитель­ной диэлектрической проницаемостью .Чем выше ее значение, тем сильнее поляризуется диэлектрик.

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение заряда конденсатора с данным диэлектриком к заряду 0 вакуумного конденсатора тех же размеров, той же кон­фигурации электродов, при том же напряжении:

(36)

где - заряд конденсатора, когда между обкладками находится ди­электрик; 0 - заряд конденсатора, в котором диэлектриком является вакуум; - заряд, обусловленный поляризацией.

Рис. 5.1.Схема расположения зарядов в поляризованном диэлектрике: 1- диэлектрик; 2- обкладки электродов; S – площадь каждой обкладки; h- расстояние между электродами (толщина слоя диэлектрика).

Таким образом

(37)

Диэлектрическая проницаемость является количественной харак­теристикой, она всегда больше единицы.

Когда между обкладками конденсатора находится вакуум,

и (38)

где - диэлектрическая проницаемость вакуума.

Емкость конденсатора, в котором диэлектриком является ваку­ум, С₀ определяется по следующей формуле:

(39)

Емкость конденсатора тех же размеров с диэлектриком

(40)

где h - толщина диэлектрика, м.

Отсюда относительная диэлектрическая проницаемость:

(41)

Увеличение диэлектрической проницаемости свидетельствует о том, что емкость конденсатора с данным диэлектриком увеличива­ется по сравнению с емкостью конденсатора, между обкладками которого находится вакуум.

В зависимости от строения диэлектрика и его агрегатного со­стояния различают электронную, ионную, дипольную, миграцион­ную, спонтанную и резонансную поляризацию.

Электронная поляризация - это смещение электронных ор­бит относительно положительно заряженного ядра под действием внешнего электрического поля. Она устанавливается за очень ко­роткое время после наложения электрического поля и составляет с. При увеличении размеров атома электронная поля­ризуемость увеличивается.

Электронная поляризация происходит во всех атомах любого ве­щества и, следовательно, во всех диэлектриках независимо от нали­чия в них других видов поляризации. Для веществ ионного строения существенна электронная поляризуемость не атомов, а ионов.

Запаздывание в установлении статического равновесия переме­щающихся зарядов по отношению к электрическому полю называ­ется релаксационной поляризацией.

Электронно-релаксационная поляризация проявляется в матери­алах, имеющих дефекты в электронном строении.

Ионная поляризация - это смещение друг относительно друга из положения равновесия разноименно заряженных ионов на рассто­яние, меньшее постоянной кристаллической решетки, в веществах с ионными связями. Она устанавливается также за малое, но все же большее, чем при электронной поляризации, время с.

Ионная поляризация, как и электронная, не связана с потерями энергии и не зависит от частоты.

Ионно-релаксационная поляризация присуща ионным диэлект­рикам со сравнительно слабым закреплением структурных частиц (например, изоляторный фарфор, нагревостойкая керамика, щелоч­ные изоляционные стекла). Она сопровождается рассеиванием элек­трической энергии и зависит от температуры и частоты тока.

Дипольная поляризация заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля.

Поляризованность при дипольной поляризации уменьшается после снятия приложенного напряжения, т.е. имеет место дипольно-релаксационная поляризованность.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в тех­нических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений и слоев с различной проводимостью.

При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы начинают перемещаться (мигриро­вать) в пределах каждого включения и накапливаться на границах, образуя поляризованные области.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация на­блюдается у диэлектриков с доменным строением, когда до прило­жения внешнего электрического поля в таких материалах уже име­ются небольшие поляризованные области.

Внешнее поле ориентирует домены, векторы электрических мо­ментов которых ориентированы хаотично и скомпенсированы в объеме материала, и диэлектрик поляризуется.

При самопроизвольной поляризации наблюдаются большие ди­электрические потери и резко выраженная зависимость диэлектри­ческой проницаемости от температуры и напряженности электри­ческого поля. Диэлектрическая проницаемость при этом может до­стигать очень высоких значений (до 100 000).

Материалы, обладающие таким видом поляризации, называют­ся сегнетодиэлектриками (сегнетовая соль, титанат бария BaTiO2 , титанат стронция SrTiO3 и др.).

Резонансная поляризация проявляется в области сверхвы­соких частот у газов и твердых диэлектриков с дефектами в крис­таллической структуре.

В зависимости от механизма поляризации все диэлектрики мож­но разделить на полярные и неполярные.

Полярные диэлектрики составляют группу материалов, со­держащих постоянные электрические диполи, которые способны к переориентации во внешнем электрическом поле.

В полярных диэлектриках наблюдается электронная и дипольно-релаксационная поляризация. Они имеют худшие электрические свойства по сравнению с неполярными диэлектриками и применяются в качестве электроизоляционных материалов в области низких частот.

Полярными являются поливинилхлорид, эпоксидные смолы, фторопласт – 3, органическое стекло и др.

Неполярные диэлектрики составляют группу материалов, не содержащих диэлектрические диполи, которые способны к пере­ориентации во внешнем электрическом поле.

В неполярных диэлектриках наблюдается в основном электрон­ная поляризация. Они применяются как высококачественные элек­троизоляционные материалы в технике высоких и сверхвысоких частот.

Неполярными являются воздух, полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, бензол и др.

Электропроводность диэлектриков. Диэлектрические материалы обладают некоторой электропроводностью, которая связана с на­правленным перемещением заряженных частиц (электронов, ионов, молионов).

Электропроводность диэлектриков в большинстве случаев но­сит ионный характер, т.е. носителями зарядов являются ионы.

Электропроводность диэлектриков оценивается удельным элек­трическим сопротивлением постоянному току, Ом*м,

, (42)

где у- удельная электрическая проводимость, См/м.

При включении диэлектрика в цепь постоянного напряжения происходит резкий скачок тока, а затем уменьшение его до посто­янного значения. Это постоянное значение называется током сквоз­ной проводимости I_ск.

Спадающий во времени ток, обусловленный перераспределением свободных зарядов, принято называть абсорбционным I_аб.

Ток, сопутствующий электронной и ионной поляризации, назы­вают током смещения; его мгновенное значение обозначают I_см.

Таким образом, ток, проходящий через диэлектрик, представля­ет собой сумму токов смещения I_см, абсорбции I_аб и сквозного I_ск .

I = I_см + I_аб + I_ск (43)

Так как абсорбционный ток быстро затухает, электропровод­ность изолирующих материалов при постоянном напряжении оп­ределяется по сквозному току:

(44)

где I_ск = I – I_см – I_аб - ток сквозной проводимости; I- общий ток, A;

U- приложенное напряжение, В.

При определении электропроводности диэлектрика необходи­мо измерять ток, когда I_см + I_аб = 0

В зависимости от конструкции электротехнических изделий при­нято различать удельное объемное электрическое сопротивлениеи удельное поверхностное электрическое сопротивление.

Удельное объемное электрическое сопротив­ление рv определяет свойства изоляции, когда основные утечки тока происходят через объем материала, например в экранирован­ном электрическом проводе.

Удельное объемное электрическое сопротивление рv, численно равно сопротивлению образца материалов в виде кубика с ребром единичных размеров, когда напряжение прикладывается к двум его противоположным граням. Для плоских образцов:

, (Ом*м) (45)

где RV - объемное сопротивление образца постоянному току. Ом; S- площадь элект­родов, контактирующих с испытуемым образцом, м²; b - толщина образцов, м.

Удельное поверхностное электрическое сопро­тивление рs является важнейшей характеристикой при оценке изо­ляционных материалов в таких деталях, как линейные изоляторы.

Удельное поверхностное сопротивление рs численно равно со­противлению образца материала в виде квадрата со стороной еди­ничных размеров при прохождении тока через две его противопо­ложные стороны:

, (Ом*м ) (46)

где R - поверхностное сопротивление материала образца, находящегося между электродами, Ом; / - длина электродов; h - расстояние между электродами, м.

Удельное объемное и поверхностное электрические сопротивле­ния р твердых диэлектриков зависят от температуры, влажности и величины приложенного напряжения.

Электропроводность многих изоляционных материалов зависит не только от строения и химического состава, но и от технологии их изготовления.

Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков оп­ределяется наличием в их строении адсорбированных водно-кол­лоидных пленок. По отношению к воде изоляционные материалы делятся на не смачиваемые и смачиваемые. К не смачиваемым материалам относятся, например, воски, янтарь, полистирол и др. Их поверхностная проводимость мала и не зависит от влажности воз­духа. К смачиваемым материалам относятся электроизоляцион­ные стекла, мрамор, бумага, многие виды пластмасс. Электропро­водность у них зависит от влажности окружающей среды.

Диэлектрические потери. Диэлектрические потери связаны со сложными явлениями, которые происходят в материале при воз­действии на него электрического поля. Они проявляются на посто­янном и переменном токе. Однако качество диэлектрика на посто­янном токе обычно характеризуется не диэлектрическими потеря­ми, а удельным объемным и поверхностным сопротивлениями.

При воздействии электрического поля на любое вещество часть потребляемой им электрической энергии превращается в тепловую и рассеивается.

Рассеянную часть поглощенной диэлектриком электрической энергии называют диэлектрическими потерями.

Рис. 5.2. Векторная диаграмма плотности тока в диэлектрике:

- угол сдвига суммарного тока относительно тока идеального диэлектрика; у - угол сдвига фаз между током и напряжением;

Jсм - плотность тока смещения;

Jпр - плотность тока проводи­мости; J - плотность общего тока

В диэлектрике, помещенном в пе­ременное электрическое поле с напря­женностью Е и угловой частотой , возникают ток смещения и ток прово­димости (рис. 5.2). Угол между век­торами плотности переменного тока диэлектрика J и тока смещения J на комплексной плоскости называют уг­лом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла является одним из важней­ших параметров не только диэлектри­ков, но также конденсаторов, изоля­торов и других электроизоляционных материалов. Тангенс угла диэлектри­ческих потерь определяет активную мощность, которая теряется в диэлек­трике, работающем под переменным напряжением. Он выражается отноше­нием плотности тока проводимости J пр к плотности тока смещения J см:

, (47)

Введение безразмерного параметра удобно потому, что он не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь свойствами диэлектрического материала.

Чем выше тангенс угла диэлектрических потерь ,тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и на­пряжения.

Пробой. Явление образования в диэлектрике проводящего кана­ла под действием электрического' поля называют пробоем.

Если проводящий канал проходит от одного электрода к друго­му и замыкает их, происходит полный пробой.

Если проводящий канал не достигает хотя бы одного из элект­родов, происходит неполный пробой.

При частичном пробое пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика.

У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему возможен про­бой по поверхности, такой пробой называют поверхностным.

Минимальное напряжение, приводящее к пробою диэлектрика, называют пробивным напряжением Uпр . Пробивное напряжение Uпр растет с увеличением толщины диэлектрика h. Для характеристики способности материала противостоять разрушению в электричес­ком поле используют напряженность электрического поля, при ко­торой происходит пробой, мВ/м,

, (48)

где Uпр – величина положительного к диэлектрику напряжения, при котором произошел пробой, кВ; h- толщина материала в месте пробоя, м.

Напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою, называют электрической прочностью.

Механизмы пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков имеют существенные различия.

Контрольные вопросы:

1. На какие группы можно разделить диэлектрики по назначению, по агрегатному состоянию, по химической основе?

2. Что из себя представляет поляризация диэлектрика?

3. Чем оценивается степень поляризованности диэлектрика?

4. Как определить относительную диэлектрическую проницаемость через заряд и емкость конденсатора?

5. Перечислить виды поляризации. В чем их суть?

6. Как определяется объемная и поверхностная проводимость диэлектрика?

7. Что такое диэлектрические потери?

8. Что такое ток абсорбции, ток смещения, сквозной ток диэлектрика?

9. Чему равен тангенс угла диэлектрических потерь?

10. Что такое диэлектрическая прочность?