Что такое диэлектрик. Диэлектрики: свойства, виды и применение в электротехнике

Что такое диэлектрики и как они работают. Какие бывают виды диэлектриков. Где применяются диэлектрические материалы в современной технике. Каковы основные свойства и характеристики диэлектриков.

Что такое диэлектрики и их основные свойства

Диэлектрики — это вещества, основным свойством которых является очень низкая электропроводность. В отличие от проводников, диэлектрики практически не проводят электрический ток. Это связано с отсутствием в них свободных носителей заряда.

Основные свойства диэлектриков:

• Высокое удельное электрическое сопротивление (10^6 — 10^20 Ом·м)
• Способность к поляризации в электрическом поле
• Диэлектрическая проницаемость больше 1
• Электрическая прочность (способность выдерживать сильные электрические поля без пробоя)

Диэлектрики находят широчайшее применение в электротехнике и электронике в качестве изоляторов, диэлектриков конденсаторов и других компонентов.

Виды диэлектриков и их особенности

По агрегатному состоянию диэлектрики делятся на:

• Твердые (пластмассы, керамика, стекло)
• Жидкие (масла, лаки)
• Газообразные (воздух, элегаз)

По структуре различают:

• Аморфные (стекло, полимеры)
• Кристаллические (кварц, слюда)

По происхождению выделяют:

• Природные (слюда, янтарь)
• Искусственные (полимеры, керамика)

Поляризация диэлектриков и ее виды

Поляризация — это смещение связанных зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Это ключевое свойство, отличающее диэлектрики от проводников.

Основные виды поляризации:

• Электронная — смещение электронных оболочек относительно ядер атомов
• Ионная — смещение ионов в кристаллической решетке
• Дипольная — ориентация полярных молекул вдоль поля
• Спонтанная — существует в отсутствие внешнего поля (сегнетоэлектрики)

Поляризация приводит к ослаблению внешнего поля внутри диэлектрика. Это явление характеризуется диэлектрической проницаемостью материала.

Диэлектрическая проницаемость и ее физический смысл

Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, характеризующая способность диэлектрика поляризоваться во внешнем электрическом поле. Она показывает, во сколько раз ослабляется электрическое поле в диэлектрике по сравнению с вакуумом.

Диэлектрическая проницаемость связана с поляризуемостью молекул вещества. Чем выше поляризуемость, тем больше ε. Для большинства диэлектриков ε лежит в пределах от 2 до 10. Для воды ε ≈ 81, для сегнетоэлектриков может достигать нескольких тысяч.

Электропроводность диэлектриков и ее особенности

Хотя диэлектрики и считаются изоляторами, они все же обладают очень слабой электропроводностью. Это связано с наличием небольшого количества свободных носителей заряда:

• Электронов (для большинства твердых диэлектриков)
• Ионов (для жидких и некоторых твердых диэлектриков)

Электропроводность диэлектриков сильно зависит от температуры, влажности, примесей и других факторов. При повышении температуры она обычно возрастает. Под действием сильных полей также может значительно увеличиваться.

Диэлектрические потери и их причины

Диэлектрические потери — это рассеяние энергии в диэлектрике, находящемся в переменном электрическом поле. Они приводят к нагреву диэлектрика и снижению добротности электрических цепей.

Основные причины диэлектрических потерь:

• Сквозная электропроводность
• Поляризационные потери (запаздывание поляризации)
• Ионизационные потери (в газовых включениях)

Диэлектрические потери характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ. Чем он меньше, тем лучше диэлектрик.

Электрическая прочность и пробой диэлектриков

Электрическая прочность — это способность диэлектрика выдерживать сильные электрические поля без пробоя. Она характеризуется пробивной напряженностью поля Eпр.

При превышении Eпр происходит пробой диэлектрика — резкое увеличение электропроводности и образование проводящего канала. Это может привести к разрушению материала.

Различают следующие виды пробоя:

• Электрический (из-за ударной ионизации)
• Тепловой (из-за перегрева)
• Электрохимический (из-за химических реакций)

Электрическая прочность — важнейшая характеристика изоляционных материалов.

Применение диэлектриков в электротехнике и электронике

Диэлектрики находят широчайшее применение в современной технике:

• Электрическая изоляция проводов, кабелей, обмоток
• Диэлектрики конденсаторов
• Подложки печатных плат
• Изоляторы в высоковольтной технике
• Корпуса электронных приборов
• Оптические волокна
• Активные диэлектрики в пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических устройствах

Правильный выбор диэлектрических материалов критически важен для надежной работы электротехнического и электронного оборудования.

Что такое диэлектрик? | Виды диэлектриков и их применение

Из школьного курса физики все мы слышали о проводниках, полупроводниках и диэлектриках. В статье «Что такое конденсатор? Как он работает?» уже упоминалось такое понятие как «диэлектрик». Давайте рассмотрим его поподробнее. Статья обывательская, поэтому без формул и блуждания в дебрях теории.

Что такое диэлектрики?

Диэлектрики или изоляторы можно разделить на 2 типа. Реальный диэлектрик – материал или вещество, которое практически не проводит электрический ток или проводит его очень плохо. Материал, который абсолютно не проводит электричество, называется абсолютным (идеальным) диэлектриком, но такого материала не существует в природе. Неспособность проводить электрический ток объясняется отсутствием свободных зарядов.

Поляризация диэлектриков

Поляризация – явление смещения связанных электрических зарядов внутри атомов, молекул или внутри кристаллов под действием внешнего электрического поля.  Как было сказано ранее, в диэлектриках отсутствуют свободные заряды, они связаны между собой, но под воздействием электрического поля положительные заряды смещаются по полу, отрицательные – против.

Молекулы вещества становятся диполями, при исчезновении электрического поля смещение зарядов также исчезает. Диполи имеют свое электрическое поле, которое противоположно основному, что ведет к частичной компенсации. Если диэлектрик поместить в переменное электрическое поле, то поляризация также будет переменной, вследствие чего диэлектрик начнет нагреваться.

Типы поляризации

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

• Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10−15 с). Не связана с потерями энергии.
• Ионная — смещение узлов кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10−13 с, без потерь.
• Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
• Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
• Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
• Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
• Самопроизвольная (спонтанная) — возникает в отсутствие внешнего электрического поля. Наблюдается в материалах, состоящих из отдельных доменов (областей). В каждом из доменов имеет своё, отличное от других доменов, направление, в результате чего суммарный дипольный момент материала равен нулю. При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются вдоль поля.
  Возникающая при этом поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля; наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики).
• Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты колебания которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
• Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объёмных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения; имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Примеры диэлектриков. Применяемость.

К диэлектрикам относятся различные газы, жидкости, например, масла, стёкла, различные смолы, пластмассы.

К диэлектрикам относят также параэлектрики — нелинейные диэлектрики, не обладающие спонтанной поляризацией, относительная диэлектрическая проницаемость которых уменьшается с ростом температуры (титанаты стронция, калия, кадмия; сегнетоэлектрики выше температуры Кюри).

Пассивные свойства

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от «земли»). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активные свойства диэлектриков

Активными диэлектриками, диэлектрические свойства которых зависят от приложенного напряжения, влияния внешней среды являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Твердые диэлектрики могут обеспечивать безопасность приборов, работающий на электричестве. Они являются хорошими изоляторами тока, а значит очень сильно влияют на долговечность этих приборов. Одним из примеров можно назвать диэлектрические перчатки.

Жидкие нужны немного для другого. Они то используются в конденсаторах, кабелях, системах охлаждения с циркуляцией воздуха и во многих других приборах.

Также существуют и газообразные диэлектрики. Водород используется для мощных генераторов, у которых просто запредельная теплоемкость, а вот азот помогает по максимуму сократить окислительные процессы. Самым же простым примером газообразного диэлектрика мы считаем воздух.

Источники

• 1 источник
• 2 источник
• 3 источник
• 4 источник
• 5 источник

Диэлектрик – что это такое, применение и свойства диэлектриков

Содержание

1. Поляризация диэлектриков
2. Диэлектрики в переменном поле
3. Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля
4. Электрическая проводимость диэлектриков
5. Пробой диэлектриков
6. Нелинейные свойства диэлектриков
7. Применение диэлектриков

Диэлектрик представляет собой специальное вещество, основное свойство которого — плохая проводимость электрического тока. Данная характеристика материала напрямую связана с его способностью к поляризации в рамках внешнего электрического поля. Особенности данного процесса были подробно изучены Майклом Фарадеем. Английский физик проводил большое количество экспериментов с воздухом, стеклом и различными смолами. В данной статье подробно рассмотрим основные электрические диэлектриков свойства.  

Поляризация диэлектриков

Поляризация диэлектриков – физическое явление, фундаментальной основой которого является ограниченное передвижение связанных зарядов. Речь идет о перемещении частиц в рамках диэлектрика. Также это касается систематического поворота диполей электрического типа. Эмпирическим путем было установлено, что катализатором смещения электрических зарядов является электрическое поле. Данный процесс получил название в виде поляризации. 

На сегодняшний день изучено большое количество видов поляризации. Если речь идет о поляризуемости диэлектрика, то она включает электронную, ионную и ориентационную варианты. Проводники и диэлектрики до сих пор являются частым предметом исследования в научной среде. 

Механизм поляризации диэлектрика неполярного типа заключается в постепенной деформации электронной оболочки атома. В результате этого наблюдается смещение электронов против поляризующего поля. Данный процесс приводит к совпадению центров между «+» и «-» зарядами. Поле в диэлектрике довольно изменчиво.

Ученые сходятся во мнении, что основная причина возникновения поляризации кроется с несимметричной генерацией волн непосредственно в области возмущения. Также это касается анизотропности среды при распространении волн. Менее всего распространен вариант преломления, отражения нескольких сред между собой. 

Интересно! Как заменить проводку в квартире правильно и безопасно?

Диэлектрики в переменном поле

В процессе ряда научных исследований было установлено, что смещение зарядов происходит постепенно. Именно по этой причине поляризация не может быстро следовать за изменениями электрического поля в течение определенного периода времени. Без сомнения, в состав переменного поля входит большое количество структур, которые постоянно меняются. Данная закономерность получила название гармоничной. Плоский диэлектрик встречается реже. 

Анализ данного явления более нагляден по формуле:

E=E0sinωtE=E0sin

ωω представляет собой частоту переменного поля, а E0Е0 – текущую амплитуду напряженности поля. Следует отметить, что в таких условиях будут происходить гармонично с установленной частотой.

Эмпирическим путем было установлено, что между колебаниями уровня PP и EE существует определенная разность фаз. Она получила обозначение δδ. Также исследования были направлены на проницаемость диэлектрика. Более наглядно гармоничный закон можно представить по следующей формуле: 

E=E0еiωt,E=E0еiωt

На основании вышеизложенного материала можно утверждать, что диэлектрическая проницаемость относится к категории комплексных величин. Физический процесс тесно коррелирует с частотой переменного электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле, к сожалению, не до конца изучены. 

Суть процессов, связанных с диэлектриком в переменном поле, заключается в смещении положительных зарядов. В свою очередь отрицательно заряженные частицы перемещаются в противоположном направлении. Это приводит к тому, что молекулы постепенно трансформируются в электрический диполь. Как правило, его ось направлена параллельно к внешнему полю. 

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля

Поляризация диэлектриков  также возможна в условиях полного отсутствия электрического поля.  В таком случае фундаментальной основой физического процесса выступают другие причины. Явление в первую очередь распространяется на пироэлектрики, сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики.  

Эмпирическим путем было установлено, что в пироэлектриках заряженные частицы располагаются несимметрично. Связано это с несовпадением между собой противоположных частиц. Основанием для активизации поляризации является изменение температуры. В рамках данного процесса возникает необходимость в компенсации энергии. В большинстве случаев электрические заряды просто не успевают перестроиться. 

Практика показывает, что наиболее распространены сегнетоэлектрики. В рамках них спонтанная поляризация постоянно меняется. Связано это с изменениями температурного режима или электрического поля. Если речь идет о пьезоэлектриках, деформационный процесс является отправной точкой для возникновения поляризации. В свою очередь в категорию электретов входят смолы, стекла.

Пробивное напряжение диэлектрика  возникает при достижении Uпр  минимального значения. В таких условиях формируется проводящий канал. Специалисты отмечают, что пробивное напряжение может быть как полным/неполным, так и частичным.  

Электрическая проводимость диэлектриков

Емкость диэлектрика находится на низком уровне, но всегда выше нулевого значения. В качестве основных носителей зарядов следует отнести электроны и ионы. Если речь идет об ионной проводимости, то перемещение связано как с собственными, так и примесными атомами.  

Эксперты сходятся во мнении, что свободное перемещение ионов по кристаллу в первую очередь связано с наличием дефектов на их поверхности. Так, при образовании вакансии существенно возрастает вероятность занятия свободного места другими ионом. В основе данного процесса лежит воздействие поля. В результате наблюдается целенаправленное движение вакансий с последующим переносом зарядов через всю кристаллическую структуру. 

В результате многочисленных исследований было установлено, что перемещение ионов происходит в результате перескока ионов между узлами. Для этого использовалась диэлектрик пластина. Также было установлено, что при увеличении температуры существенно возрастала ионная проводимость. Не менее значимым фактором физического процесса являлась поверхностная проводимость. 

Интересно! Как определить прямую и обратную полярность при сварке?

Пробой диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость диэлектрика представляет собой физическую величину, при помощи которой можно объективно характеризовать способность материала к поляризации электрическим полем. Расчеты данного показателя осуществляются строго по установленной форме. 

Эмпирическим путем было установлено, что плотность электрического тока прямо пропорционально зависит от его степени напряженности. В соответствии с законом Ома была утверждена следующая формула:

j=σEj=σE

где σσ – электрич. проводимость Д (в т.ч. 2 два диэлектрика).

Практика показывает, что в сильный полях нарастание тока происходит намного быстрее. Вероятность образования критического пробоя существенно возрастает на фоне достижения EпрEпр критических значений. В таких условиях направление тока осуществляется строго по узкому каналу. В науке данное явление получило название шнурование тока. Следует отметить, что jj может иметь высокое значение, которое станет основной причиной разрушения Д. 

Если речь идет о состоянии канала, то по нему могут протекать различные химические реакции. В качестве наглядного примера можно привести поэтапное осаждение углерода в ионных кристаллах. Также это касается металлизации канала. 

Нелинейные свойства диэлектриков

Если речь идет о линейной зависимости по формуле P=ε0ϰEP=ε0ϰE, то она актуальна только для полей типа EE. Для данной модели характерен низкий уровень внутрикристаллических полей. Так, в отношении  EкрEкр характерна величина в размере 108 В/см. Данная закономерность была выявлена в результате проведения многочисленных испытаний. В рамках данного процесса в обязательном порядке фиксировался заряд в диэлектрике. 

Отдельного внимания заслуживает модель Eпр≪EкрEпр≪Eкр. В рамках нее довольно проблематично выявить закономерность нелинейного типа. Речь идет непосредственно о постоянном электрическом поле (РЕ). Практика показывает, что увеличение амплитуды ВЧ-полей существенно возрастает на фоне проявления нелинейных свойств. Повышение электрической прочности также происходит в рамках высоких частот электрического поля. Например, диэлектрик в конденсаторе.

Формирование электрического поля также возможно в луче лазера. Уровень его напряженности, как правило, составляет 8 В/см. В рамках такой модели нелинейные свойства становятся существенными. Таким образом, создаются благоприятные условия непосредственно для преобразования частоты света. Также это касается и его фокусировки. Более подробно данный вопросы был изучен в рамках нелинейной оптики (в т.ч. диэлектрики примеры).

Применение диэлектриков

В большинстве случаев диэлектрики используются в качестве надежного изоляционного материала для электрического поля. Пробой диэлектрика происходит довольно редко. Как правило, это возникает в результате нарушения его целостности из-за ряда механических повреждений. Если возникает необходимость в преобразовании механических сигналов, используются пьезоэлектрики. С их помощью можно контролировать порядок перемещения деформаций и различного рода звуковых колебаний. Более подробно особенности данного процесса рассмотрены в рамках пьезоэлектрических преобразователей.

Отдельного внимания заслуживают пироэлектрики. В большинстве случаев речь идет о тепловых детекторах и ИК-излучении. Не менее распространены сегнетоэлектрики, которые чаще всего используются в качестве конденсаторного материала. Функциональные элементы ценятся из-за высокого уровня диэлектрической проницаемости. Структурные компоненты часто используются в разнообразных устройствах. Диэлектрики часто выполняют задачи в разрезе оптического материала. В зависимости от физического состояния, различают жидкие диэлектрики и твердые диэлектрики.

Диэлектрик | Определение, свойства и поляризация

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Britannica Beyond
  Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Просить. Мы не будем возражать.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

Диэлектрическая проницаемость | физика | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.