Диэлектрические материалы и их свойства. Диэлектрики: виды, свойства и применение в электротехнике

Что такое диэлектрики. Какие бывают виды диэлектриков. Каковы основные свойства диэлектрических материалов. Где применяются диэлектрики в электротехнике и электронике. Как отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников.

Что такое диэлектрики и чем они отличаются от проводников

Диэлектрики — это вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток при нормальных условиях. Основное отличие диэлектриков от проводников заключается в следующем:

• В диэлектриках практически отсутствуют свободные носители заряда (электроны или ионы)
• Удельное электрическое сопротивление диэлектриков очень высокое — 10^8-10^20 Ом*м
• Диэлектрики способны поляризоваться во внешнем электрическом поле
• Энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости в диэлектриках составляет более 3 эВ

Таким образом, диэлектрики являются изоляторами и используются для электрической изоляции в электротехнике и электронике. При этом некоторые диэлектрики могут проявлять проводящие свойства при определенных условиях, например, при сильном нагреве или в сильных электрических полях.

Основные виды и классификация диэлектриков

Диэлектрические материалы классифицируют по различным признакам:

По агрегатному состоянию:

• Газообразные (воздух, азот, элегаз и др.)
• Жидкие (трансформаторное и конденсаторное масло, кремнийорганические жидкости)
• Твердые (слюда, керамика, полимеры, стекло и др.)

По химическому составу:

• Органические (полимеры, бумага, картон, лаки)
• Неорганические (керамика, стекло, слюда)

По структуре:

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

По полярности молекул:

• Полярные (вода, спирты)
• Неполярные (парафин, полиэтилен)

Также выделяют активные диэлектрики, обладающие особыми свойствами — пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэлектрики.

Основные свойства диэлектриков

Диэлектрические материалы характеризуются следующими основными свойствами:

Электрические свойства:

• Удельное объемное и поверхностное сопротивление
• Диэлектрическая проницаемость
• Тангенс угла диэлектрических потерь
• Электрическая прочность

Механические свойства:

• Прочность на разрыв, сжатие, изгиб
• Твердость
• Хрупкость
• Эластичность

Тепловые свойства:

• Теплопроводность
• Температура плавления
• Температура размягчения
• Нагревостойкость

Физико-химические свойства:

• Влагостойкость
• Химическая стойкость
• Радиационная стойкость

Знание этих свойств позволяет правильно выбирать диэлектрики для различных применений в электротехнике и электронике.

Применение диэлектриков в электротехнике и электронике

Диэлектрические материалы находят широкое применение в различных областях электротехники и электроники:

1. Электрическая изоляция

Это основное применение диэлектриков. Они используются для изоляции токоведущих частей в:

• Проводах и кабелях
• Трансформаторах
• Конденсаторах
• Электрических машинах
• Печатных платах

2. Конденсаторы

Диэлектрики применяются в качестве диэлектрического слоя в конденсаторах различных типов:

• Керамические конденсаторы
• Пленочные конденсаторы
• Слюдяные конденсаторы
• Электролитические конденсаторы

3. Подложки интегральных схем

Диэлектрические материалы (керамика, стекло) используются в качестве подложек для изготовления интегральных микросхем.

4. Оптические волокна

Оптическое волокно представляет собой диэлектрический волновод для передачи световых сигналов.

5. Пьезоэлектрические устройства

Пьезоэлектрики применяются для создания:

• Датчиков давления, ускорения
• Пьезоэлектрических двигателей
• Излучателей и приемников ультразвука

Таким образом, диэлектрики играют важнейшую роль в современной электротехнике и электронике, обеспечивая надежную работу различных устройств и систем.

Перспективные направления развития и применения диэлектриков

Развитие технологий создания и применения диэлектрических материалов продолжается в следующих перспективных направлениях:

• Разработка новых высокотемпературных диэлектриков для экстремальных условий эксплуатации
• Создание наноструктурированных диэлектриков с улучшенными свойствами
• Разработка «умных» диэлектриков с управляемыми свойствами
• Применение диэлектриков в устройствах гибкой электроники
• Использование диэлектриков в качестве активных элементов микроэлектромеханических систем (МЭМС)

Дальнейшее развитие диэлектрических материалов позволит создавать более совершенные электротехнические и электронные устройства с улучшенными характеристиками.

Диэлектрики. Виды и работа. Свойства и применение. Особенности

Диэлектрики — это вещество, которое не проводит, или плохо проводит электрический ток. Носители заряда в диэлектрике имеют плотность не больше 108 штук на кубический сантиметр. Одним из основных свойств таких материалов является способность поляризации в электрическом поле.

Параметр, характеризующий диэлектрики, называется диэлектрической проницаемостью, которая может иметь дисперсию. К диэлектрикам можно отнести химически чистую воду, воздух, пластмассы, смолы, стекло, различные газы.

Свойства диэлектриков

Если бы вещества имели свою геральдику, то герб сегнетовой соли непременно украсили бы виноградные лозы, петля гистерезиса, и символика многих отраслей современной науки и техники.

Родословная сегнетовой соли начинается с 1672 года. Когда французский аптекарь Пьер Сегнет впервые получил с виноградных лоз бесцветные кристаллы и использовал их в медицинских целях.

Тогда еще невозможно было предположить, что эти кристаллы обладают удивительными свойствами. Эти свойства дали нам право из огромного числа диэлектриков выделить особые группы:

• Пьезоэлектрики.
• Пироэлектрики.
• Сегнетоэлектрики.

Со времен Фарадея известно, что во внешнем электрическом поле диэлектрические материалы поляризуются. При этом каждая элементарная ячейка обладает электрическим моментом, аналогичным электрическому диполю. А суммарный дипольный момент единицы объема определяет вектор поляризации.

В обычных диэлектриках поляризация однозначно и линейно зависит от величины внешнего электрического поля. Поэтому диэлектрическая восприимчивость почти у всех диэлектриков величина постоянная.

P/E=X=const

Кристаллические решетки большинства диэлектриков построены из положительных и отрицательных ионов. Из кристаллических веществ наиболее высокой симметрией обладают кристаллы с кубической решеткой. Под действием внешнего электрического поля кристалл поляризуется, и симметрия его понижается. Когда внешнее поле исчезает, кристалл восстанавливает свою симметрию.

В некоторых кристаллах электрическая поляризация может возникать и при отсутствии внешнего поля, спонтанно. Так выглядит в поляризованном свете кристалл молибдената гадолиния. Обычно спонтанная поляризация неоднородная. Кристалл разбивается на домены – области с однородной поляризацией. Развитие многодоменной структуры уменьшает суммарную поляризацию.

Пироэлектрики

В пироэлектриках спонтанная поляризация экранирует со свободными зарядами, которые компенсируют связанные заряды. Нагревание пироэлектрика изменяет его поляризацию. При температуре плавления пироэлектрические свойства исчезают вовсе.

Часть пироэлектриков относится к сегнетоэлектрикам. У них направление поляризации может быть изменено внешним электрическим полем.

Существует гистерезисная зависимость между ориентацией поляризации сегнетоэлектрика и величиной внешнего поля.

В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от величины поля. При его дальнейшем увеличении все домены ориентируются по направлению поля, переходя в режим насыщения. При уменьшении поля до нуля кристалл остается поляризованным. Отрезок СО называют остаточной поляризацией.

Поле, при котором происходит изменение направления поляризации, отрезок ДО называют коэрцитивной силой.

Наконец, кристалл полностью меняет направление поляризации. При очередном изменении поля кривая поляризации замыкается.

Однако, сегнетоэлектрическое состояние кристалла существует лишь в определенной области температур. В частности, сегнетова соль имеет две точки Кюри: -18 и +24 градусов, в которых происходят фазовые переходы второго рода.

Группы сегнетоэлектриков

Микроскопическая теория фазовых переходов разделяет сегнетоэлектрики на две группы.

Первая группа

Титанат бария относится к первой группе, и как ее еще называют, группе сегнетоэлектриков типа смещения. В неполярном состоянии титанат бария имеет кубическую симметрию.

При фазовом переходе в полярное состояние ионные подрешетки смещаются, симметрия кристаллической структуры понижается.

Вторая группа

Ко второй группе относят кристаллы типа нитрата натрия, у которых в неполярной фазе имеется разупорядоченная подрешетка структурных элементов. Здесь фазовый переход в полярное состояние связан с упорядочением структуры кристалла.

Причем в различных кристаллах может быть два или несколько вероятных положений равновесия. Существуют кристаллы, в которых цепочки диполя имеют антипараллельные ориентации. Суммарный дипольный момент таких кристаллов равен нулю. Такие кристаллы называют антисегнетоэлектриками.

В них зависимость поляризации линейная, вплоть до критического значения поля.

Дальнейшее увеличение величины поля сопровождается переходом в сегнетоэлектрическую фазу.

Третья группа

Существует еще одна группа кристаллов – сегнетиэлектриков.

Ориентация дипольных моментов у них такова, что по одному направлению они имеют свойства антисегнетоэлектриков, а по-другому сегнетоэлектриков. Фазовые переходы у сегнетоэлектриков бывают двух родов.

При фазовом переходе второго рода в точке Кюри спонтанная поляризация плавно уменьшается до нуля, а диэлектрическая восприимчивость, меняясь резко, достигает огромных величин.

При фазовом переходе первого рода поляризация исчезает скачком. Также скачком изменяется электрическая восприимчивость.

Большая величина диэлектрической проницаемости, электрополяризации сегнетоэлектриков, делает их перспективными материалами современной техники. Например, уже широко используют нелинейные свойства прозрачной сегнетокерамики. Чем ярче свет, тем сильнее он поглощается специальными очками.

Это является эффективной защитой зрения рабочих в некоторых производствах, связанных с внезапными и интенсивными вспышками света. Для передачи информации с помощью лазерного луча применяют сегнетоэлектрические кристаллы с электрооптическим эффектом. В пределах прямой видимости лазерный луч моделируется в кристалле. Затем луч попадает в комплекс приемной аппаратуры, где информация выделяется и воспроизводится.

Пьезоэлектрический эффект

В 1880 году братья Кюри обнаружили, что в процессе деформации сегнетовой соли на ее поверхности возникают поляризационные заряды. Это явление было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Если на кристалл воздействовать внешним электрическим полем, он начинает деформироваться, то есть, возникает обратный пьезоэлектрический эффект.

Однако эти изменения не наблюдаются в кристаллах, имеющих центр симметрии, например, в сульфиде свинца.

Если на такой кристалл воздействовать внешним электрическим полем, подрешетки отрицательных и положительных ионов сместятся в противоположные стороны. Это приводит к поляризации кристаллов.

В данном случае мы наблюдаем электрострикцию, при которой деформация пропорциональна квадрату электрического поля. Поэтому электрострикцию относят к классу четных эффектов.

ΔX1=ΔX2

Если такой кристалл растягивать или сжимать, то электрические моменты положительных диполей будут равны по величине электрическим моментам отрицательных диполей. То есть, изменение поляризации диэлектрика не происходит, и пьезоэффект не возникает.

В кристаллах с низкой симметрией при деформации появляются дополнительные силы обратного пьезоэффекта, противодействующие внешним воздействиям.

Таким образом, в кристалле, у которого нет центра симметрии в распределении зарядов, величина и направление вектора смещения зависит от величины и направления внешнего поля.

Благодаря этому можно осуществлять различные типы деформации пьезокристаллов. Склеивая пьезоэлектрические пластинки, можно получить элемент, работающий на сжатие.

В этой конструкции пьезопластинка работает на изгиб.

Пьезокерамика

Если к такому пьезоэлементу приложить переменное поле, в нем возбудятся упругие колебания и возникнут акустические волны. Для изготовления пьезоэлектрических изделий применяют пьезокерамику. Она представляет собой поликристаллы сегнетоэлектрических соединений или твердые растворы на их основе. Изменяя состав компонентов и геометрические формы керамики, можно управлять ее пьезоэлектрическими параметрами.

Прямые и обратные пьезоэлектрические эффекты находят применение в разнообразной электронной аппаратуре. Многие узлы электроакустической, радиоэлектронной и измерительной аппаратуры: волноводы, резонаторы, умножители частоты, микросхемы, фильтры работают, используя свойства пьезокерамики.

Пьезоэлектрические двигатели

Активным элементом пьезоэлектрического двигателя служит пьезоэлемент.

В течение одного периода колебаний источника переменного электрического поля он растягивается и взаимодействует с ротором, а в другом возвращается в исходное положение.

Великолепные электрические и механические характеристики позволяют пьезодвигателю успешно конкурировать с обычными электрическими микромашинами.

Пьезоэлектрические трансформаторы

Принцип их действия также основан на использовании свойств пьезокерамики. Под действием входного напряжения в возбудителе возникает обратный пьезоэффект.

Волна деформации передается в генераторную секцию, где за счет прямого пьезоэффекта изменяется поляризация диэлектрика, что приводит к изменению выходного напряжения.

Так как в пьезотрансформаторе вход и выход гальванически развязаны, то функциональные возможности преобразования входного сигнала по напряжению и току, согласование его с нагрузкой по входу и выходу, лучше, чем у обычных трансформаторов.

Исследования разнообразных явлений сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества продолжаются. Нет сомнений, что в будущем появятся приборы, основанные на новых и удивительных физических эффектах в твердом теле.

Классификация диэлектриков

В зависимости от различных факторов они по-разному проявляют свои свойства изоляции, которые определяют их сферу использования. На приведенной схеме показана структура классификации диэлектриков.

В народном хозяйстве стали популярными диэлектрики, состоящие из неорганических и органических элементов.

Неорганические материалы – это соединения углерода с различными элементами. Углерод обладает высокой способностью к химическим соединениям.

Минеральные диэлектрики

Такой вид диэлектриков появился с развитием электротехнической промышленности. Технология производства минеральных диэлектриков и их видов значительно усовершенствована. Поэтому такие материалы уже вытесняют химические и натуральные диэлектрики.

К минеральным диэлектрическим материалам относятся:

• Стекло (конденсаторы, лампы) – аморфный материал, состоит из системы сложных окислов: кремния, кальция, алюминия. Они улучшают диэлектрические качества материала.
• Стеклоэмаль – наносится на металлическую поверхность.
• Стекловолокно – нити из стекла, из которых получают стеклоткани.
• Световоды – светопроводящее стекловолокно, жгут из волокон.
• Ситаллы – кристаллические силикаты.
• Керамика – фарфор, стеатит.
• Слюда – микалекс, слюдопласт, миканит.
• Асбест – минералы с волокнистым строением.

Разнообразные диэлектрики не всегда заменяют друг друга. Их сфера применения зависит от стоимости, удобства применения, свойств. Кроме изоляционных свойств, к диэлектрикам предъявляются тепловые, механические требования.

Жидкие диэлектрики

Нефтяные масла

Трансформаторное масло заливается в силовые виды трансформаторов. Оно наиболее популярно в электротехнике.

Кабельные масла применяются при изготовлении электрических кабелей. Ими пропитывают бумажную изоляцию кабелей. Это повышает электрическую прочность и отводит тепло.

Синтетические жидкие диэлектрики

Для пропитки конденсаторов необходим жидкий диэлектрик для увеличения емкости. Такими веществами являются жидкие диэлектрики на синтетической основе, которые превосходят нефтяные масла.

Хлорированные углеводороды образуются из углеводородов заменой в них молекул атомов водорода атомами хлора. Большую популярность имеют полярные продукты дифенила, в состав которых входит С₁₂ Н₁₀-nC Ln.

Их преимуществом является стойкость к горению. Из недостатков можно отметить их токсичность. Вязкость хлорированных дифенилов имеет высокий показатель, поэтому их приходится разбавлять мене вязкими углеводородами.

Кремнийорганические жидкости обладают низкой гигроскопичностью и высокой температурной стойкостью. Их вязкость очень мало зависит от температуры. Такие жидкости имеют высокую стоимость.

Фторорганические жидкости имеют аналогичные свойства. Некоторые образцы жидкости могут долго работать при 2000 градусов. Такие жидкости в виде октола состоят из смеси полимеров изобутилена, получаемых из продуктов газа крекинга нефти, имеют невысокую стоимость.

Природные смолы

Канифоль – это смола, имеющая повышенную хрупкость, и получаемая из живицы (смола сосны). Канифоль состоит из органических кислот, легко растворяется в нефтяных маслах при нагревании, а также в других углеводородах, спирте и скипидаре.

Температура размягчения канифоли равна 50-700 градусов. На открытом воздухе канифоль окисляется, быстрее размягчается, и хуже растворяется. Растворенная канифоль в нефтяном масле используется для пропитки кабелей.

Растительные масла

Эти масла представляют собой вязкие жидкости, которые получены из различных семян растений. Наиболее важное значение имеют высыхающие масла, которые могут при нагревании отвердевать. Тонкий слой масла на поверхности материала при высыхании образует твердую прочную электроизоляционную пленку.

Скорость высыхания масла повышается при возрастании температуры, освещении, при использовании катализаторов – сиккативов (соединения кобальта, кальция, свинца).

Льняное масло имеет золотисто-желтый цвет. Его получают из семян льна. Температура застывания льняного масла составляет -200 градусов.

Тунговое масло изготавливают из семян тунгового дерева. Такое дерево растет на Дальнем Востоке, а также на Кавказе. Это масло не токсично, но не является пищевым. Тунговое масло застывает при температуре 0-50 градусов. Такие масла используются в электротехнике для производства лаков, лакотканей, пропитки дерева, а также в качестве жидких диэлектриков.

Касторовое масло используется для пропитки конденсаторов с бумажным диэлектриком. Получают такое масло из семян клещевины. Застывает оно при температуре -10 -180 градусов. Касторовое масло легко растворяется в этиловом спирте, но нерастворимо в бензине.

Похожие темы:

Страница не найдена | Кафедра физики твердого тела ПетрГУ

หน้าหลัก

http://rtlabs.nitk.ac.in/ http://www.ei.ksue.edu.ua/ http://www.unajma.edu.pe/ http://www.drbrambedkarcollege.ac.in/ https://esperanza.eastern.edu/ https://www.hsri.or.th/ https://www.agrft.uni-lj.si/ http://www4.fe.usp.br/ https://www.cnba.uba.ar/

Home

bak hocam 2yildir kullandigim siteye gelip kod ekliyorsun not yazip kodlarini siliyorum (insan olan utanir kusura bakma hocam diyip giderdi) kendine dusmanmi ariyorsun? belliki sen disli birine denk gelmemissin hayatin boyunca ama ben cok ugrastim cokta denk geldim bu sekilde tanimadigin birini tehtit etmen ya deli oldugunu gosterir yada tecrubesizligini sen bana isimi ogretecegine once baskalarina ait olan sitelere girmemeyi ogren ondan sonra bana isimi ogretirsin ben cok takintili bir adamim beni kotu bir insan olmaya zorlama rica ediyorum bak lutfen birbirimizi uzmeyelim emin ol bu site felan umrumdami saniyorsun? olay tamamen prensip meselesi sen benim yatakodama gelip beraber yatacagiz diyorsun oyle bir olay yok isine bak oldu 10 kisi daha cagir 500 kod eklesin herkes yorumbacklink isimi yapiyorsun? sacmalamissin daha fazla beni muatap etme kendinle yaptigin terbiyesizligin farkina var illa darbe yiyincemi aklin basina gelecek anlamiyorum ki o kadar yaziyorum ki birbirimize kotuluk yapmayalim kalp kirmayalim birbirimizi uzmeyelim sana daha once boyle notlar yazan bir linkci gordun mu Allah askina ben bazen goruyorum ana baci duymadigim kufurler yaziyor adamlar birbirine sen benim gibi bir insani uzuyorsun ama lutfen.. 8yildir ben kimseyle ortak site kullanmadim babam gelse onunlada kullanmam en hassas oldugum konudur bu bir daha kod eklememeni siddetle tavsiye ediyorum yoksa farkli seyler olur ve kendine nur topu gibi manyak bir dusman edinirsin bos yere bu polemigi uzatiyorsun haksiz olan sensin kod disinde birsey yazmak istersen yazabilirsin ama rica ediyorum isi inada bindirme senden ERDEMLİ DÜRÜST VE OLGUN bir davranis bekliyorum beni anladigini umuyorum ve tekrar inşAllah kod eklemeyecegini umuyorum olumlu olumsuz notunu buraya yazablirsin bende bir daha bu siteyi kullanmiyacagim sanada kullandirmam tabiki is site isi degil prensip isi.. ihtiyacin olabilir site sayin azdir bunlar dogal seyler ben gerekirse kendim eklerim senin kodlarini oyle bir durumda kendi kodlarimida silerim sadece senin olur ama o son not garip bir insan oldugunu dusunduruyor bana ve inan ugrasacak vaktim de kafamda yok kendine sardirma hepimiz ekmek davasindayiz senle isim yok benden sana kotulukte gelmez ama beni zorlama lutfen.. zaten kafamda bir dunya sorun var hayat acimasiz hayat zor benim derdim bana yetiyor butun ictenligim ve iyi niyetim ile sana bu notu yaziyorum bu kadar sozden sonra kod ekleyecegini sanmiyorum birde seninle ugrasmayayim guzel kardesim arkadasim lutfen rica ediyorum LUTFEN barış her zaman erdemli insanlarin isidir lutfen ayni olgunluk ile senden olumlu donusunu bekliyorum eger yazdiklarimda kalp kirici yada incitici birsey varsa lutfen kusura bakma 1-2defa kontrol ettim ama belki gozumden kacmis olabilir hakkini helal et ve en iyisi ikimiz icinde helallesip bu isi noktalamaktir inan kotu biri degilim selam ve sevgiyle..

Диэлектрики в науке и в быту

Диэлектрики — это вещества, которые не проводят электрический ток, до определенной поры. При определенных условиях проводимость в них зарождается. Этими условиями выступают механические, тепловые — в общем, энергетические виды воздействий. Кроме диэлектриков, вещества также классифицируются на проводники и полупроводники.

Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона — это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” — запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) — то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

В данной статье речь далее пойдет только о диэлектриках. И раз уж мы чуть углубились в науку, то поговорим далее о свойствах и величинах, которые характеризуют эти электротехнические материалы в общем.

Виды и типы диэлектриков

Классификация диэлектриков довольна обширная. Тут встречаются жидкие, твердые и газообразные вещества. Далее они делятся по определенным признакам. Ниже приведена условная классификация диэлектриков с примерами в форме списка.

• газообразные
• — полярные
• — неполярные (воздух, элегаз)
• жидкие
• твердые
• — центросимментричные
• — аморфные
• — смолы, битумы (эпоксидная смола)
• — стекла
• — неупорядоченные полимеры
• — поликристаллы
• — нерегулярные кристаллы
• — керамика
• — упорядоченные полимеры
• — ситаллы
• — монокристаллы
• — молекулярные
• — ковалентные
• — ионные
• — параэлектрики смещения
• — параэлектрики „порядок-беспорядок”
• — дипольные
• — нецентросимментричные
• — монокристаллы
• — пироэлектрики
• — сегнетоэлектрики смещения
• — сегнетоэлектрики „порядок-беспорядок”
• — линейные пироэлектрики
• — пьезоэлектрики
• — с водородными связями
• — ковалентные
• — ионные
• — текстуры
• — электронных дефектов
• — ионных дефектов
• — полярных молекул
• — макродиполей
• — сегнетоэлектрических доменов
• — кристаллов в матрице

Если брать жидкие и газообразные диэлектрики, то основная классификация лежит в вопросе полярности. Разница в симметричности молекул. В полярных молекулы несимметричны, в неполярных — симметричны. Несимметричные молекулы называются диполями. В полярных жидкостях проводимость настолько велика, что их невозможно использовать в качестве изоляционных веществ. Поэтому для этих целей используют неполярные, тоже трансформаторное масло. А наличие полярных примесей даже в сотых долях значительно снижает планку пробоя и негативно сказывается на изоляционных свойствах неполярных диэлектриков.

кристаллы представляют собой нечто среднее между жидкостью и кристаллом, как следует из названия.

Еще популярным вопросом о свойствах и применении жидких диэлектриков будет следующий: вода — диэлектрик или проводник? В чистой дистиллированной воде отсутствуют примеси, которые могли бы вызвать протекание тока. Чистую воду можно создать в лабораторных, промышленных условиях. Эти условия сложны и трудновыполнимы для обычного человека. Есть простой способ проверить проводит ли дистиллированная вода ток.

Создать электрическую цепь (источник тока — провод — вода — провод — лампочка — другой провод — источник тока), в которой одним из участков для протекания тока будет сосуд с дистиллированной водой. При включении схемы в работу, лампочка не загорится — следовательно ток не проходит. Ну а если загорится, значит вода с примесями.

Поэтому любая вода, которую мы встречаем: из крана, в озере, в ванной — будет проводником за счет примесей, которые создают возможность для протекания тока. Не купайтесь в грозу, не работайте влажными руками с электричеством. Хотя чистая дистиллированная вода — полярный диэлектрик.

Для твердых диэлектриков классификация в основном лежит в вопросе активности и пассивности что ли. Если свойства постоянны, то диэлектрик используют в качестве изоляционного материала, то есть он пассивен. Если свойства меняются, в зависимости от внешних воздействий (тепло, давление), то этот диэлектрик применяют для других целей. Бумага является диэлектриком, если вода пропитана водой — то ток проводится и она проводник, если бумага пропитана трансформаторным маслом — то это диэлектрик.

Фольгой называют тонкую металлическую пластину, металл — как известно является проводником. В продаже имеется например ПВХ-фольга, тут слово фольга для наглядности, а слово ПВХ — для понимания смысла — ведь ПВХ это диэлектрик. Хотя в википедии — фольгой называется тонкий лист металла.

Аморфные жидкости — это и смола, и стекло, и битум, и воск. При повышении температуры этот диэлектрик тает, это замороженные вещества — это дикие определения, которые характеризуют лишь одну грань правды.

Поликристаллы — это, как бы сросшиеся кристаллы, объединенные в один кристалл. Например, соль.

Монокристалл — это цельный кристалл, в отличие от вышеупомянутого поликристалла имеющий непрерывную кристаллическую решетку.

Пьезоэлектрики — диэлектрики, у которых при механическом воздействии (растяжении-сжатии), возникает процесс ионизации. Применяется в зажигалках, детонаторах, УЗИ-обследовании.

Пироэлектрики — при изменении температуры в этих диэлектриках происходит самопроизвольная поляризация. Также она происходит при механическом воздействии, то есть пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, но не наоборот. Примерами служат янтарь и турмалин.

Физические свойства диэлектриков

Чтобы оценить качество и степень пригодности диэлектрика, необходимо как-то описать его параметры. Если следить за этими параметрами, то можно вовремя предотвратить аварию, заменив элемент на новый с допустимыми параметрами. Этими параметрами выступают: поляризация, электропроводность, электрическая прочность и диэлектрические потери. Для каждого из этих параметров существует своя формула и постоянная величина, в сравнении с которой производится заключение о степени пригодности материала.

---

Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.

---

Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих — тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток — поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.

---

Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ — угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.

---

Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

И в конце таблица диэлектриков, как же без нее.

В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.

Диэлектрики. Классификация

 

Диэлектриками называются материалы, в которых длительно могут существовать электростатические поля и основным свойством которых является способность к поляризации.

При нормальных условиях ( температура близкая к комнатной, давление порядка атмосферного, уровень радиационного воздействия близок по интенсивности к солнечному ) диэлектрики обладают высокими значениями удельного электрического сопротивления (ρ>10⁸Ом·м) и шириной запрещенной зоны порядка 3-8 эВ. При этом электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле они могут лишь смещаться, что приводит к разделению центров положительного и отрицательного зарядов.

Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.

Диэлектрики классифицируют по разным признакам.

1 По функциям, которые диэлектрические материалы выполняют в приборах и устройствах, а также по воздействию, оказываемому на них внешними факторами, они подразделяются на электроизоляционные и конденсаторные материалы (линейные или пассивные) и активные диэлектрики (нелинейные или управляемые).

2 По агрегатному состоянию — на газообразные, жидкие и твердые.

В газообразных — молекулы или атомы находятся на значительном расстоянии друг от друга и слабо взаимодействуют между собой, плотность газов низка, они не имеют собственного объема и подразделяются на:

— неполярные (воздух и входящие в его состав газы: водород, кислород, азот; благородные газы: гелий, аргон и др.), у которых в отсутствии внешнего электрического поля центры положительного и отрицательного зарядов совпадают;

— полярные (СО, Н₂О, HCl, HF, H₂S и др.), у которых центры разноименных зарядов не совпадают, т.е. существуют постоянные диполи.

В жидких — молекулы и атомы расположены ближе чем в газах, и они имеют собственный объем, а их свойства слабо зависят от внешнего давления. К электроизоляционным и конденсаторным материалам относятся нефтяные масла (трансформаторное, кабельное и конденсаторное ) и синтетические фтор-, хлор- и кремнийорганические жидкости.

3 По химическому составу на: органические, неорганические и элементоорганические.

Органические — представляют собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические — те, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержат в своем составе углерода и представляют собой, в основном, неорганические химические соединения и твердые растворы на их основе.

Также возможна классификация по наличию или отсутствию дальнего порядка (аморфные и кристаллические), по количеству фаз (однофазные и многофазные), по области применения (низкочастотные и высокочастотные) и др.

Из многообразия электрических свойств диэлектриков, определяющих их техническое применение, основными являются: электропроводность, поляризация, диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.

При воздействии электрического поля в диэлектрике возникает ряд процессов: смещение связанных зарядов (поляризация), направленное движение зарядов (электропроводность), рассеивание энергии поля, вызывающее нагрев диэлектрика (диэлектрические потери) и, наконец, при достаточно высоких напряженностях поля диэлектрик теряет свои диэлектрические свойства (пробой).

 

1.2 Основные электрические свойства и характеристики диэлектриков

 

1.2.1 Поляризация и электрическое поле в диэлектрике

В диэлектрике положительно и отрицательно заряженные частицы прочно связаны друг с другом. Поэтому, при внесении диэлектрика в электрическое поле наблюдается лишь смещение связанных зарядов относительно друг друга на небольшие расстояния в направлении действующих на них сил. Это явление называется поляризацией.

Электрическая поляризация – это состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объема этого вещества отличен от нуля.

Свойства диэлектриков, в которых поляризация возникает лишь пол влиянием электрического поля и исчезает после его снятия, не зависит от напряженности приложенного поля. Поэтому такие диэлектрики и называются линейными (пассивными).

Поляризация в диэлектриках может возникать не только под влиянием электрического поля, но и под воздействием различных внешних факторов (механических усилий, света, температуры и др.), а в некоторых диэлектриках-сегнетоэлектриках возникает в определенном интервале температур самопроизвольно. Свойствами таких диэлектриков можно управлять с помощью внешнихвоздействий: напряженностью электрического поля Е (в сегнетоэлектриках), механическим усилием (в пьезоэлектриках) и т.д., причем зависимость эта не линейна. Так, у сегнетоэлектриков диэлектрическая проницаемость

ε = f (Е) , у материалов для варисторов электрическая проводимость γ = f (E). Эти аномальные по своему поведению в электромагнитном поле материалы называют нелинейными (активными).

Таким образом, приложение к диэлектрику внешнего электрического поля напряженностью Е может привести:

— к смещению внутри диэлектрика электрических зарядов (положительные смещаются к “-“, а отрицательные – к”+”), в результате чего образуются диполи;

— к ориентации уже имеющихся в материале постоянных диполей.

Два электрических заряда противоположного знака (±q), находящиеся на расстоянии l друг от друга образуют диполь с моментом m (рисунок 1.1)

 

 

 

Рисунок 1.1 – Диполь в электрическом поле

 

При этом дипольный момент каждого элементарного объема диэлектрика будет пропорционален напряженности электрического поля Е

 

где α- поляризуемость, характеризующая способность частицы диэлектрика (атома, иона, молекулы или другой структурной единицы) к поляризации.

 

1.2.2 Вектор поляризации, поляризованность

Основными количественными характеристиками степени поляризации диэлектриков являются поляризованность (или вектор поляризации) Ри диэлектрическая проницаемость ε. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты диэлектрика или равны нулю (неполярные молекулы) или распределены хаотических образом (полярные молекулы). В обоих случаях суммарный электрический момент диэлектрика равен нулю.

Под действием внешнего поля диэлектрик поляризуется, т.е. результирующий дипольный момент любого его объема становится отличным от нуля. Тогда вектор поляризации можно определить по формуле

 

,

 

где – χ = к_э·ε₀ – абсолютная диэлектрическая восприимчивость; к_э— диэлектрическая восприимчивость, а ε₀= 8,85·10^-12 Ф/м- электрическая постоянная.

Таким образом,

 

 

 

Пропорциональность между Р и Е в слабых полях наблюдается у линейных диэлектриков. Вектор поляризации может быть представлен в виде

 

,

 

где N- число элементарных дипольных моментов. Скалярная величина Р называется поляризованностью.

 

1.2.3 Диэлектрическая проницаемость

На рисунке 1.2 схематически изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых S, а расстояние между ними h. В конденсаторе (рисунок 1.2 а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рисунок 1.2 б)- диэлектрик.

 

Рисунок 1.2

 

Если электрическое напряжение на электродах U= U₀· exp (jωt) с угловой частотой ω = 2πf, то напряженность электрического поля Е = U/h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом Q₀ (на рисунке 1.2 а — квадраты) и определяется из выражения

 

,

 

где С₀— емкость конденсатора с вакуумом.

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате, как уже сказано выше , образуются электрические диполи с моментом m= q·l, где q- суммарный положительный (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл; l- расстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q_д и общий заряд конденсатора возрастает.

При этом полный заряд конденсатора с диэлектриком

 

,

 

где ε_r— относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами

 

.

 

Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами

 

.

 

Из этих формул следует, что

 

,

 

где ε_r и есть относительная диэлектрическая проницаемость.

Емкость плоского конденсатора

 

,

 

где ε₀= 8,85·10^-12 Ф/м- электрическая постоянная, а произведение ε₀·ε_r= ε- абсолютная диэлектрическая проницаемость.

 

1.2.4 Электропроводность диэлектриков

Свойство вещества проводить под действием неизменяющегося во времени электрического поля неизменяющийся во времени электрический ток называется электропроводностью.

Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3…7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации, сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном воздействии на диэлектрик ионизируются основные частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом температуры с большей скоростью, так как число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и примесей. Энергия активации основных частиц больше, эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью поверхности материала адсорбировать загрязняющие компоненты, в частности, влагу, содержащуюся в окружающей атмосфере. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их называют гидрофильными, в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление.

Таким образом, в диэлектрике, находящемся в постоянном электрическом поле, протекает электрический ток, состоящий из тока поляризации или смещения, и тока сквозной электропроводности или тока утечки.

Токи поляризации обусловлены смещением связанных зарядов при установлении поляризации. При постоянном напряжении они возникают лишь в момент включения и выключения напряжения и затем затухает. Токи смещения при электронной и ионной поляризации весьма кратковременны (10^-13-10^-15с) и называются мгновенными токами смещения. У большинства диэлектриков время существования поляризационных токов составляет доли секунды, но у некоторых может достигать несколько дестков секунд, что происходит при замедленных видах поляризации. Токи, возникающие при установлении замедленных видов поляризации, называются токами абсорбции (Iабс). Их надо учитывать при измерении сопротивления диэлектриков. Считается, что процесс установления всех видов поляризации заканчивается через 1 мин. После подачи постоянного напряжения. При постоянном напряжении I_абс протекает лишь в моменты включения и выключения напряжения, при переменном – в течение всего времени. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только током утечки (как при постоянном напряжении), но и активными составляющими поляризационных токов.

Ток утечки может быть измерен через 1 мин. После включения напряжения, когда процесс поляризации закончится и токи смещения исчезнут. Именно ток утечки, или сквозной ток I_ск, и определяет электропроводность диэлектрика (рисунок 1.3).

Количественной мерой электропроводности служит удельная проводимость γ, являющаяся коэффициентом пропорциональности между плотностью тока j и напряженностью E (закон Ома)

 

 

Плотность тока численно равна заряду, проходящему через единицу сечения в единицу времени

,

 

где n₀— концентрация свободных носителей заряда, q — величина заряда, V — скорость дрейфа, т.е. направленного движения заряда в поле Е.

В случае ионной электропроводности

 

,

 

где N₀— полная концентрация ионов в веществе; w- энергия активации, определяющая вероятность перехода иона ьв свободное состояние при температуреТ; к= 1,38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Из этого следует, что

 

,

 

где b — подвижность носителей заряда, т.е. средняя дрейфовая скорость при единичной напряженности поля. В системе СИ подвижность b имеет размерность м²/В·с.

При обычных условиях главным видом носителей зарядов в диэлектриках являются ионы, что объясняется их более низкой энергией активации в сравнении с другими носителями заряда. Так, например, сравним велечины энергий активации (ω) заряженных частиц каменной соли (NaCl) – ионов Na⁺, Сl^— и электронов: ω_Na = 0,85 эВ; ω_Сl = 3 эВ; ω_эл= 6 эВ.

 

 

Рисунок 1.3 – Изменение тока текущего через диэлектрик, во времени после включения его под постоянное напряжение

 

Носителями тока в каменной соли служат ионы натрия, так как для их перевода в свободное состояние затрачивается наименьшая энергия (для перевода электронов в свободное состояние требуется энергия в 7 раз больше). Помимо собственных ионов, электропроводность диэлектрика обуславливают и слабо связанные ионы примесей. В неполярных диэлектриках с ковалентной связью при низких температурах это единственные носители тока. Судить о виде носителей (собственные или примесные ионы) можно на основании рис. 1.3. Снижение I_cк (кривая 1) свидетельствует о том, что электропроводность диэлектрика была обусловлена ионами примесей, количество которых из-за электрической очистки уменьшилось. Рост I_ск (кривая 2) указывает, что носителями тока являются собственные ионы самого диэлектрика, количество которых возрастает из-за необратимого процесса старения. Таким образом, ионная (или электролитическая) проводимость есть результат образования ионов либо за счет диссоциации молекул самого диэлектрика, либо за счет диссоциации молекул примесей под действием теплового движения, электрического поля и др. Этот вид проводимости наиболее часто проявляется в диэлектриках. В этом случае прохождение тока через диэлектрик сопровождается явлением электролиза.

В диэлектриках возможны также электронная и молионная виды проводимости. При электронной основными носителями являются свободные электроны. Этот вид проводимости наблюдается в газообразных диэлектриках, в твердых диэлектриках при высоких температурах и значительных напряженностях поля, а также в тонких слоях.

Молионная или электрофоретическая проводимость появляется в диэлектриках, в которых носителями зарядов служат заряженные группы молекул – молионы. Такой вид проводимости часто имеет место в жидких диэлектриках. При этом наблюдается явление электрофореза – переноса массы вещества к электроду.

 

1.2.5 Поляризация диэлектриков

Состояние электрической поляризации в диэлектриках возникает за счет различных процессов или механизмов, определяемых структурой вещества.

Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и неупругую (медленную, релаксационную) поляризации. Упругая поляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток, при этом процесс поляризации обратим и протекает без рассеивания энергии, т.е. без нагрева диэлектрика. К таким быстрым поляризациям относятся электронная, завершающаяся за время 10^-16…10^-13с, и ионная упругая, завершающаяся за время 10^-14…10^-13с, поляризации.

1.2.5.1 Упругие поляризации

Электронная поляризация. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов или ионов, в результате чего центры тяжести зарядов электронного облака и ядра атома (иона) не совпадают в пространстве (рисунок 1.4) и возникает дипольный момент. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10^-13 м) в пределах своих атомов и молекул. Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков, в любом агрегатном состоянии, в переменном поле она происходит во всем диапазоне частот вплоть до 10¹⁵ Гц, а при более высоких частотах исчезает.

 

 

Рисунок 1.4 Рисунок 1.5 Рисунок 1.6

 

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярны. Неполярными диэлектриками являются газы (гелий, водород, азот, метан), жидкости (бензол, четыреххлористый углерод) и твердые материалы (алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин ).

Диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом температуры из-за теплового расширения диэлектрика и уменьшения числа частиц в единице объема (рисунок 1.7, кривая 1). Кривая зависимости диэлектрической проницаемости от температуры подобна кривой изменения плотности.

Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало отличается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не изменяется с ростом частоты приложенного напряжения до 10¹² … 10¹³ Гц.

Изменение ε при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости

 

.

 

Ионная упругая поляризация. Ионная поляризация происходит в кристаллических диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных кристаллах, слюде, керамике и др. В электрическом поле в таких диэлектриках происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе – электронная поляризация. Смещаются друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов, т.е. происходит упругая ионная поляризация (рисунок 1.5). Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и диэлектрическую проницаемость.

Ионная поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 10¹² – 10¹³ Гц, так как время установления поляризации ничтожно мало по сравнению с периодом изменения этого поля. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи между ионами, и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле (рисунок 1.7, кривая 2).

 

Рисунок 1.7

 

1.2.5.2 Неупругие поляризации (релаксационные)

Дипольно-релаксационная поляризация. Дипольная поляризация наблюдается в полярных газообразных и жидких диэлектриках. Полярные диэлектрики построены из полярных молекул, в которых центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH₃, пары воды и спиртов. Полярными жидкостями являются вода, хлорбензол C₆H₅Cl, нитробензол C₆H₅NO₂. В электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки атомов – происходит электронная поляризация, также происходит и дипольная поляризация (дипольные моменты молекул ориентируются по полю). В твердых полярных диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков – звеньев, сегментов молекул или ориентация отдельных полярных групп молекул (рисунок 1.6).

Дипольно-релаксационная поляризация сводится к повороту (ориентации) в направлении электрического поля частиц полярного диэлектрика, имеющих постоянный дипольный момент. Такими частицами являются полярные молекулы (в полярных газах и жидкостях) и полярные радикалы (группы атомов и ионов в твёрдых полярных диэлектриках). Схематически этот процесс поляризации изображён на рисунке 1.8, на примере полярной молекулы.

 

 

Рисунок 8

 

В электрическом поле на заряды диполя будут действовать силы, равные по величине, но противоположно направленные (рисунок 1.8, а). Разложим каждую силу на 2 составляющие: вдоль и перпендикулярно оси диполя. Силы, действующие в направлении оси диполя, компенсируют друг друга, а силы, действующие перпендикулярно оси, вызывают вращающий момент М, который разворачивает полярную молекулу в электрическом поле

 

 

Так как мы рассматриваем изолированную полярную молекулу, то никаких препятствий для разворота её вдоль поля нет, и направление электрического момента её совпадает с направлением поля (рисунок 1.8, б). В реальном же диэлектрике полярные молекулы связаны друг с другом внутренними силами и в то же время находятся в непрерывном хаотическом движении, которое препятствует ориентации их вдоль поля. Поэтому полярные молекулы разворачиваются в диэлектрике на углы 0 < Θ < π. Поворот полярных частиц в направлении поля происходит замедленно 10^-12-10^-2, связан с затратами энергии и сопровождается её рассеиванием.

Если на полярный диэлектрик поле не воздействует, то в любой момент времени проекция электрического момента всех молекул на любое направление равна нулю. При воздействии электрического поля проекция электрического момента всех молекул на направление поля становится отличной от нуля, и диэлектрик приобретает поляризованность. После снятия электрического поля ориентация частиц постепенно ослабевает, система из неравновесного состояния, вызванного воздействием поля, переходит к более равновесному состоянию (рисунок 1.9). При этом поляризованность во времени изменяется в соответствии с формулой

 

,

где Р₀ — начальная поляризованность ориентированных частиц; τ- время, прошедшее после снятия поля; τ₀— постоянная времени (время релаксации).

 

 

Рисунок 1.9 – Изменение поляризованности во времени

 

Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого поляризованность (упорядоченность) ориентированных полем диполей, после снятия поля, из-за теплового хаотического движения уменьшается в 2,7 раза от первоначального значения. При этом 37% диполей ещё сохраняет поляризованность. Время релаксации поляризации экспоненциально убывает с температурой

 

,

 

где τ₀*- время релаксации при абсолютной температуре Т→∞.

При повышении температуры поляризованность частиц при дипольно-релаксационной поляризации, а следовательно, и диэлектрическая проницаемость, обусловленная ею, вследствие ослабления молекулярных сил (вязкость диэлектрика экспоненциально уменьшается), вначале растёт, достигает максимума, а затем, при достаточно высоких температурах, падает в связи с возрастающим дезориентирующим влиянием теплового движения (рисунок 1.10).

При воздействии на полярный диэлектрик переменного поля до тех пор, пока полярные частицы успевают следовать за изменением поля, частота не влияет на величину диэлектрической проницаемости. Начиная с некоторой критической частоты f_р (частоты релаксации), полярные частицы, являющиеся инерционными, не успевают следовать за изменением поля, дипольно-релаксационная поляризация прекращается, и диэлектрическая проницаемость резко падает до величины, обусловленной электронной поляризацией (рисунок 1.11). Частота релаксации зависит от природы и структуры диэлектрика. При повышении температуры частота релаксации растёт из-за уменьшения молекулярных сил и вязкости.

 

 

Рисунок 1.10 Рисунок 1.11

 

Ионно-релаксационная поляризация. Этот вид поляризации наблюдается в ионных диэлектриках неорганического происхождения с неплотной упаковкой ,например, в неорганических стёклах с рыхлой структурой и низким показателем преломления, и состоит в дополнительных (наряду с хаотическим тепловым движением) перебросах слабо связанных ионов под воздействием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие постоянную решётки. Эти перебросы ионов, совершаемые из одного равновесного состояния в другое, необратимы и сопровождаются заметным рассеиванием энергии.

Время установления ионно-релаксационной поляризации велико, колеблется в широких пределах у разных диэлектриков – от 10^-6 с до 1 минуты.

В таких диэлектриках возможно несколько релаксаторов-ионов с различной массой, имеющих из-за этого разные периоды релаксации. Поэтому с ростом частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость, обусловленная ионно-релаксационной поляризацией, постепенно уменьшается. При повышении температуры диэлектрическая проницаемость растёт из-за увеличения числа ионов, участвующих в этом виде поляризации.

Электронно-релаксационная поляризация. Этот вид поляризации возникает в некоторых диэлектриках с плотной структурой и высоким показателем преломления (например, в двуокиси титана, загрязнённой примесями). Возникает она из-за наличия в них слабо связанных электронов. В отсутствие электрического поля под влиянием теплового движения эти электроны совершают равновероятные перемещения вблизи дефекта, с которым они связаны, и не создают электрического момента. При наложении же электрического поля большинство таких электронов перемещается против поля на расстояние порядка одного или нескольких междуатомных расстояний. Это приводит к возникновению электрического момента в объёме диэлектрика и его поляризации. Так как эта поляризация устанавливается в течение некоторого времени, она называется электронно-релаксационной.

Спонтанная поляризация. Сегнетоэлектрики. Эта поляризация, возникающая самопроизвольно в определённом интервале температур, лежащих ниже температуры Θ_к , называемой точкой Кюри. Выше точки Кюри наблюдается лишь электронная, ионная и ионно-релаксационная поляризация. Характерные для сегнетоэлектриков свойства впервые были обнаружены у сегнетовой соли, поэтому сегнетоэлектриками стали называть вещества, свойства которых подобны свойствам сегнетовой соли.

В сегнетоэлектриках даже в отсутствии электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение частиц – ионов в ионных кристаллах или полярных радикалов молекул, которое приводит к несовпадению положительного и отрицательного зарядов в объеме диэлектрика, то есть поляризации. Такая поляризация называется спонтанной (самопроизвольной). В диэлектрике образуются области — домены. В каждом домене частицы, обусловливающие самопроизвольную поляризацию, смещены в одном направлении. В этом же направлении ориентирован и вектор спонтанной поляризованности (P_s) домена. В соседних доменах направление P_s может быть противоположным или перпендикулярным (рисунок 1.12, а), (механизм поляризации на примере титаната бария будет рассмотрен ниже в разделе 2 свойства активных диэлектриков).

В электрическом поле в сегнетоэлектриках происходят упругие электронная поляризация и ионная поляризация, а также неупругая доменная. В процессе доменной поляризации векторы Р_s доменов ориентируются по направлению электрического поля (рисунок 1.12, б). Переориентацией направлений Р_s доменов объясняются характерные для сегнетоэлектриков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис и зависимость их диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рисунок 1.12, в,г). Поляризованность кристалла с ростом напряженности электрического поля увеличивается благодаря ориентации Р_s доменов и достигает поляризованности насыщения. С уменьшением напряженности при Е = 0 наблюдается остаточная поляризованность, так как сохраняется ориентация доменов. Уменьшить поляризованность до нуля можно приложив к образцу электрическое поле напряженностью Е_с, которое называется коэрцитивной силой.

Для сегнетоэлектриков характерны: большая диэлектрическая проницаемость (до нескольких тысяч) и ее сильная зависимость от температуры (рисунок 1.12, д). Увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации доменов. Поляризованность диэлектрика, вызванная доменной поляризацией, увеличивается, а диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения при температуре точки Кюри. Спонтанная поляризованность при температуре Кюри исчезает, сегнетоэлектрик теряет свои сегнетоэлектрические свойства и переходит в параэлектрическое состояние, при котором сохраняется нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

 

 

Рисунок 1.12

 

Миграционная поляризация. При миграционной поляризации происходит смещение свободных зарядов (положительных и отрицательных ионов и электронов) и их закрепление на дефектах и поверхностях раздела различных диэлектриков в диэлектрическом материале. Величина миграционной поляризации Р_м

 

,

 

где N – количество положительных зарядов q, сместившихся на расстояние l относительно отрицательных зарядов в единице объема диэлектрика.

Миграционная поляризация чаще всего наблюдается в неоднородных диэлектриках, состоящих из частиц с различными диэлектрическими проницаемостями и проводимостями. В таких неоднородных диэлектриках свободные заряды могут собираться на поверхности раздела различных диэлектриков, приводя к частному виду миграционной поляризации, называемой межслойной.

Миграционная поляризация может возникать и в однородных диэлектриках, в которых свободные электрические заряды могут захватываться чужеродными ионами примесей, дислокациями и трещинами в различных частях объема диэлектрика.

Миграционная поляризация связана с появлением объемных зарядов в приэлектродных слоях или в самом диэлектрике при воздействии постоянного поля и с электропроводимостью диэлектрика. На образование этой поляризации затрачивается значительное время, измеряемое иногда десятками минут. Такая поляризация, как и другие замедленные виды поляризации, сопровождается потерями в диэлектрике.

 

1.2.6 Диэлектрические потери

При помещении любого вещества в электрическое поле с напряженностью Е в этом веществе наблюдается поглощение части энергии электрического поля. Поглощенная часть энергии превращается в тепловую, которая и является диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери обычно пропорциональны Е².

Диэлектрическими потерями называется мощность, поглощаемая диэлектриком при воздействии на него электрического поля и вызывающая нагревание диэлектрика.

Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными поляризациями. Диэлектрические потери могут привести к увеличению удельной электропроводности вследствие миграции примесных и собственных ионов,а в полях высокой напряженности – к пробою. Возможны также потери, связанные с ионизацией газовых включений, которые могут вызвать ионизационный пробой.

Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь δ, тангегс угла диэлектрических потерь tg δ

и мощность потерь или активную мощность Р_а.

Диэлектрические потери наблюдаются как в постоянном, так и в переменном поле.

В постоянном поле диэлектрические потери невелики. Они оцениваются сопротивлением изоляции ,то есть током сквозной проводимости I_ск, возникающим вследствие миграции свободных носителей заряда, и определяются выражением

 

,

 

где U – напряжение, а I_ск — ток сквозной проводимости.

В общем случае, при включении на постоянное напряжение возникает ток, спадающий во времени

 

 

Ток смещения (емкостной ток) I_с вызван смещением электронных оболочек в атомах, ионах и молекулах, т.е. процессом установления быстрых, упругих поляризаций, и спадает в течение 10^-15-10^-16с, поэтому не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции I_абс обусловлен смещением связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызывает рассеяние энергии в диэлектрике и диэлектрические потери (рисунок 1.13, а).

 

 

Рисунок 1.13

Сквозной ток утечки I_ск, вызванный перемещением свободных зарядов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем (если не происходит электроочистка диэлектрика или его старение, деградация) и вызывает потери аналогичные джоулевым потерям в проводниках. Следовательно, при постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т.е. в период включения.

Диэлектрические потери в переменном поле значительно выше, чем в постоянном поле.

Рассмотрим потери в переменном поле с частотой f = 2π·ω, напряжение которого изменяется синусоидально U(t) = U_max·Sinωt.

Общий ток, протекающий через диэлектрик, является суммой токов различной природы

Твердые диэлектрики их свойства и применение, изолятор диэлектрический

Твердые диэлектрики.

Жидкие диэлектрики.

Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 1012 ОмЧсм). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C6H6), или ациклические соединения типа гексана . Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.

Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl3) и четыреххлористый углерод (CCl4), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.

Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.

Твердые диэлектрики.

К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь очень высокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимой ниже таблицы.

Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого или жидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов и образованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой является результатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрики подвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит к появлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторые материалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях.

СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Материал	Электрическая прочность, кВ/см	Диэлектрическая проницаемость	Удельное электрическое сопротивление, 1014 ОмЧсм
Слюда		5,0–7,0
Стекло (разное)	200–700	3,0–12,0	10–6 ё104
Метилметакрилат (люсит)		3,3–4,5
Фарфор (неглазурованный)		5,0–7,0
Эбонит		2,0–3,5	104

Вопрос 5

Электромонтажные работы неразрывно связаны со строительством во всех областях народного хозяйства. Поэтому вполне естественно разнообразие технологических методов ведения электромонтажных работ и широкая номенклатура (перечень названий) применяющихся материалов и изделий.
Особенно разнообразны электромонтажные изделия для прокладки, закрепления, соединения и присоединения различных проводников (голых шин, кабелей, голых и изолированных проводов), защиты их в необходимых случаях от вредного воздействия окружающей среды и механических повреждений, а также для установки отдельных аппаратов, светильников и т. п.
Электромонтажные изделия почти не выпускаются заводами промышленности. В основном они изготовляются электромонтажными организациями в своих мастерских. Однако ведущие электромонтажные организации, одной из которых в области электромонтажа промышленных предприятий является Главэлектромонтаж Министерства строительства, уже многие годы производят на своих специализированных заводах электромонтажные изделия в сравнительно больших количествах и ассортименте. Эти изделия являются массовыми и полностью отвечают требованиям, предъявляемым к заводской продукции.
Ниже приводится описание электромонтажных изделий, применяемых только во внутренних электроустановках.
Электромонтажные изделия для наружных установок, воздушных линий электропередачи (которые принято называть арматурой линий), крановых троллеев,
а также муфты для соединения и оконцевания кабелей не рассматриваются.
В тексте, таблицах и на рисунках для изделий указаны типы, принятые в системе Главэлектромонтажа. В брошюре описаны лишь сами изделия. Об их использовании даны только самые общие сведения, гак как технике применения электромонтажных изделий посвящается другая брошюра, готовящаяся к печати в «Библиотеке электромонтера».

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.

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

Для улучшения этой статьи желательно?: Проставить шаблон-карточку, который существует для предмета статьи. Пример использования шаблона есть в статьях на похожую тематику. Добавить иллюстрации. Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Проставив сноски, внести более точные указания на источники. Викифицировать статью.

Материалы по электропроводным свойствам

Диэлектрик • Полупроводник • Проводник • Сверхпроводник

Диэлектрики — это вещество, которое не проводит, или плохо проводит электрический ток. Носители заряда в диэлектрике имеют плотность не больше 108 штук на кубический сантиметр. Одним из основных свойств таких материалов является способность поляризации в электрическом поле.

Параметр, характеризующий диэлектрики, называется диэлектрической проницаемостью, которая может иметь дисперсию. К диэлектрикам можно отнести химически чистую воду, воздух, пластмассы, смолы, стекло, различные газы.

Свойства диэлектриков

Если бы вещества имели свою геральдику, то герб сегнетовой соли непременно украсили бы виноградные лозы, петля гистерезиса, и символика многих отраслей современной науки и техники.

Родословная сегнетовой соли начинается с 1672 года. Когда французский аптекарь Пьер Сегнет впервые получил с виноградных лоз бесцветные кристаллы и использовал их в медицинских целях.

Тогда еще невозможно было предположить, что эти кристаллы обладают удивительными свойствами. Эти свойства дали нам право из огромного числа диэлектриков выделить особые группы:

• Пьезоэлектрики.
• Пироэлектрики.
• Сегнетоэлектрики.

Со времен Фарадея известно, что во внешнем электрическом поле диэлектрические материалы поляризуются. При этом каждая элементарная ячейка обладает электрическим моментом, аналогичным электрическому диполю. А суммарный дипольный момент единицы объема определяет вектор поляризации.

В обычных диэлектриках поляризация однозначно и линейно зависит от величины внешнего электрического поля. Поэтому диэлектрическая восприимчивость почти у всех диэлектриков величина постоянная.

P/E=X=const

Кристаллические решетки большинства диэлектриков построены из положительных и отрицательных ионов. Из кристаллических веществ наиболее высокой симметрией обладают кристаллы с кубической решеткой. Под действием внешнего электрического поля кристалл поляризуется, и симметрия его понижается. Когда внешнее поле исчезает, кристалл восстанавливает свою симметрию.

В некоторых кристаллах электрическая поляризация может возникать и при отсутствии внешнего поля, спонтанно. Так выглядит в поляризованном свете кристалл молибдената гадолиния. Обычно спонтанная поляризация неоднородная. Кристалл разбивается на домены – области с однородной поляризацией. Развитие многодоменной структуры уменьшает суммарную поляризацию.

Пироэлектрики

В пироэлектриках спонтанная поляризация экранирует со свободными зарядами, которые компенсируют связанные заряды. Нагревание пироэлектрика изменяет его поляризацию. При температуре плавления пироэлектрические свойства исчезают вовсе.

Часть пироэлектриков относится к сегнетоэлектрикам. У них направление поляризации может быть изменено внешним электрическим полем.

Существует гистерезисная зависимость между ориентацией поляризации сегнетоэлектрика и величиной внешнего поля.

В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от величины поля. При его дальнейшем увеличении все домены ориентируются по направлению поля, переходя в режим насыщения. При уменьшении поля до нуля кристалл остается поляризованным. Отрезок СО называют остаточной поляризацией.

Поле, при котором происходит изменение направления поляризации, отрезок ДО называют коэрцитивной силой.

Наконец, кристалл полностью меняет направление поляризации. При очередном изменении поля кривая поляризации замыкается.

Однако, сегнетоэлектрическое состояние кристалла существует лишь в определенной области температур. В частности, сегнетова соль имеет две точки Кюри: -18 и +24 градусов, в которых происходят фазовые переходы второго рода.

Группы сегнетоэлектриков

Микроскопическая теория фазовых переходов разделяет сегнетоэлектрики на две группы.

Первая группа

Титанат бария относится к первой группе, и как ее еще называют, группе сегнетоэлектриков типа смещения. В неполярном состоянии титанат бария имеет кубическую симметрию.

При фазовом переходе в полярное состояние ионные подрешетки смещаются, симметрия кристаллической структуры понижается.

Вторая группа

Ко второй группе относят кристаллы типа нитрата натрия, у которых в неполярной фазе имеется разупорядоченная подрешетка структурных элементов. Здесь фазовый переход в полярное состояние связан с упорядочением структуры кристалла.

Причем в различных кристаллах может быть два или несколько вероятных положений равновесия. Существуют кристаллы, в которых цепочки диполя имеют антипараллельные ориентации. Суммарный дипольный момент таких кристаллов равен нулю. Такие кристаллы называют антисегнетоэлектриками.

В них зависимость поляризации линейная, вплоть до критического значения поля.

Дальнейшее увеличение величины поля сопровождается переходом в сегнетоэлектрическую фазу.

Третья группа

Существует еще одна группа кристаллов – сегнетиэлектриков.

Ориентация дипольных моментов у них такова, что по одному направлению они имеют свойства антисегнетоэлектриков, а по-другому сегнетоэлектриков. Фазовые переходы у сегнетоэлектриков бывают двух родов.

При фазовом переходе второго рода в точке Кюри спонтанная поляризация плавно уменьшается до нуля, а диэлектрическая восприимчивость, меняясь резко, достигает огромных величин.

При фазовом переходе первого рода поляризация исчезает скачком. Также скачком изменяется электрическая восприимчивость.

Большая величина диэлектрической проницаемости, электрополяризации сегнетоэлектриков, делает их перспективными материалами современной техники. Например, уже широко используют нелинейные свойства прозрачной сегнетокерамики. Чем ярче свет, тем сильнее он поглощается специальными очками.

Это является эффективной защитой зрения рабочих в некоторых производствах, связанных с внезапными и интенсивными вспышками света. Для передачи информации с помощью лазерного луча применяют сегнетоэлектрические кристаллы с электрооптическим эффектом. В пределах прямой видимости лазерный луч моделируется в кристалле. Затем луч попадает в комплекс приемной аппаратуры, где информация выделяется и воспроизводится.

Пьезоэлектрический эффект

В 1880 году братья Кюри обнаружили, что в процессе деформации сегнетовой соли на ее поверхности возникают поляризационные заряды. Это явление было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Если на кристалл воздействовать внешним электрическим полем, он начинает деформироваться, то есть, возникает обратный пьезоэлектрический эффект.

Однако эти изменения не наблюдаются в кристаллах, имеющих центр симметрии, например, в сульфиде свинца.

Если на такой кристалл воздействовать внешним электрическим полем, подрешетки отрицательных и положительных ионов сместятся в противоположные стороны. Это приводит к поляризации кристаллов.

В данном случае мы наблюдаем электрострикцию, при которой деформация пропорциональна квадрату электрического поля. Поэтому электрострикцию относят к классу четных эффектов.

ΔX1=ΔX2

Если такой кристалл растягивать или сжимать, то электрические моменты положительных диполей будут равны по величине электрическим моментам отрицательных диполей. То есть, изменение поляризации диэлектрика не происходит, и пьезоэффект не возникает.

В кристаллах с низкой симметрией при деформации появляются дополнительные силы обратного пьезоэффекта, противодействующие внешним воздействиям.

Таким образом, в кристалле, у которого нет центра симметрии в распределении зарядов, величина и направление вектора смещения зависит от величины и направления внешнего поля.

Благодаря этому можно осуществлять различные типы деформации пьезокристаллов. Склеивая пьезоэлектрические пластинки, можно получить элемент, работающий на сжатие.

В этой конструкции пьезопластинка работает на изгиб.

Пьезокерамика

Если к такому пьезоэлементу приложить переменное поле, в нем возбудятся упругие колебания и возникнут акустические волны. Для изготовления пьезоэлектрических изделий применяют пьезокерамику. Она представляет собой поликристаллы сегнетоэлектрических соединений или твердые растворы на их основе. Изменяя состав компонентов и геометрические формы керамики, можно управлять ее пьезоэлектрическими параметрами.

Прямые и обратные пьезоэлектрические эффекты находят применение в разнообразной электронной аппаратуре. Многие узлы электроакустической, радиоэлектронной и измерительной аппаратуры: волноводы, резонаторы, умножители частоты, микросхемы, фильтры работают, используя свойства пьезокерамики.

Пьезоэлектрические двигатели

Активным элементом пьезоэлектрического двигателя служит пьезоэлемент.

В течение одного периода колебаний источника переменного электрического поля он растягивается и взаимодействует с ротором, а в другом возвращается в исходное положение.

Великолепные электрические и механические характеристики позволяют пьезодвигателю успешно конкурировать с обычными электрическими микромашинами.

Пьезоэлектрические трансформаторы

Принцип их действия также основан на использовании свойств пьезокерамики. Под действием входного напряжения в возбудителе возникает обратный пьезоэффект.

Волна деформации передается в генераторную секцию, где за счет прямого пьезоэффекта изменяется поляризация диэлектрика, что приводит к изменению выходного напряжения.

Так как в пьезотрансформаторе вход и выход гальванически развязаны, то функциональные возможности преобразования входного сигнала по напряжению и току, согласование его с нагрузкой по входу и выходу, лучше, чем у обычных трансформаторов.

Исследования разнообразных явлений сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества продолжаются. Нет сомнений, что в будущем появятся приборы, основанные на новых и удивительных физических эффектах в твердом теле.

Классификация диэлектриков

В зависимости от различных факторов они по-разному проявляют свои свойства изоляции, которые определяют их сферу использования. На приведенной схеме показана структура классификации диэлектриков.

В народном хозяйстве стали популярными диэлектрики, состоящие из неорганических и органических элементов.

Неорганические материалы – это соединения углерода с различными элементами. Углерод обладает высокой способностью к химическим соединениям.

Минеральные диэлектрики

Такой вид диэлектриков появился с развитием электротехнической промышленности. Технология производства минеральных диэлектриков и их видов значительно усовершенствована. Поэтому такие материалы уже вытесняют химические и натуральные диэлектрики.

К минеральным диэлектрическим материалам относятся:

•Стекло (конденсаторы, лампы) – аморфный материал, состоит из системы сложных окислов: кремния, кальция, алюминия. Они улучшают диэлектрические качества материала.
• Стеклоэмаль – наносится на металлическую поверхность.
• Стекловолокно – нити из стекла, из которых получают стеклоткани.
• Световоды – светопроводящее стекловолокно, жгут из волокон.
• Ситаллы – кристаллические силикаты.
• Керамика – фарфор, стеатит.
• Слюда – микалекс, слюдопласт, миканит.
• Асбест – минералы с волокнистым строением.

Разнообразные диэлектрики не всегда заменяют друг друга. Их сфера применения зависит от стоимости, удобства применения, свойств. Кроме изоляционных свойств, к диэлектрикам предъявляются тепловые, механические требования.

Жидкие диэлектрики

Нефтяные масла

Трансформаторное масло заливается в силовые виды трансформаторов. Оно наиболее популярно в электротехнике.

Кабельные масла применяются при изготовлении электрических кабелей. Ими пропитывают бумажную изоляцию кабелей. Это повышает электрическую прочность и отводит тепло.

Синтетические жидкие диэлектрики

Для пропитки конденсаторов необходим жидкий диэлектрик для увеличения емкости. Такими веществами являются жидкие диэлектрики на синтетической основе, которые превосходят нефтяные масла.

Хлорированные углеводороды образуются из углеводородов заменой в них молекул атомов водорода атомами хлора. Большую популярность имеют полярные продукты дифенила, в состав которых входит С12 Н10-nC Ln.

Их преимуществом является стойкость к горению. Из недостатков можно отметить их токсичность. Вязкость хлорированных дифенилов имеет высокий показатель, поэтому их приходится разбавлять мене вязкими углеводородами.

Кремнийорганические жидкости обладают низкой гигроскопичностью и высокой температурной стойкостью. Их вязкость очень мало зависит от температуры. Такие жидкости имеют высокую стоимость.

Фторорганические жидкости имеют аналогичные свойства. Некоторые образцы жидкости могут долго работать при 2000 градусов. Такие жидкости в виде октола состоят из смеси полимеров изобутилена, получаемых из продуктов газа крекинга нефти, имеют невысокую стоимость.

Природные смолы

Канифоль – это смола, имеющая повышенную хрупкость, и получаемая из живицы (смола сосны). Канифоль состоит из органических кислот, легко растворяется в нефтяных маслах при нагревании, а также в других углеводородах, спирте и скипидаре.

Температура размягчения канифоли равна 50-700 градусов. На открытом воздухе канифоль окисляется, быстрее размягчается, и хуже растворяется. Растворенная канифоль в нефтяном масле используется для пропитки кабелей.

Растительные масла

Эти масла представляют собой вязкие жидкости, которые получены из различных семян растений. Наиболее важное значение имеют высыхающие масла, которые могут при нагревании отвердевать. Тонкий слой масла на поверхности материала при высыхании образует твердую прочную электроизоляционную пленку.

Скорость высыхания масла повышается при возрастании температуры, освещении, при использовании катализаторов – сиккативов (соединения кобальта, кальция, свинца).

Льняное масло имеет золотисто-желтый цвет. Его получают из семян льна. Температура застывания льняного масла составляет -200 градусов.

Тунговое масло изготавливают из семян тунгового дерева. Такое дерево растет на Дальнем Востоке, а также на Кавказе. Это масло не токсично, но не является пищевым. Тунговое масло застывает при температуре 0-50 градусов. Такие масла используются в электротехнике для производства лаков, лакотканей, пропитки дерева, а также в качестве жидких диэлектриков.

Касторовое масло используется для пропитки конденсаторов с бумажным диэлектриком. Получают такое масло из семян клещевины. Застывает оно при температуре -10 -180 градусов. Касторовое масло легко растворяется в этиловом спирте, но нерастворимо в бензине.

Каучук

Каучук (резина) получается из сока растений каучуконосов. Такой каучук называют натуральным (НК). Каучук можно получить также искусственным путем. Искусственный или синтетический каучуке (СК) изготовляют из спирта или нефтепродуктов. Нагретый до 50 °С каучук размягчается и становится липким, а при низкой температуре – хрупким. Каучук хорошо растворяется в углеводородах и сероуглероде. Для увеличения механической прочности, нагревостойкости и морозоустойчивости, стойкости к растворителям к каучуку добавляют 3 – 10 % серы. Этот процесс называется вулканизацией, в результате чего получается резина. В электротехнике резину применяют для изоляции установочных и монтажных проводов и кабелей некоторых конструкций, для изолирующих трубок, защитных перчаток, галош, ковриков и тому подобного. Резина обладает высокими электроизоляционными свойствами, влагостойкостью, непроницаемостью для воды и газов, имеет невысокую нагревостойкость (при нагреве свыше 60 – 75 °С резина делается хрупкой и трескается), при действии на резину нефтяных масел она набухает, при действии света – стареет. Электрическая прочность резины 24 кВ/мм; ε = 2,5 – 3.

Слюда

Минерал кристаллического строения. Благодаря своему строению слюда легко расщепляется на отдельные листочки. Она обладает высокой электрической прочностью (80 – 200 кВ/мм), высокой нагревостойкостью, влагостойкостью, механической прочностью и гибкостью. В электротехнике применяют два вида слюды: мусковит и флогопит, различающиеся по составу, цвету и свойствам. Лучшей слюдой является мусковит. Из листочков слюды штампуют прямоугольные пластинки для конденсаторов, шайбы для электротехнических приборов и тому подобное. Однако чаще отдельные листочки слюды при помощи клеящих лаков (глифталевого, битумно-масляного, шеллачного и других) склеивают между собой. Такой материал называется миканитом. Различают миканиты: коллекторный (для изоляции коллекторных пластин), прокладочный (для изоляции шайб, прокладок), формовочный (прессуется при нагреве для изготовления фасонных деталей), гибкий (для межвитковой и пазовой изоляции электрических машин), жароупорный (для электронагревательных приборов). Иногда пластинки слюды наклеивают на бумагу или ткани (микалента, микафолий, стекломикафолий).

Стекло

Получают переплавкой кремнезема – SiO2 (в виде песка) с окислами различных металлов – натрия, калия, свинца, кальция (в виде соды, селитры, буры, различных каменных пород). Стекло – аморфное тело, поэтому оно не имеет определенной температуры плавления. При нагреве стекло размягчается и становится жидким. В этом состоянии стекло можно выдувать, вытягивать, прессовать, отливать. Физические и механические свойства стекла зависят от его состава и обработки. Если обычное стекло хрупкое, то особо закаленное стекло – сталинит обладает высокой прочностью на удар. Стекло практически водонепроницаемо, на него не действуют кислоты (за исключением плавиковой) и щелочи. Однако, стекла, содержащие только щелочные окислы (Na2O, K2O), хорошо растворяются в воде (жидкое стекло). Электроизоляционные свойства стекла очень высоки. С нагревом стекло быстро теряет изоляционные качества. В электротехнике стекло используют для изготовления баллонов осветительных и электронных ламп, изоляторов и тому подобного. Из стекла можно получить волокна диаметром до 0,005 – 0,006 мм. Отдельные волокна свиваются в нити. Стеклянные нити (стеклопряжа) используют для нагревостойкой изоляции проводников марки ПСД. Электрическая прочность стекла 10 – 40 кВ/мм; ε = 5,5 – 10.

Фарфор электротехнический

Является наиболее распространенным керамическим электроизоляционным материалом. В состав фарфора входят: каолин – белая глина, огнеупорная глина, кварц и полевой шпат. Изготовление фарфоровых изделий состоит из следующих операций: измельчение составных частей фарфора и перемешивание их с водой в однородную массу. Путем прессования, обтачивания, отливки в гипсовые формы или выдавливания из этой массы получают изделия нужной конфигурации. Для удаления избытка воды изделия сушат, затем их покрывают стекловидной массой – глазурью, которая уменьшает гигроскопичность фарфора, придает определенную окраску изделиям и создает при обжиге ровную, гладкую поверхность. после глазуровки изделие опять сушат и обжигают в печах при температуре 1320 – 1450 °С. Фарфор характеризуется высокой теплостойкостью, стойкостью к электрическим дугам и весьма малым водопоглощением. Из фарфора изготовляют линейные (подвесные и штыревые) изоляторы, стационарные (опорные и проходные) изоляторы, аппаратные изоляторы, установочные фарфоровые изделия (ролики, детали предохранителей, патронов, штепселей и тому подобные). Электрическая прочность фарфора 6 – 10 кВ/мм; ε = 5 – 6,5. Кроме фарфора, применяется другой керамический материал – стеатит, изготовляемый на основе минерала – талька. Стеатит по сравнению с фарфором обладает более высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами.

1.6. Классификация диэлектрических материалов. 1. Диэлектрические материалы. Химия радиоматериалов. Курс лекций

1.6.1. Органические полимеры

1.6.2. Смолы

1.6.3. Битумы

1.6.4. Гибкие пленки

1.6.5. Волокнистые материалы

1.6.6. Пластические массы

1.6.7. Эластомеры

1.6.8. Стекла

1.6.9. Керамические диэлектрические материалы

По области применения все диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные и диэлектрики в электрических конденсаторах.

Первые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Вторые используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов.

По возможности управления электрическими свойствами диэлектрические материалы можно разделить на пассивные с постоянными свойствами и активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики,электреты и др.).

Диэлектрические материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды).

В соответствии с химической природой все диэлектрики делятся на органические и неорганические. Под органическим веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и др. металлы, кислород и т.п.

Количество диэлектрических материалов исчисляется многими тысячами. Поэтому здесь будут даны лишь общие представления об особенностях строения и свойств основных классов диэлектриков.

1.6.1. Органические полимеры

Среди диэлектриков особое значение имеют высокомолекулярные органические материалы. По своей природе они являются полимерами , т.е. веществами, молекулы которых представляют совокупность весьма большого числа имеющих одинаковое строение групп атомов, и получаются в результате объединения друг с другом молекул, сравнительно весьма простых по своему составу веществ, так называемых мономеров.

Реакция образования полимера из мономера носит название полимеризации. При полимеризации молекулярная масса, естественно, увеличивается; возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость; в процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости и далее в состояние твердого тела; уменьшается растворимость и т.д.

Простой пример: стирол – жидкий ненасыщенный углеводород, имеющий элементарный состав С₈Н₈ и строение молекулы

Благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами углерода обладает способностью легко полимеризоваться. Образующийся в результате полимеризации из стирола полимер стирола — так называемый полистирол — является уже твердым веществом; его молекула имеет строение

и может быть представлена как цепочка, состоящая из одинаковых повторяющихся звеньев, каждое из которых представляет собой одну молекулу мономера — стирола, но с измененным характером связей между атомами С (простая связь С — С, а не двойная С = С):

где n — степень полимеризации, т.е. число молекул мономера, объединившихся в одну молекулу полимера.

Для полистирола n может доходить до 6000; т.о., тогда как молекулярная масса стирола 12·8 + 1·8 = 104, молекулярная масса полистирола составляет уже 624000. Температура плавления стирола минус 33°С, а температура размягчения полистирола составляет плюс 70 — 85°C.

Процесс полимеризации протекает при различных условиях с различной скоростью. Например, стирол сохраняется на холоде и в темноте продолжительное время, однако повышение температуры, освещение, добавление катализаторов способны резко ускорить переход жидкого стирола в твердый полистирол. Т.о., скорость полимеризации можно регулировать, изменяя условия, в которых протекает процесс полимеризации.

При определенных условиях (сравнительно высокая температура, механическая обработка и др.) полимер может разлагаться на вещества с меньшей степенью полимеризации. Такой процесс, противоположный процессу полимеризации, называется деполимеризацией.

Могут существовать и более сложные случаи полимеризации. Такова, например, совместная полимеризация (сополимеризация) нескольких мономеров различного состава и поликонденсация, когда не все атомы мономерных молекул входят в состав образующихся полимерных молекул, а одновременно с образованием полимера выделяется вода или иные низкомолекулярные вещества.

Полимеры делятся на две группы: линейные и пространственные полимеры. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей (конечно, не прямых, а изогнутых и переплетенных друг с другом), так что отношение длины молекулы к ее поперечным размерам может быть порядка тысячи. Молекулы пространственных полимеров развиты в пространстве более равномерно, так что они имеют более компактную форму, приближаясь к форме шара.

В практике распространено разделение полимеров на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные материалы при достаточно низких температурах тверды, но при нагреве становятся мягкими и легко деформируются; они могут растворяться в соответствующих растворителях Характерной особенностью таких материалов является то, что нагрев до температуры, соответствующей их пластичному состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств.

В противоположность материалам этой группы термореактивные материалы (реактопласты) при нагреве претерпевают необратимое изменение свойств: как говорят, они запекаются, т.е. приобретают значительную механическую прочность и твердость, теряя при этом свойства растворимости и плавкости.

1.6.2. Смолы

При достаточно низких температурах смолы – аморфные стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы размягчаются, становясь пластичными, а затем и жидкими. Смолы большей частью нерастворимы в воде и мало гигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях.

Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластмасс, пленок, искусственных и синтетических волокнистых материалов. По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические.

Природные представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (щелак) или растений–смолоносов (канифоль). Сюда же относятся ископаемые смолы – копалы.

Наибольшее значение имеют синтетические смолы – полимеризационные и конденсационные. Общим недостатком конденсационных смол является то, что при их отверждении происходит выделение воды или др. низкомолекулярных веществ, ухудшающих свойства смолы. Типичные представители синтетических смол: поливинилхлорид, фторопласт-4 (зарубежные аналоги известны под названием тефлон, дайфлон), полиуретаны, бакелит, новолак, полиэтилентерефталат, эпоксидные смолы, силиконы.

1.6.3. Битумы

Битумы – аморфные материалы, представляющие собой смеси углеводородов и обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный или темно-коричневый цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах – легче ароматичных (бензол, толуол и др.), несколько труднее в бензине, немаслостойки. В спирте и воде битумы нерастворимы, они имеют малую гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы. Битумы термопластичны плотность их близка к 1 Мг/м³.

Различают битумы искусственные (нефтяные), представляющие собой тяжелые продукты перегонки нефти, и природные (ископаемые), называемые также асфальтами. Залежи асфальтов связаны с нефтяными месторождениями, т.к. в природных условиях асфальты также образовались из нефти.

1.6.4. Гибкие пленки

Особый вид изделий из органических полимеров – тонкие прозрачные гибкие пленки, выпускаемые в рулонах. Эти пленки, обладающие высокой электрической и механической прочностью, находят широкое применение в изоляции электрических машин, кабелей и обмоточных проводов и т.п.

Гибкие пленки могут быть изготовлены из линейных полимеров с достаточно высокой молекулярной массой, т.е. с большой длиной молекул.

Пленки из эфиров целлюлозы весьма распространены в технике и в быту; к ним относят фото- и кинопленки и упаковочные материалы (целлофан – пластифицированная глицерином пленка из материала, аналогичного по составу искусственному вискозному шелку).

Из полярных синтетических пленок большое значение имеют полиэтилентерефталатные пленки (майлар, мелинекс, хостафан и др.) толщиной от 0.04 до 0.35 мм. Они имеют хорошие механические и электроизоляционные свойства, химически стойки и нагревостойки; по короностойкости они превосходят как триацетатные, так и полиэтиленовые и полистирольные пленки.

Среди неполярных пленок большое значение имеют пленки из полиэтилена, полипропилена, полистирола (стирофлекса), политетрафторэтилена.

1.6.5. Волокнистые материалы

Это материалы, которые состоят преимущественно из частиц удлиненной формы – волокон. В текстильных материалах волокнистое строение совершенно очевидно. В дереве, бумаге, картоне волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении.

Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность (из-за наличия промежутка между волокнами, заполненного воздухом). Гигроскопичность более высокая, чем у массивного материала того же химического состава. Свойства волокнистых материалов могут быть значительно улучшены путем пропитки, поэтому такие материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.

Большая часть волокнистых материалов – органические вещества. Это материалы растительного (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр., состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химической переработки природного волокнистого сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синтетических полимеров.

1.6.6. Пластические массы

Пластмассы (пластики) характеризуются способностью под влиянием внешнего давления приобретать определенную форму, соответствующую очертаниям пресс-формы, используемой для прессования изделий.

В большинстве случаев пластмассы состоят из двух основных компонентов: связующего и наполнителя. Связующее – обычно органический полимер, обладающий способностью деформироваться под воздействием давления. Иногда применяется и неорганическое связующее, например, стекло в микалексе, цемент в асбоцементе. Наполнитель, прочно сцепляющийся со связующим веществом, может быть порошкообразным, волокнистым, листовым; наполнитель существенно удешевляет пластмассу и в то же время может улучшать ее механические характеристики. Гигроскопичность и электроизоляционные свойства из-за введения наполнителя могут иногда ухудшаться. Примеры пластиков: гетинакс (прессованная бумага, пропитанная бакелитом), текстолит (ткань, пропитанная бакелитом или эпоксидной смолой), текстогетинакс (комбинированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и наружными – с обеих сторон – слоями хлопчатобумажной ткани).

1.6.7. Эластомеры

Эластомеры – материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ.

Натуральный каучук получается из особых растений – каучуконосов. По химическому составу каучук представляет собой полимерный углеводород, имеющий состав (С₅Н₈)_n и строение, характеризуемое наличием двойных связей:

Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пониженных температур, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не употребляют. Для устранения этих недостатков каучук подвергают так называемой вулканизации, т.е. нагреву после введения в него серы. При вулканизации происходит частичный разрыв двойных связей цепочечных молекул и сшивание цепочек через атомы –S – с образованием пространственной структуры. При этом получаются резины – мягкая – с содержанием 1-3% серы, обладающая весьма высокой растяжимостью и упругостью и твердая (эбонит) при содержании серы 30-35% — твердый материал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам.

1.6.8. Стекла

Стекла – неорганические аморфные вещества – представляют собой сложные системы различных окислов. Кроме стеклообразующих окислов, т.е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO₂, B₂O₃) в состав стекол входят и другие окислы: щелочные Na₂O, K₂O, щелочно-земельные CaO, BaO, а также PbO, Al₂O₃ и др. Основу большинства стекол составляет диоксид кремния; такие стекла называют силикатными.

Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и тепловой обработки.

При кристаллизации стекол специального состава получаются ситаллы. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой, почему иногда называются стеклокерамикой. В отличие от стекол ситаллы непрозрачны, но многие из них в тонком слое заметно пропускают свет. Кроме хороших электроизоляционных свойств ситаллы обладают высокой механической прочностью, пониженной хрупкостью, широким диапазоном температурного коэффициента линейного расширения, высокой точностью размеров изделий.

Особую область применения имеют фотоситаллы: после воздействия на заготовки из светочувствительного стекла (возможно – по определенному рисунку, сквозь отверстия в трафарете) ультрафиолетового облучения и кристаллизации засвеченной заготовки последняя может подвергаться травлению в кислоте, причем менее кислотостойкая закристаллизовавшаяся часть изделия растворяется; таким образом получается изделие сложной формы, которое вновь подвергается всестороннему облучению и дополнительно кристаллизуется уже при более высокой температуре.

1.6.9. Керамические диэлектрические материалы

Керамикой называют неорганические материалы, из которых могут быть изготовлены изделия той или иной формы, подвергаемые в дальнейшем обжигу при высокой температуре; в результате обжига в керамической массе происходят сложные физико-химические процессы, благодаря которым готовое изделие приобретает нужные свойства. Ранее керамические материалы изготовлялись на основе глины, образующей в смеси с водой пластичную, способную формоваться массу и после обжига приобретать значительную механическую прочность. Сейчас появились и другие виды керамических материалов, в состав которых глина входит в очень малом количестве или же совсем не входит. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом, что имеет особое значение для создания герметизированных конструкций.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.
1.1. Классификация и общие свойства диэлектриков. Температурные зависимости.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.
— вещества, способные поляризоваться в электрическом поле. В них существует внутреннее электрическое поле и равномерное распределение потенциалов.
Носители заряда в диэлектриках:
1. В газах
1) Положительные и отрицательные ионы. Причина: ионизация молекул газа.
2) Электроны в сильных полях.
2. В жидкостях
1) Ионы. Причина: диссоциация молекул жидкости.
2) Коллоидные заряженные частицы в эмульсиях и суспензиях.
3. В твердых
1) Ионы.
2) Дефекты кристаллической решетки.
3) Электроны или дырки проводимости.
Бывают полярные и неполярные.
Рисунок 50.
Основные электрические свойства диэлектриков:
1. Поляризация
2. Электропроводность
3. Диэлектрические потери
4. Электрическая прочность
При расчетах на постоянном токе учитывают только сквозной ток.

1.2. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.
Поляризация – процесс смещения и упорядочения зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Численной мерой поляризации является поляризованность диэлектрика – количество электрического момента в единице объема диэлектрика:

(1.2)

(1.2)
где dp — электрический момент элемента диэлектрика;
dV – объем элемента диэлектрика
— напряженность внешнего электрического поля, В/м,
— диэлектрическая постоянная,
— относительная диэлектрическая проницаемость.
Поляризация определяет свойство диэлектриков образовывать электрическую емкость. В то же время поляризация диэлектриков, происходящая с затратами энергии и выделением теплоты, вызывает потери электрической энергии в материалах-изоляторах, особенно на высоких частотах, когда процессы поляризации диэлектрика повторяются большее количество циклов в единицу времени. Поэтому поляризацию описывают параметрами диэлектрика и .
Различают несколько видов поляризации.

2.2.1. Упругая поляризация – совершается в диэлектрике без выделения энергии и рассеяния тепла. Различают электронную и ионную упругие поляризации
Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов, приводящая к разделению геометрических центров положительного и отрицательного зарядов в атоме. Для установления требуемся минимальное время – 10-15с, т.е. образуется практически мгновенно. Поляризуемость при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость плавно уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением количества атомов в единице объема (рис. 2.2). Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков независимо от их химического состава и внутренней структуры.
Ионная поляризация – упругое смещение ионов – узлов кристаллической решетки, характерна для материалов с ионным строением. С повышением температуры усиливается благодаря ослаблению межионных сил. Время установления поляризации 10-13с – больше, чем у электронной поляризации, так как ионы массивнее.
Так как процессы электронной и ионной поляризации происходят практически мгновенно, величина деэлектрической проницаемости материалов с упругой поляризацией постоянна и от частоты не зависит.

2.2.2. Релаксационная (неупругая) поляризация – медленные виды поляризации. Для их осуществления требуется затратить определенную энергию, которая затем выделяется в виде тепла при возвращении диэлектрика в исходное состояние. Различают дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, резонансную и миграционную виды поляризации.
Дипольно-релаксационная поляризация характерна для веществ с дипольным строением и вызывается переориентацией молекул-диполей в приложенном к диэлектрику внешнем электрическом поле. В зависимости от массы, плотности упаковки и размеров диполей время установления поляризации сставляет 10-10..10-2 с. После снятия поля, вызвавшего поляризацию, они возвращаются в исходное хаотичное состояние под действием теплового движения частиц, при этом поляризованность материала убывает по закону

(1.2)
где — поляризованность диэлектрика в момент снятия внешнего поля, Кл/м2,
— время релаксации (время, за которое количество упорядоченных диполей убывает в е раз), с.
Зависимость дипольной поляризации от температуры изображена на рис. 2.3. Спад графика в области низких температур обусловлен плотной упаковкой ионов и трудностью их переориентации, а в области высоких температур – малым количеством диполей, приходящимся на единицу объема диэлектрика.

Рис. 2.3. Зависимость дипольно-релаксационной поляризации от температуры

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается у всех полярных веществ. У твердых диэлектриков поляризация вызывается не поворотом самой молекулы, а смещением имеющихся в ней полярных радикалов, например, Na+ и Cl- в молекуле поваренной соли.
С увеличением частоты дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость убывают, поэтому полярные диэлектрики являются частотно-зависимыми и не применяются на высоких частотах.
Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в материалах с неплотной упаковкой ионов и вызвана физическим перемещением ионов в вакансии кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля. После снятия поля поляризация постепенно ослабевает. Наблюдается только для твердых веществ (рис. 3.х), так как в расплавленном состоянии ионы становятся свободными и материал становится проводником с электролитической проводимостью.

Рис. 3.х. Зависимость ионно-релаксационной поляризации
от температуры

Электронно-релаксационная поляризация вызвана перемещением от одного иона к другому (в направлении поля) избыточных (дефектных) электронов и дырок. Характерна для веществ с электронной электропроводностью, имеет центральный максимум в зависимости и уменьшается с ростом частоты.
Резонансная поляризация. Наблюдается в диэлектриках на световых частотах и обусловлена резонансом собственных колебаний (вращения) электронов или ионов и частоты внешнего электромагнитного поля (света). На практике не применяется и практически не влияет на свойства диэлектрика в области частот, используемой электроникой и микроэлектроникой.
Миграционная поляризация – проявляется в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Причинами поляризации являются наличие проводящих и полупроводящих включений в реальных технических диэлектриках(бумага, ткань). При миграционной поляризации электроны и ионы перемещаются в пределах проводящих включений, образуя большие поляризованные области. Данная поляризация связана с большими потерями энергии и наблюдается уже на низких частотах, время релаксации таких диэлектриков – минуты и секунды.
В реальных диэлектриках проявляется несколько видов поляризации одновременно, поэтому частотные и температурные зависимости поляризованности , диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь усложняются. По виду поляризации различают четыре группы диэлектриков:
1. Диэлектрики в основном с электронной поляризацией. Это неполярные и слабополярные вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, полистирол, полиэтилен). Используют в качестве высокочастотных диэлектриков — изоляторов.
2. Диэлектрики с электронной и дипольно-релаксационной поляризацией. Это полярные органические, полужидкие и твердые материалы (смолы, целлюлоза). Используют в качестве низкочастотных диэлектриков – изоляторов и в низкочастотных конденсаторах.
3. Твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и релаксационной поляризацией (слюда, кварц, стекло, керамика, ситаллы). Используются в качестве диэлектриков в высокочастотных конденсаторах и как изоляторы.
4. Сегнетодиэлектрики, обладающие всеми видами поляризации. Используются как активные (управляемые) диэлектрики.

Благодаря поляризации изменяется электрическое поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость характеризует ослабление внешнего поля внутренним:

(1.2)

где — внешнее электрическое поле, В/м,
— внутреннее электрическое поле, В/м,
— электрическое смещение, Кл/м2,
— поверхностная плотность связанных зарядовна пластинах конденсатора при наличии диэлектрика, Кл/м2,
— добавочная поверхностная плотность заряда, возникающая благодаря поляризации диэлектрика, Кл/м2
— поверхностная плотность заряда на пластинах воздушного конденсатора, Кл/м2
Для получения необходимых свойств, например, минимума температурного коэффициента емкости ТКЕ, в электрических конденсаторах может применяться сложный диэлектрик, состоящий из смеси простых материалов с разными величинами диэлектрической проницаемости. В случае использования такого диэлектрика его эффективная диэлектрическая проницаемость рассчитывается по формуле Лихтенеккера: для случая хаотического распределения компонентов:
,

где 1 и 2 – объемные концентрации(доли) компонентов.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ.5. Вид диэлектриков – нелинейные. Используются в датчиках.
Диэлектрическая проницаемость смеси.
Рисунок 57.

1.3. Потери в диэлектриках. Пробой диэлектриков.

Потери в диэлектриках – часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектриках в виде тепла.
Потери на постоянном токе вызываются сквозным током, а на переменном токе – в основном, медленными видами поляризации. Сквозным током и быстрыми видами поляризации можно пренебречь.

Рисунок 58.
1. Tg – величина маленькая, поэтому знаменатель можно принимать за 1.
Виды диэлектрических потерь:
1. Потери на электропроводность (на пост и переменном токе, от частоты не зависят)
2. Релаксационные (из-за медленных видов поляризации, существуют только на переменном токе, создают токи абсорбции)
3. Потери, вызванные неоднородностью
4. Ионизационные. Характерны для газов и пористых диэлектриков
5. Резонансные потери. Из-за быстрых видов поляризации, в том числе резонансных.

Пробои в твердых диэлектриках.
Виды пробоев:
1. Электрический. Причина: ударная ионизация и разрыв связи между молекулами диэлектрика. Длится доли секунды, происходит при максимальной напряженности поля (100 — 1000 МВ/м).
2. Тепловой. Нарушение теплового равновесия диэлектрика из-за диэлектрических потерь.
Рисунок 59.
3. Электрохимический пробой. Вызывается химическими процессами, приводящими к изменению диэлектрика под воздействием электрического поля.
4. Ионизационный. Характерен в пористых диэлектриках и газах.
5. Поверхностный. Вызван некачественной обработкой поверхности или загрязнением.

1.4. Электропроводность жидкостей и газов. Жидкие и газообразные диэлектрики.
Электропроводность газов.
Газы – диэлектрики.
Примеры: воздух, элегаз (Епр эл/Епр в=2.3) (гексофторид серы).
Восстанавливают свои диэлектрические свойства после пробоя.

Электропроводность жидкости.
1. Ионная. Вызвана диссоциацией молекул. (Пример: серная кислота(проводник))
2. Молионная. Молион – заряженная частица в коллоидном растворе. Заряд «+», если диэлектрическая проницаемость материала частицы больше проницаемости жидкости.
Примеры:
1) Трансформаторное масло – изолятор обмоток трансформатора. Охлаждение.
Вязкость.
2) Касторовое масло. Слабополярное, применяется в случаях, где трансформаторное масло не подходит, например, в вакууме.
3) Дистиллированная вода. Сильнополярная.
4) Конденсаторные масла. Хорошо очищенное трансформаторное.
5) Силиконовые масла (относятся к кремниевой органике).
6) Фторорганические масла.
Последние 2 лучше по диэлектрическим свойствам, но опасны для окружающей среды при разложении.

1.5. Природные и искусственные полимерные органические диэлектрики
Классификация твердых диэлектриков.
1. Электроизоляционные (пассивные). Газы, жидкости, твердые. Твердые: синтетические полимеры; пластмассы и пленки; компаунды и композиты; слоистые и волокнистые; стекло, керамика, слюда, ситал; лаки и эмали.
Электрические, механические, управляемые излучением, управляемые теплом.
ПОЛИМЕРЫ.
Виды:
1. Пространственные
2. Линейные
1. Термопласты. При нагревании размягчаются. При этом химических процессов не происходит, процесс можно повторять многократно.
2. Термореакты. При охлаждении затвердевают, при последующих нагреваниях не размягчаются.
1. Полимеризационные
2. Поликонденсационные
1. Природные (целлюлоза, латекс, белок…)
2. Искусственные
1) полиэтилен. Высокочастотный, неполярный, химически стоек, цвет белый или светло-серый. Недостатки: низкий рабочий диапазон температур, разрешение под действием света
2) полистирол. Слабополярный, но высокочастотный. Применяется как конструкционный материал для изготовления каркасов, электронных агрегатов. Блочный, суспензионный (гранулированный).
3) Поливинилхлорид. Полярный, поэтому изоляционные свойства понижены. Является термопластом, выпускается в виде порошка. Может окрашиваться. Формы выпуска: винипласт (жесткие листы из прессованных пвх пленок), пластикат (60-70% пвх, 40-30% пластификатора, т.е. маслообразные жидкости). Применение: изоляция кабелей. Недостаток: узкий диапазон рабочих температур: -45…+79 град.
4) Политетрафторэтилен (фторопласт 4). Высокочастотный, неполярный, широкий диапазон рабочих температур (-195…+250 град). Не смачивается, не поглощает жидкости, не горит, не растворяется ни в одном растворителе, не подвергается плесени, обрабатывается любым способом. Недостатки: при температуре свыше 400 град разлагается с образованием свободного фтора, разрушается радиацией. Применение: конструкционный материал, изоляция ВЧ кабелей, изоляция МГТФ, уплотнитель.
5) Полипропилен. Применение: как конструкционный материал. Сваривается. PP
6) Кремниеорганика. Твердые силиконы. Применение: кострукционный материал.
7) Полиэтилен – телефтолат, он же лавсан. PET. Применение: пленочная изоляция, основа магнитных дисков и лент.
Смолы (аморфные полимеры):
1. Фенолформальдегидная
2. Эпоксидная
3. Полиамидные (капрон, нейлон…)
Применение: компаунды, изоляция.
4. Пластмасса – смола с наполнителем, пластификатором и стабилизатором против старения. Наполнитель – любые дешевые материалы (например, опилки, песок, стекловолокно).
Компаунды:
1. Пропиточные — герметизация
2. Заливочные – создание конструкционных элементов

Каучуки (эластомеры):
1. Натуральные
2. Синтетические
Относятся к низкочастотным элементам. Резина. Получение: с помощью вулканизации.
1. Мягкие
2. Твердые
3. Эбонит
Отличаются долей серы.
Недостатки: стареют, трескаются, разбухают в растворителях, разрушают медь.
Достоинства: выдерживают низкие температуры практически без потери эластичности.

Волокнистые.
Это слоистые пластики. Примеры: стеклотекстолит, гетинакс.
Конденсаторная и кабельная бумага, ткань, шелк, асбестовое волокно.
Достоинство: дешевые, гибкие, хорошо обрабатываются.
Недостатки: впитывают влагу, гниют.

Лаки.
Коллоидные растворы лаковой основы после растворения растворителя образуют пленку. В них добавляется сиккатив (ускоритель высыхания), пластификатор, отвердители, инициаторы и ускорители полимеризации.
Эмаль – лак + пигмент.
Лаки и эмали бывают:
1. Пропиточные
2. Покровные
3. Клеящие

1.6. Неорганические диэлектрики. Стекла, керамика, ситаллы.
СТЕКЛА.
Аморфные термопласты. Химический состав – смесь оксидов.
SiO2, ZnO, Na2O, Al2O3…
Сырье – песок, глинозем, известняк.
Технология производства – нагревание до расплавления с мгновенным охлаждением со скоростью 10^5 град Цельсия в секунду.
Разновидность – сталемит – стекло с дополнительной закалкой.
Применение: конструкционный материал, изоляция, световоды.
Ситаллы.
Промежуточное вещество между керамикой и стеклом. Содержание стекла – 5-10%, все остальное – поликристалл. Применение – подложки микросхем.
Керамика.
Состав как у стекла. Кристалл или поликристалл. Технология получения – как у стекла, но охлаждают медленней.
Конденсаторная керамика.
Изоляционная керамика.

1.7. Активные диэлектрики. Пьезо- и пироэффект. Электреты.
ПЬЕЗОДИЭЛЕКТРИКИ.
Пьезоэлектрический эффект – поляризация диэлектрика под действием механического напряжения. Им обладают сегнетоэлектрики – способные самоэлектризоваться под действием электрического поля.
Рисунок 60.
Структура доменная.
Области применения: кондесы для низких частот, если поляризация сохраняется надолго – устройство памяти.
Пьезокерамика приобретает соответствующие свойства после длительной выдержки в электрическом поле при высокой температуре. Керамика как поликристалл применяется до частоты 10 МГц, на более высоких частотах применяются монокристаллы кварца (SiO2). Кварцевый резонатор – аналог кондесатора. Размеры кварца на 32 МГц – порядка 10мм.
Применение: микрофоны, датчики, пьезотрансформатор.

Пироэлектрики.
Пироэффект – поляризация диэлектрика при однородном по объему нагревании или охлаждении. Всегда существует обратный пьезоэффект (электроколорический).
Применеие: датчики температур.

Электеты.
Твердые диэлектрики, длительно создающие электрическое поле после предварительной поляризации.
Делят по способу формирования заряда:
1. Термоэлектреты – электризуются электрическим полем при нагревании.
2. Фотоэлектреты – электризуются освещением. Область использования: барабаны для копировальной техники.
3. Радиоэлектреты – электризуются радиоактивным излучением.
4. Электроэлектреты – электризуются разрядом в смежном газе.
5. Трибоэлектреты – электризуются трением.

1.8. Современное состояние развития диэлектрических материалов. Диэлектрические материалы микроэлектроники и наноэлектроники.
Использование диэлектриков в микроэлектронике.
Форма: обычно пленочная.
Функции:
1. Пассивация поверхности полупроводника.
2. Защита от механических повреждений.
3. Стабилизация параметров.
4. Повышение радиационной стойкости.
5. Изоляция элементов друг от друга.
6. Изоляция затвора в МДП – структурах.
7. Маска при диффузии и эпитаксии.
8. В качестве активной области.
Требования:
1. Хорошая адгезия к полупроводнику, металлу и фоторезисту.
2. Механическая прочность.
3. Непроницаемость для нежелательных примесей.
4. Однородность слоя.
5. Химическая стойкость, в том числе к травлению.
6. Высокие диэлектрические свойства.
7. Необходимая диэлектрическая проницаемость.
8. Согласованность с материалом подложки (например, одинаковый ТКЛР)
9. Технологичность получения.
10. Простота обработки.
Основной материал: SiO2.

Лабораторные работы
Исследование свойств диэлектрических материалов. Конденсаторы
Диэлектрические материалы в катушках индуктивности и трансформаторах

Диэлектрический материал — свойства, примеры и применение

Материалы классифицируются как проводники, изоляторы и полупроводники в зависимости от их электропроводящих свойств. Каждый материал состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов. Под воздействием электрического поля эти атомы в материале претерпевают определенные смещения и изменения свойств. В октябре 1745 года эксперимент, проведенный Эвальдом Георгом фон Клейстом из Германии, подключивший высоковольтный электростатический генератор к объему воды, собранной в переносном сосуде, с помощью провода показал, что заряд может сохраняться.Используя это явление, Питер ван Мушенбрук изобрел первый конденсатор, названный «Лейденская банка». Новое свойство материала, которое поддерживало это изобретение, было «диэлектриком».

Что такое диэлектрик?

Каждый материал состоит из атомов. Атомы содержат как отрицательно, так и положительно заряженные частицы. Центральное ядро ​​атома заряжено положительно. В любом материале атомы расположены в виде диполей, представленных с положительным и отрицательным зарядом на конце. Когда эти материалы подвергаются действию электрического поля, возникает дипольный момент.

Материал проводника начинает проводить ток при подаче электричества. Изолятор противодействует потоку электричества, поскольку в его структуре нет свободно движущихся электронов. Но диэлектрик — это особый тип изолятора, который не проводит электричество, но поляризуется под действием электричества.

Поляризация в диэлектрике

В диэлектрических материалах под действием электрического поля положительные заряды, присутствующие в материале, смещаются в направлении приложенного электрического поля.Отрицательные заряды смещены в направлении, противоположном приложенному электрическому полю. Это приводит к диэлектрической поляризации. В диэлектрическом материале электрические заряды не проходят через материал. Поляризация уменьшает общее поле диэлектрика.

Свойства диэлектрика

Термин «диэлектрик» был впервые введен Уильямом Уэвеллом. Это сочетание двух слов — «диа» и «электрический». Электропроводность идеального диэлектрика равна нулю. Диэлектрик накапливает и рассеивает электрическую энергию подобно идеальному конденсатору.Некоторые из основных свойств диэлектрического материала: электрическая восприимчивость, диэлектрическая поляризация, диэлектрическая дисперсия, диэлектрическая релаксация, настраиваемость и т. Д.

Электрическая восприимчивость

Насколько легко диэлектрический материал может поляризоваться под действием электрического поля, измеряется с помощью электрическая восприимчивость. Эта величина также определяет электрическую проницаемость материала.

Диэлектрическая поляризация

Электрический дипольный момент — это мера разделения отрицательного и положительного зарядов в системе.Связь между дипольным моментом (M) и электрическим полем (E) определяет свойства диэлектрика. Когда приложенное электрическое поле снимается, атом возвращается в исходное состояние. Это происходит по экспоненциальному спаду. Время, необходимое атому для достижения исходного состояния, известно как время релаксации.

Общая поляризация

Поляризация диэлектрика определяется двумя факторами. Это образование дипольного момента и их ориентация относительно электрического поля.По типу элементарного диполя может быть либо электронная поляризация, либо ионная поляризация. Электронная поляризация P _e возникает, когда молекулы диэлектрика, формирующие дипольный момент, состоят из нейтральных частиц.

Ионная поляризация P _и , и электронная поляризация не зависят от температуры. Постоянные дипольные моменты возникают в молекулах при асимметричном распределении заряда между разными атомами. В таких случаях наблюдается ориентационная поляризация P _o .Если в диэлектрическом материале присутствует свободный заряд, это приведет к поляризации пространственного заряда P _s . Полная поляризация диэлектрика включает все эти механизмы. Таким образом, общая поляризация диэлектрического материала составляет

P _Всего = P _i + P _e + P _o + P _s

Диэлектрическая дисперсия

Когда P — максимальная достигаемая поляризация диэлектриком, t _r — время релаксации для конкретного процесса поляризации, процесс диэлектрической поляризации может быть выражен как

P (t) = P [1-exp (-t / t _r )]

Время релаксации различно для разных поляризационных процессов.Электронная поляризация происходит очень быстро, за ней следует ионная поляризация. Ориентационная поляризация медленнее ионной. Поляризация пространственного заряда очень медленная.

Пробой диэлектрика

При приложении более сильных электрических полей изолятор начинает проводить и ведет себя как проводник. В таких условиях диэлектрические материалы теряют свои диэлектрические свойства. Это явление известно как пробой диэлектрика. Это необратимый процесс. Это приводит к выходу из строя диэлектрических материалов.

Типы диэлектрических материалов

Диэлектрики классифицируются в зависимости от типа молекулы, присутствующей в материале. Есть два типа диэлектриков — полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики.

Полярные диэлектрики

В полярных диэлектриках центр масс положительных частиц не совпадает с центром масс отрицательных частиц. Здесь дипольный момент существует. Молекулы асимметричны по форме. При приложении электрического поля молекулы выравниваются с электрическим полем.Когда электрическое поле убирается, наблюдается случайный дипольный момент, и суммарный дипольный момент в молекулах становится равным нулю. Примеры: h3O, CO2 и т. Д.…

Неполярные диэлектрики

В неполярных диэлектриках центр масс положительных и отрицательных частиц совпадает. В этих молекулах нет дипольного момента. Эти молекулы симметричны по форме. Примерами неполярных диэлектриков являются h3, N2, O2 и т. Д.…

Примеры диэлектрического материала

Диэлектрическими материалами могут быть твердые тела, жидкости, газы и вакуум.Твердые диэлектрики широко используются в электротехнике. Некоторыми примерами продаваемых диэлектриков являются фарфор, керамика, стекло, бумага и т. Д. Сухой воздух, азот, гексафторид серы и оксиды различных металлов являются примерами газообразных диэлектриков. Дистиллированная вода, трансформаторное масло — распространенные примеры жидких диэлектриков.

Применение диэлектрических материалов

Некоторые из применений диэлектриков следующие:

• Они используются для хранения энергии в конденсаторах.
• Для улучшения характеристик полупроводникового прибора используются диэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью.
• В жидкокристаллических дисплеях используются диэлектрики.
• В генераторе диэлектрического резонатора используется керамический диэлектрик.
• Тонкие пленки титаната бария-стронция являются диэлектриками, которые используются в перестраиваемых микроволновых устройствах, обеспечивающих высокую настраиваемость и низкий ток утечки.
• Парилен, используемый в промышленных покрытиях, действует как барьер между субстратом и внешней средой.
• В электрических трансформаторах минеральные масла используются в качестве жидкого диэлектрика и помогают в процессе охлаждения.
• Касторовое масло используется в высоковольтных конденсаторах для увеличения значения емкости.
• Электреты, специально обработанный диэлектрический материал, действует как электростатический эквивалент магнитов.

Часто задаваемые вопросы

1). Какая польза от диэлектрика в конденсаторах?

Диэлектрики, используемые в конденсаторе, помогают уменьшить электрическое поле, которое, в свою очередь, снижает напряжение, тем самым увеличивая емкость.

2). Какой диэлектрический материал широко используется в конденсаторах?

В конденсаторах широко используются такие диэлектрические материалы, как стекло, керамика, воздух, слюда, бумага, пластиковая пленка.

3). Какой материал имеет самую высокую диэлектрическую прочность?

Отмечено, что идеальный вакуум имеет наивысшую диэлектрическую прочность.

4). Все ли изоляторы диэлектрики?

Нет, хотя диэлектрики ведут себя как изоляторы, не все изоляторы являются диэлектриками.

Таким образом, диэлектрики составляют важную часть конденсаторов. Хороший диэлектрический материал должен иметь хорошую диэлектрическую постоянную, диэлектрическую прочность, низкий коэффициент потерь, высокотемпературную стабильность, высокую стабильность при хранении, хорошую частотную характеристику и должен быть адаптирован для промышленных процессов. Диэлектрики также играют жизненно важную роль в высокочастотных электронных схемах. Измерение диэлектрических свойств материала дает информацию о его электрических или магнитных характеристиках. Что такое диэлектрическая проницаемость?

Типы, примеры, свойства и области применения

Материалы, используемые в электронной промышленности, классифицируются по проводимости электричества.Они бывают трех типов: проводники, полупроводники и изоляторы. Назначение диэлектриков — предотвратить проводимость электричества. Они напоминают по функциональности изоляторы. Очень известное применение диэлектрического материала наблюдается в конденсаторах. Потому что проводящие пластины разделены непроводящей средой, известной как изолирующий материал. В зависимости от типа выбранного изоляционного материала классифицируются различные типы конденсаторов.

Что такое диэлектрический материал?

Определение: Диэлектрик — это материал, который плохо проводит электричество.Но это эффективный помощник электростатического поля. Если ток между заряженными полюсами противоположного типа поддерживается на минимальном уровне без прерывания линий электростатического потока, то эти электростатические поля способны накапливать энергию. Это явление практически полезно для хранения энергии в устройствах. Даже при строительстве радиочастотных линий передачи используются диэлектрические материалы.

Диэлектрический материал

Типы диэлектрических материалов

Обычно диэлектрики подразделяются на два типа.

Активные диэлектрики

Диэлектрики, которые размещены снаружи в активном электрическом поле, чтобы оно могло принимать электрический поток от него. Они известны как активные диэлектрики. Это удобство хранения энергии.

Пассивные диэлектрики

Ограничение прохождения заряда через диэлектрик называется пассивным диэлектриком.

Диэлектрические материалы далее классифицируются в зависимости от состояния материала на три типа.Это твердые тела, жидкости и газы. Твердые диэлектрики — это бумага, слюда, керамика, стекло и т. Д. Жидкие диэлектрики — это масло, используемое в трансформаторе, дистиллированная вода и т. Д. Газовые диэлектрики — это оксиды металлов, азот, гелий и т. Д.

Учитывая тип молекул, к которым относятся диэлектрические материалы. далее классифицируется на два типа

Полярные молекулы

Возможность совпадения положительного и отрицательного типов молекул поддерживается равной нулю. Это связано с асимметричной формой молекулы.Если электрическое поле приложено извне, то в этом случае молекулы зарядов собираются в том же направлении, что и электрическое поле.

Неполярные молекулы

В этом типе положительные и отрицательные заряды совпадают. В этих молекулах нет условия постоянного дипольного момента.

Примеры диэлектрических материалов:

• Керамика, стекло, слюда, оксиды металлов и пластмасс.
• Материалы в виде жидкостей и газов также служат хорошими диэлектриками.
• Прежде всего, сухой воздух считается отличным диэлектриком. Он используется в линиях передачи и в конденсаторах переменного типа.
• Дистиллированная вода также обладает эффективными свойствами диэлектрических материалов. Это соображение является хорошим примером диэлектрических материалов.

Свойства диэлектрического материала

Свойства диэлектрика заставляют нас выбирать наиболее подходящий, исходя из его требований. Вот некоторые из свойств:

• Обычно используются диэлектрические материалы неметаллического типа.Следовательно, удельное сопротивление таких материалов будет высоким.
• Энергетический разрыв огромен и превышает 3 эВ.
• Связь электронов с ядром очень высока.
• Из-за отсутствия свободных электронов проводимость очень низкая.
• Диэлектрическая проницаемость — Поляризуемое поведение или природу диэлектрика можно предсказать, используя значение диэлектрической проницаемости.
• Диэлектрическая проницаемость используется для измерения уровня поляризации диэлектрика.

Пробой диэлектрика

Из-за приложения более высоких уровней электрических полей диэлектрик имеет тенденцию к проводимости.Следовательно, это состояние называется пробоем диэлектрика. Это одно из важных свойств материалов, поскольку это состояние может привести к повреждению диэлектриков. Диэлектрические потери — потеря источника питания из-за его поглощения диэлектрическим материалом известна как диэлектрические потери. Такая ситуация возникает при питании переменного тока. Диэлектрическая проницаемость

Чтобы определить, какое количество электрического потока может удерживать материал, можно использовать коэффициент, называемый диэлектрической проницаемостью.

Он определяется как отношение диэлектрической проницаемости вещества к диэлектрической проницаемости свободного пространства и обозначается символом «k». Диэлектрическая постоянная = Абсолютная диэлектрическая проницаемость / Диэлектрическая проницаемость в свободном пространстве

k = ε / εο

Применение диэлектрических материалов

Такие типы материалов могут применяться в различных областях. Вот некоторые из них:

• В оборудовании подстанции, где протекает среднее и высокое напряжение, используется этот тип изоляционного материала.
• Практически, для привода высокого напряжения такими изоляционными материалами покрывают втулки трансформаторов, а также распределительные устройства.
• В устройстве накопления энергии, таком как конденсатор, этот изолирующий материал представляет собой отдельный слой для проводящей пары пластин.
• Открытые компоненты, например кабели, прочно покрыты диэлектриком, чтобы они были защищены от опасных воздействий.
• Ровная смола и лак используются в электрическом оборудовании, поэтому срок его службы увеличивается.
• Жидкие диэлектрики являются охлаждающей средой для трансформаторов, реостатов и конденсаторов.

Часто задаваемые вопросы

1). Что такое диэлектрическая поляризация?

Электрическое поле, приложенное к диэлектрическому материалу, приводит к поляризации диэлектрика. Смещение зарядов происходит из-за приложения электрического поля извне в этой поляризации.

2). Какой материал используется в качестве диэлектрика?

В качестве диэлектриков используются материалы, которые известны своими плохими проводниками электричества.Пластик, слюда, керамика, сухой воздух, дистиллированная вода и т. Д. — вот некоторые из примеров диэлектриков.

3). Почему изоляторы называют диэлектрическими?

Из-за свойства плохой проводимости изоляторы относят к диэлектрикам.

4). Какой материал имеет самую высокую диэлектрическую прочность?

Вакуум — прекрасный пример высочайшей диэлектрической прочности. Причина этого заключается в отсутствии какого-либо материала, который мог бы вызвать поломку.

5). Что такое единица диэлектрической прочности?

В системе СИ единицами измерения электрической прочности изоляции являются вольт / метр.

Диэлектрические материалы подвержены преждевременному старению из-за чрезмерного количества тепла и приложенного перенапряжения. На него также влияют другие материалы, что приводит к выходу из строя диэлектрика. Можете ли вы описать, что заставляет диэлектрик подвергаться пробою?

Диэлектрики | Диэлектрические материалы | Solartron Analytical

Методы:	I-V, C-V, P-E, импеданс, емкость, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая постоянная / потери, размер зерна
Приложения:	Память ПК, FeRAM, исполнительные механизмы, акселерометры, микрофоны, струйные головки, датчики
Типы:	Сегнетоэлектрик, пьезоэлектрик, MEM, NEM, мультиферроики, тонкая пленка, PZT, титанат бария, перовскит, высокий K, низкий K

Диэлектрические материалы — это непроводники электричества (электрические изоляторы), которые могут сильно поляризоваться электрическим полем (это выражается как диэлектрическая постоянная материала).Заряды в диэлектрических материалах могут быть смещены из положения равновесия электрическим полем, и в некоторых случаях заряды также могут быть выровнены относительно приложенного поля, но не проходят через материал. При снятии электрического поля материал возвращается в исходное состояние, и время, необходимое для этого, называется периодом релаксации, который является характеристикой диэлектрического материала. Типичные испытания включают приложение переменного электрического поля (форма волны переменного тока) и мониторинг релаксации материала в зависимости от его диэлектрической проницаемости (емкости и проводимости) по сравнению сприменяемая частота переменного тока.

Диэлектрические материалы используются во многих приложениях, таких как:

• Электронные компоненты, такие как конденсаторы (отвечающие за свойства накопления энергии устройства)
• Материалы с высоким / низким содержанием K, широко используемые в полупроводниках для повышения производительности и уменьшения размера устройства (где K означает диэлектрическую проницаемость или диэлектрическую проницаемость)
• Диэлектрические материалы также используются в дисплеях (например, жидкокристаллических ЖК-дисплеях)
• Пьезоэлектрики / сегнетоэлектрики / MEM материалы также являются диэлектриками
• Керамика и полимеры также часто обладают диэлектрическими свойствами
• Многие другие материалы / приложения

Ассортимент оборудования для испытания материалов Solartron Analytical идеально подходит для определения характеристик диэлектрических материалов.Ключевыми элементами тестирования являются частотный диапазон, диапазон электрического воздействия, диапазон измеряемого импеданса / диэлектрической проницаемости / емкости, точность измерений (особенно при экстремальных уровнях импеданса), контроль применяемой температуры и использование соответствующих держателей образцов.

Solartron Analytical предоставляет следующие испытательные системы для определения характеристик этих материалов:

Тестовая система ModuLab XM MTS обеспечивает полную характеристику устройств переменного тока и во временной области с использованием широкого диапазона опций Plug and Play.
• Фазовый анализатор импеданса и усиления модели 1260A широко упоминается в публикациях и может измерять емкость / C-V / импеданс / Мотта-Шоттки в диапазоне от 10 мкГц до 32 МГц (более 12 декад частоты), что позволяет полностью определять характеристики диэлектрических материалов.
• Диэлектрическая интерфейсная система модели 1296A расширяет диапазон импеданса 1260A до более 100 ТОм для тестирования керамических изоляторов и диэлектриков, а также обеспечивает большую точность измерения амплитуды и фазы за счет использования методов образца / эталона, уменьшая ошибки из-за кабелей.
• Опции контроля температуры, включая криостаты и печи, доступны для всех вышеперечисленных измерительных систем, которые обеспечивают автоматический контроль температуры образца с ПК и позволяют полностью определять характеристики материала.

Диэлектрические свойства — материалы, типы, примеры и применение

Что такое диэлектрический материал?

Диэлектрический материал плохо проводит электричество i.е, изолятор, что означает, что при приложении напряжения ток не может проходить через материал. Однако в атомном масштабе некоторые корректировки все же происходят. Он поляризуется при приложении напряжения к диэлектрической поверхности. Поскольку атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, поляризация — это эффект, который слегка смещает электроны в сторону положительного напряжения. Они не перемещаются достаточно далеко, чтобы создать электрический ток через материал — сдвиг микроскопический, но имеет очень важное влияние, особенно при работе с конденсаторами.

После удаления источника напряжения из материала он либо возвращается в свое исходное неполяризованное состояние, либо остается поляризованным, если молекулярные связи материала слабые. Различие между диэлектрическими элементами и изоляторами не очень хорошо известно. Полностью диэлектрические материалы — это изоляторы, но тот, который легко поляризуется, является хорошим диэлектриком.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость — это способность объекта удерживать столько энергии в форме электрического поля, сколько в той степени, в которой вещество концентрирует электрический поток.Его также можно рассматривать как отношение диэлектрической проницаемости объекта к диэлектрической проницаемости свободного пространства.

Типы диэлектрических материалов

Диэлектрики сгруппированы по типу молекулы, присутствующей в материале. Есть два типа диэлектриков — неполярный диэлектрик и полярный диэлектрик.

Полярный диэлектрик

Центр масс положительных частиц в полярных диэлектриках не совпадает с центром масс отрицательных частиц. Здесь есть дипольный момент.Форма молекул асимметрична. При приложении электрического поля молекулы выравниваются с электрическим полем. Случайный дипольный момент наблюдается, когда электрическое поле убирается, и общий дипольный момент в молекулах становится равным нулю.

Пример: h3O, CO2.

Неполярный диэлектрик

Центр масс положительных и отрицательных частиц совпадает внутри неполярных диэлектриков. У этих молекул нет дипольного момента. Эти молекулы имеют форму симметрии.

Пример: h3, O2, N2.

Пример диэлектрического материала

Диэлектрическим материалом может быть вакуум, твердые тела, жидкости и газы.

• Керамика, бумага, слюда, стекло и т. Д. Являются некоторыми примерами твердых диэлектрических материалов.

• Дистиллированная вода, трансформаторное масло и т. Д. Являются жидкими диэлектрическими материалами.

• Диэлектрические газы — это азот, сухой воздух, гелий, различные оксиды металлов и т. Д. Идеальный вакуум также является диэлектриком.

Применение диэлектрических материалов

• В конденсаторах для хранения энергии используются диэлектрики.

• В диэлектрическом резонаторе генератора используется керамический диэлектрик.

• Диэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью используются для улучшения характеристик полупроводникового прибора.

• Минеральные масла используются в качестве диэлектрической жидкости в электрических трансформаторах и помогают в процессе охлаждения.

• Электреты, специально обработанный диэлектрический материал, служат электростатическим эквивалентом магнитов.

• Пластиковые пленки использовались в качестве пленок в различных областях, таких как изоляция конденсатора между фольгой и изоляция пазов во вращающихся электрических машинах.

• В настоящее время жидкие диэлектрики, в основном углеводородные минеральные масла, используются в основном в качестве изолирующей и охлаждающей среды для трансформаторов, заземляющих реакторов, шунтирующих реакторов, реостатов и т. Д.

Что такое диэлектрические свойства?

Подобно идеальному конденсатору, диэлектрик накапливает и рассеивает электрическую энергию. Основные свойства диэлектрического материала включают электрическую восприимчивость, диэлектрическую поляризацию, диэлектрическую дисперсию, диэлектрическую релаксацию, настраиваемость и т. Д.

Электрическая восприимчивость: электрическая восприимчивость измеряет, насколько легко диэлектрический материал будет поляризован под действием электрического поля. Эта величина также определяет электрическую проницаемость материала.

Диэлектрическая поляризация: Электрический дипольный момент является мерой разделения отрицательных и положительных зарядов в системе. Связь между моментом диполя (M) и электрическим полем (E) приводит к появлению диэлектрических свойств. Когда приложенное электрическое поле снимается, атом возвращается в исходное состояние. Это происходит с экспоненциальным спадом. Время, необходимое атому для достижения исходного состояния, называется временем релаксации.

Пробой диэлектрика: Когда применяются более сильные электрические поля, изолятор начинает проводить и действовать как проводник.В этих условиях диэлектрические материалы теряют свои диэлектрические свойства. Это явление называется диэлектрическим пробоем. Это необратимый процесс. Это приводит к разрушению диэлектрического материала.

Диэлектрическая дисперсия: P (t) — максимальная поляризация, достигаемая диэлектриком.

P (t) = P [1-exp (-t / tr)]

tr — время релаксации для определенного процесса поляризации,

Период релаксации зависит от различных механизмов поляризации.Электронная поляризация, за которой следует ионная поляризация, происходит очень быстро. Поляризация ориентации медленнее, чем ионная поляризация. Поляризация пространственных зарядов происходит очень медленно.

Интересные факты

Диэлектрические материалы | Основы | Направляющая конденсатора

Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы — это, по сути, изоляторы, что означает, что ток не будет течь через материал при приложении напряжения. Однако определенные изменения все же происходят в атомном масштабе.Когда к диэлектрическому объекту прикладывается напряжение, он становится поляризованным. Поскольку атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, поляризация — это эффект, который слегка смещает электроны в сторону положительного напряжения. Они не проходят достаточно далеко, чтобы создать ток через материал — сдвиг микроскопический, но имеет очень важный эффект, особенно при работе с конденсаторами. Как только источник напряжения удаляется из материала, он либо возвращается в свое исходное неполяризованное состояние, либо остается поляризованным, если молекулярные связи в материале слабые.Разница между терминами диэлектрик и изолятор не очень хорошо определена. Все диэлектрические материалы являются изоляторами, но хороший диэлектрик — это тот, который легко поляризуется.

Величина поляризации, которая возникает, когда к объекту прикладывается определенное напряжение, влияет на количество электрической энергии, которая хранится в электрическом поле. Это описывается диэлектрической проницаемостью материала. Диэлектрическая проницаемость — не единственное свойство диэлектрических материалов. Другие свойства, такие как диэлектрическая прочность и диэлектрические потери, не менее важны при выборе материалов для конденсатора для конкретного применения.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость материала, также называемая диэлектрической проницаемостью материала, представляет собой способность материала концентрировать электростатические силовые линии. В более практическом плане он представляет собой способность материала накапливать электрическую энергию в присутствии электрического поля. Все материалы, включая вакуум, накапливают энергию, когда находятся в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость вакуума определяется как физическая постоянная ε ₀ , которая приблизительно равна ε ₀ = 8.854 х 10-12 фарад на метр. Эта постоянная фигурирует во многих формулах электромагнетизма.

Поскольку большинство конденсаторов не вакуумные, имеет смысл определять диэлектрическую проницаемость для каждого материала. Диэлектрическая проницаемость материала определяется как ε = ε _r ε ₀ , где ε — абсолютная диэлектрическая проницаемость, а er — относительная диэлектрическая проницаемость. ε _r — это число, которое всегда больше 1, что означает, что все материалы накапливают больше энергии, чем свободное пространство, когда подвергаются воздействию электрического поля.Это свойство очень полезно в конденсаторах, и мы объясним это далее в этой статье. Следует отметить, что относительная диэлектрическая проницаемость зависит от многих факторов, таких как температура, давление и даже частота, поэтому в некоторых приложениях предпочтение отдается материалам с более стабильной диэлектрической проницаемостью.

Различные материалы имеют разные значения относительной диэлектрической проницаемости. Здесь мы приводим список материалов, обычно используемых в конденсаторах, вместе с их значениями er на частоте 1 кГц при комнатной температуре, который можно использовать в качестве краткого справочника и показывает широкий диапазон значений, встречающихся на практике:

Материал	ε r
Вакуум	1
Вода	30-88 (в зависимости от температуры)
Стекло	3.7-10
ПТФЭ (тефлон)	2,1
Полиэтилен (PE)	2,25
Полиимид	3,4
Полипропилен	2,2–2,36
Полистирол	2,4–2,7
Диоксид титана	86-173
Титанат стронция	310
Титанат бария-стронция	500
Титанат бария	1250 — 10 000 (в зависимости от температуры)
Сопряженные полимеры	1.От 8 до 100 000 (в зависимости от типа)
Титанат кальция и меди	> 250 000

Диэлектрическая прочность

К сожалению, существует предел напряжения, которое изолятор может выдержать до того, как станет проводить электричество. Все материалы имеют верхний предел напряжения, называемый напряжением пробоя. Хороший пример — воздух. Он считается изолятором, но при определенных обстоятельствах может протекать ток. Именно это и происходит при ударе молнии.После превышения напряженности поля пробоя воздух ионизируется (электроны отрываются от ядра атома), и они начинают двигаться под действием электрического поля, создавая электрический ток. Очень важно не превышать максимальное номинальное напряжение конденсатора, чтобы предотвратить повреждение или даже полное разрушение. Электрическая прочность для воздуха составляет примерно 3 мегавольта на метр. Для сравнения, электрическая прочность слюды составляет приблизительно 120 МВ / м. Выбор диэлектрического материала очень важен в некоторых приложениях, где ожидается высокое напряжение или когда толщина диэлектрика очень мала.

Диэлектрические потери

Термин диэлектрические потери относится к энергии, которая теряется при нагревании объекта, который сделан из диэлектрического материала, если к нему приложено переменное напряжение. Эти потери происходят потому, что по мере того, как материал меняет поляризацию, крошечные электронные сдвиги можно рассматривать как крошечный поток переменного тока. Различные материалы имеют разные потери на разных частотах, и эту характеристику необходимо учитывать в некоторых высокочастотных приложениях.

Применение диэлектрических материалов в конденсаторах

Чтобы понять влияние диэлектрика на конденсатор, давайте сначала быстро рассмотрим известную формулу для емкости конденсатора с параллельными пластинами:

, где C — емкость, ε _r — относительная диэлектрическая проницаемость материала, ε ₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума, A — площадь пластин и d — расстояние между пластинами.Становится ясно, что чем больше ε _r , тем больше становится результирующая емкость. Например, воздух как материал имеет относительную диэлектрическую проницаемость приблизительно 1, что означает, что он действует так, как если бы пластины конденсатора были помещены в вакуум. С другой стороны, некоторые полимеры могут иметь относительную диэлектрическую проницаемость до 100000! Используя такие материалы, можно достичь той же емкости в гораздо меньшем объеме, что открывает возможность для миниатюризации.

Теперь посмотрим на диэлектрическую прочность.Рассмотрим воздушный конденсатор с расстоянием между электродами 0,1 мм. Электрическая прочность воздуха составляет 3 мегавольта на метр. Это означает, что максимальное напряжение, которое может быть приложено к конденсатору в этом примере, составляет 300 вольт в идеальных условиях. Чем меньше конденсатор, тем ниже максимально допустимое напряжение. Все конденсаторы имеют максимальное номинальное напряжение, которое зависит от используемых материалов, и превышение этих номинальных значений может привести к повреждению или разрушению конденсатора.

Типы, свойства, примеры и их преимущества

Диэлектрический материал действует как изолирующая среда между двумя проводящими телами.Он обладает свойствами изоляторов, но показывает действие электрического поля. Полностью диэлектрические материалы можно назвать изоляторами, но не все изоляторы являются диэлектрическими материалами. Благодаря своим изоляционным свойствам диэлектрики широко используются в области электротехники и электроники. В этой статье обсуждается обзор диэлектрических материалов, работа, типы, примеры, свойства и применения.

Что такое диэлектрический материал?

Определение: Диэлектрик — это материалы, которые не позволяют электричеству течь внутри них, но проявляют электрические эффекты.Их также можно определить как вещество, которое не допускает прохождения через него зарядов, позволяет им создавать электрическое поле и силу. Диэлектрический материал поддерживает электрическое поле, но препятствует потоку зарядов. Он считается изолирующей средой. Поддерживая электростатическое поле, он рассеивает энергию в виде тепла.
Формирование поляризации электрического поля.

Диэлектрический материал

Как показано на рисунке выше, две толстые линии представляют две проводящие среды, как обкладки конденсатора.Кружки внутри представляют молекулы диэлектрика. Когда к пластинам прикладывается разность потенциалов, как показано положительными и отрицательными символами, заряды внутри диэлектрика выравниваются соответственно. Противоположные заряды молекул диэлектрика компенсируют себя, а оставшиеся заряды, которые выравниваются по направлению к проводящим пластинам, образуют электрическое поле, как показано стрелкой на рисунке. Вот почему говорят, что диэлектрический материал препятствует проводимости зарядов, но формирует электростатическое поле.Он также формирует электрическую силу из-за поля. Это определяется как поляризация.

Примеры диэлектриков

Различные примеры диэлектрика существуют во всех трех формах материи. Примерами твердых диэлектриков являются слюда, фарфор, стекло, пластик и т. Д. Диэлектрик в виде жидкости включает трансформаторное масло, дистиллированную воду, минеральное масло и т. Д. Диэлектрик в виде газа включает воздух, водород, азот, серу, гелий, и т.д. Отсутствие воздуха, то есть вакуума, также является одним из лучших диэлектрических материалов.Благодаря своим молекулярным свойствам вакуум считается одним из эффективных диэлектрических материалов.

Диэлектрик препятствует потоку зарядов и в то же время рассеивает энергию в виде тепла, которое известно как диэлектрические потери. На основании потерь характеризуют диэлектрический материал. Чем меньше потери тепла, тем эффективнее будет материал. Еще одним параметром, характеризующим диэлектрический материал, является диэлектрическая проницаемость. Чем меньше постоянная, тем лучше диэлектрик. Материалы с меньшей диэлектрической проницаемостью включают идеальный вакуум, сухой воздух, газы, такие как водород и гелий, и т. Д.

К следующей категории диэлектриков относятся диэлектрики с умеренной диэлектрической проницаемостью. К ним относятся керамика, дистиллированная вода, бумага, стекло, полиэтилен и т. Д. Кроме того, металлы с высоким содержанием оксидов имеют умеренную диэлектрическую проницаемость.

Типы диэлектрических материалов

Есть два типа материала

• Полярный диэлектрический материал
• Неполярный диэлектрический материал

Полярный диэлектрический материал

Термин «полярный» указывает на чистое полярное движение в отсутствие электрического поля.Это означает, что в отсутствие электрического поля существует расстояние между положительными и отрицательными зарядами. У них есть внутреннее дипольное движение в отсутствие электрического поля. Например, если мы рассмотрим молекулярную структуру h30, у нас есть два атома водорода и один атом кислорода. Между двумя атомами водорода существует расстояние разделения между центром масс для положительного и отрицательного заряда.

Центр масс положительных зарядов образован атомами водорода.Точно так же центр масс для отрицательных зарядов образован атомами кислорода. Между этими двумя центрами зарядов существует разделение, которое вызывает движение диполя. Будет дипольное движение от двух центров зарядов даже в отсутствие электрического поля. Аналогичным образом, HCl и NaCl являются примерами полярных диэлектрических материалов.

Следовательно, полярную молекулу можно определить как молекулу, в которой центр масс положительного заряда не совпадает с центром масс отрицательного заряда в отсутствие электрического поля.Вещество, состоящее из полярной молекулы, определяется как полярный диэлектрик. Следует отметить еще один момент: в полярных молекулах размер молекул не тот. Например, в h30 размер молекулы водорода мал по сравнению с размером молекулы кислорода.

Неполярный диэлектрический материал

В неполярных диэлектриках размер всех молекул одинаков. Например, CO2, размер молекулы углерода и кислорода одинаков. Это приводит к тому, что центр масс положительного заряда и центр масс отрицательного заряда совпадают друг с другом.Это означает, что между двумя массами нет расстояния разделения. Это приводит к нулевому смещению диполя. Следовательно, в неполярном диэлектрике его можно определить как молекулу, в которой центр масс положительного заряда совпадает с центром масс отрицательного заряда в отсутствие электрического поля. Вещество, состоящее из неполярной молекулы, образует недиэлектрик. Примеры: CO2, h3 N2 и т. Д. Чистое дипольное движение неполярного диэлектрического материала равно нулю.

Свойства диэлектрической постоянной

Свойства диэлектрических материалов перечислены ниже:

• Низкая диэлектрическая проницаемость — Диэлектрические материалы должны иметь низкую диэлектрическую проницаемость.
• Низкие диэлектрические потери — диэлектрические потери материала должны быть меньше. Это рассчитывается в виде тепловыделения. Его также называют низким коэффициентом потерь
.
• Высокая диэлектрическая прочность — диэлектрическая прочность материала должна быть высокой.
• Температурная стабильность — Его характеристики должны быть стабильными в условиях высоких температур. Как фарфор с отличной температурной стабильностью
• Storage Stability — он должен иметь свойство накапливать энергию.
• Хорошая частотная характеристика — поскольку такие элементы, как конденсаторы, используются в высокочастотных условиях, диэлектрические материалы должны иметь хорошую частотную характеристику.

Применение диэлектриков

Благодаря своим свойствам диэлектрические материалы находят множество применений. Некоторые из них попали в список ниже —

.

• Для изготовления конденсаторов используются диэлектрические материалы. В зависимости от материала диэлектрика анализируется емкость конденсатора.Диэлектрический материал вызывает разделение пластин.
• Применяется для изготовления изоляционных материалов, применяемых в воздушных линиях электропередачи. Как фарфор. В этом приложении очень важны свойства диэлектриков, поскольку они используются при очень высоком напряжении.
• Трансформаторное масло. В трансформаторах масло является очень важным компонентом, поскольку оно используется для охлаждения и изоляции.
• Слюда — Слюда или бумажный диэлектрик также используется для изоляции обмоток трансформаторов.
• Они используются в производстве полупроводников, так как в зависимости от диэлектрической проницаемости характеристики полупроводников улучшаются.
• Они широко используются для производства пьезоэлектриков, сегнетоэлектриков и т. Д.
• Диэлектрический материал также используется для дисплеев, таких как ЖК-дисплеи и т. Д.

Часто задаваемые вопросы

1). Какой материал используется в качестве диэлектрика?

Отв. Обычно для изготовления диэлектрика используют слюду, бумагу, трансформаторное масло, фарфор и т. Д.

2). Какая польза от диэлектрика?

Отв. Диэлектрик образует изоляцию между двумя проводящими средами

3). Почему в конденсаторе используется диэлектрический материал?

Отв. Диэлектрик используется в конденсаторе, потому что он образует разделение между двумя проводящими пластинами и позволяет конденсатору накапливать энергию в электрическом поле. Благодаря свойствам диэлектрика конденсатор может накапливать энергию в электрическом поле.

4).Вода — диэлектрик?

Отв. Да, вода диэлектрик. Он состоит из полярных молекул, поэтому его можно отнести к категории полярных диэлектриков.

5). Что такое идеальный диэлектрик?

Отв. Идеальный диэлектрик — это материал, который демонстрирует бесконечную изоляцию или нулевую проводимость и имеет только ток смещения. Идеальный диэлектрик эквивалентен конденсатору, который может накапливать энергию.

Таким образом, мы увидели свойства диэлектрических и диэлектрических материалов.В зависимости от свойств и значения диэлектрической проницаемости диэлектрик находит множество применений. В основном используются для производства конденсаторов, другие распространенные применения — изоляторы в воздушных линиях электропередачи. При увеличении потенциала в диэлектрическом материале происходит пробой диэлектрика, также называемый пробоем. Образование пыли, плохое обслуживание, старение и т. Д. — другие распространенные проблемы диэлектрического разрушения. Вот вам вопрос, как диэлектрик играет роль в увеличении емкости конденсатора?

Что такое диэлектрический материал? — Определение от WhatIs.com

По

Диэлектрический материал — это вещество, которое плохо проводит электричество, но эффективно поддерживает электростатическое поле. Если ток между противоположными полюсами электрического заряда сведен к минимуму, в то время как электростатические линии потока не прерываются и не прерываются, электростатическое поле может накапливать энергию. Это свойство полезно в конденсаторах, особенно на радиочастотах. Диэлектрические материалы также используются при строительстве линий передачи радиочастот.

На практике большинство диэлектрических материалов твердые. Примеры включают фарфор (керамику), слюду, стекло, пластмассы и оксиды различных металлов. Некоторые жидкости и газы могут служить хорошими диэлектрическими материалами. Сухой воздух является отличным диэлектриком и используется в конденсаторах переменной емкости и некоторых типах линий передачи. Дистиллированная вода — хороший диэлектрик. Вакуум — исключительно эффективный диэлектрик.

Важным свойством диэлектрика является его способность поддерживать электростатическое поле, рассеивая минимальную энергию в виде тепла.Чем ниже диэлектрические потери (доля энергии, теряемой в виде тепла), тем более эффективным является диэлектрический материал. Еще одним соображением является диэлектрическая проницаемость , , степень, в которой вещество концентрирует электростатические линии потока. Вещества с низкой диэлектрической проницаемостью включают идеальный вакуум, сухой воздух и наиболее чистые сухие газы, такие как гелий и азот. Материалы с умеренной диэлектрической проницаемостью включают керамику, дистиллированную воду, бумагу, слюду, полиэтилен и стекло.Оксиды металлов, как правило, обладают высокими диэлектрическими постоянными.

Основным преимуществом веществ с высокой диэлектрической постоянной, таких как оксид алюминия, является тот факт, что они позволяют производить дорогостоящие конденсаторы с небольшим физическим объемом.