Что значит диэлектрик. Диэлектрики: свойства, применение и особенности изоляционных материалов — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое диэлектрик и какими свойствами он обладает. Как используются диэлектрические материалы в современной технике. Какие виды диэлектриков существуют и чем они отличаются. Каковы основные характеристики и параметры диэлектриков.

Содержание

Что такое диэлектрик и каковы его основные свойства

Диэлектрик — это вещество, которое плохо проводит электрический ток и обладает способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Основные свойства диэлектриков:

Высокое удельное электрическое сопротивление (более 10^8 Ом·м)
Способность к поляризации под действием электрического поля
Низкая концентрация свободных носителей заряда (менее 10^8 см^-3)
Широкая запрещенная зона (более 3 эВ) с точки зрения зонной теории

Диэлектрики являются антиподом проводников и используются в качестве изоляторов в электротехнике и электронике. В отличие от металлов, в диэлектриках отсутствуют свободные электроны, способные создавать электрический ток.

Виды диэлектрических материалов и их особенности

Существует несколько основных видов диэлектриков:

Газообразные диэлектрики

К ним относятся различные газы — воздух, азот, элегаз и др. Они обладают наименьшей диэлектрической проницаемостью, близкой к 1. Используются в качестве изоляции в трансформаторах, конденсаторах, линиях электропередач.

Жидкие диэлектрики

Это различные минеральные и синтетические масла, кремнийорганические жидкости. Имеют диэлектрическую проницаемость 2-5. Применяются для заполнения силовых трансформаторов, кабелей, конденсаторов.

Твердые органические диэлектрики

К ним относятся различные полимерные материалы — полиэтилен, фторопласт, полистирол и др. Обладают хорошими изоляционными свойствами и технологичностью. Широко используются в кабельной технике, радиоэлектронике.

Твердые неорганические диэлектрики

Это керамика, стекло, слюда и другие минеральные диэлектрики. Отличаются высокой нагревостойкостью и механической прочностью. Применяются в высоковольтной и высокочастотной технике.

Основные электрические характеристики диэлектриков

Важнейшими параметрами, характеризующими свойства диэлектриков, являются:

Удельное объемное сопротивление (Ом·м)
Диэлектрическая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических потерь
Электрическая прочность (В/м)

Эти характеристики определяют поведение диэлектрика в электрическом поле и его способность выполнять изолирующие функции.

Явление поляризации диэлектриков

Поляризация — это смещение связанных зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Существует несколько механизмов поляризации:

Электронная поляризация — смещение электронных оболочек атомов
Ионная поляризация — смещение ионов в кристаллической решетке
Дипольная поляризация — ориентация полярных молекул
Миграционная поляризация — перемещение свободных зарядов

Поляризация приводит к ослаблению внешнего поля внутри диэлектрика и возникновению поляризационных зарядов на его поверхности.

Применение диэлектриков в технике

Диэлектрические материалы широко используются в различных областях техники:

Электрическая изоляция проводов, кабелей, обмоток электрических машин
Изготовление конденсаторов и других электронных компонентов
Создание изоляторов в высоковольтной технике
Производство печатных плат для электронной аппаратуры
Изготовление оптических волокон для передачи информации

Правильный выбор диэлектрика позволяет обеспечить надежную работу электротехнических и электронных устройств.

Диэлектрические потери и пробой диэлектриков

При работе в переменном электрическом поле в диэлектриках возникают диэлектрические потери энергии, обусловленные различными механизмами:

Потери на электропроводность
Релаксационные потери
Резонансные потери
Ионизационные потери

Диэлектрические потери приводят к нагреву изоляции и снижению ее электрической прочности. При превышении определенной напряженности поля происходит пробой диэлектрика — резкое увеличение его проводимости.

Активные свойства некоторых диэлектриков

Ряд диэлектрических материалов обладает особыми активными свойствами:

Пьезоэлектрики — генерируют электрический заряд при деформации
Сегнетоэлектрики — обладают спонтанной поляризацией
Электреты — способны длительно сохранять поляризованное состояние
Пироэлектрики — изменяют поляризацию при нагреве/охлаждении

Эти материалы находят применение в различных датчиках, преобразователях, устройствах памяти и других приборах.

Методы исследования свойств диэлектриков

Для изучения характеристик диэлектрических материалов применяются различные методы:

Измерение электрического сопротивления и проводимости
Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь
Исследование электрической прочности
Термический анализ
Спектроскопические методы
Микроскопия и рентгеноструктурный анализ

Комплексное исследование позволяет получить полную информацию о структуре и свойствах диэлектриков для их эффективного применения.

Диэлектрик | это… Что такое Диэлектрик?

Иное название этого понятия — «изолятор»; см. также другие значения.

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10

8 см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Содержание

1 Физические свойства
2 Параметры
3 Примеры
4 Использование
- 4.1 Пассивные свойства диэлектриков
- 4.2 Активные свойства диэлектриков
5 См. также
6 Ссылки

Физические свойства

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10⁻⁵ Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 10⁸ Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10⁻⁸ Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10¹⁶ Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10⁻⁵—10⁸ Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 10-20 МОм·см.

Параметры

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

Примеры

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.

Использование

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства диэлектриков

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 (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

См. также

Трекингостойкость
Материаловедение
Кондуктометрия

Ссылки

Электроизоляционные материалы (диэлектрики)
Характеристики электроизоляционных материалов