Основные типы диэлектриков. Диэлектрики: типы, свойства и применение в электротехнике

Что такое диэлектрики. Какие бывают основные виды диэлектриков. Как происходит поляризация диэлектриков. Где применяются диэлектрические материалы в электротехнике. Каковы основные свойства и характеристики диэлектриков.

Что такое диэлектрики и их основные свойства

Диэлектрики — это вещества, которые практически не проводят электрический ток. В отличие от проводников, в диэлектриках отсутствуют свободные заряженные частицы, способные перемещаться по всему объему вещества. Основные свойства диэлектриков:

• Очень низкая электропроводность (в 10^15-10^20 раз меньше, чем у проводников)
• Способность к поляризации во внешнем электрическом поле
• Высокое электрическое сопротивление
• Способность накапливать электрический заряд
• Диэлектрическая проницаемость больше единицы

Диэлектрики могут находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Они широко применяются в электротехнике в качестве изоляторов и диэлектриков конденсаторов.

Основные типы диэлектриков

По своей структуре и свойствам диэлектрики подразделяются на несколько основных типов:

1. Полярные диэлектрики

В молекулах полярных диэлектриков центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы представляют собой электрические диполи даже в отсутствие внешнего поля. К полярным диэлектрикам относятся:

• Вода
• Спирты
• Органические кислоты
• Некоторые полимеры (поливинилхлорид, полиамиды)

2. Неполярные диэлектрики

Молекулы неполярных диэлектриков имеют симметричное строение, центры положительных и отрицательных зарядов в них совпадают. Примеры неполярных диэлектриков:

• Углеводороды (метан, бензол)
• Инертные газы
• Многие полимеры (полиэтилен, полистирол)

3. Сегнетоэлектрики

Особый класс диэлектриков, обладающих самопроизвольной поляризацией в отсутствие внешнего электрического поля. К сегнетоэлектрикам относятся:

• Сегнетова соль
• Титанат бария
• Триглицинсульфат

Механизмы поляризации диэлектриков

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит его поляризация — смещение связанных зарядов и ориентация дипольных моментов молекул. Различают несколько механизмов поляризации:

Электронная поляризация

Происходит за счет смещения электронных оболочек атомов относительно ядер. Характерна для всех диэлектриков, устанавливается за очень короткое время (~10^-15 с).

Ионная поляризация

Наблюдается в ионных кристаллах за счет смещения ионов из положения равновесия. Время установления ~10^-13 с.

Дипольная ориентационная поляризация

Характерна для полярных диэлектриков, связана с поворотом дипольных моментов молекул вдоль поля. Время установления ~10^-10 с и более.

Миграционная поляризация

Возникает в неоднородных диэлектриках за счет перемещения свободных зарядов к границам неоднородностей. Время установления может достигать нескольких секунд.

Применение диэлектриков в электротехнике

Диэлектрические материалы широко используются в различных областях электротехники и электроники:

1. Электрическая изоляция

Диэлектрики применяются для изоляции токоведущих частей электрических устройств и кабелей. Наиболее распространенные изоляционные материалы:

• Полимеры (полиэтилен, фторопласт, полиимиды)
• Керамика
• Стекло
• Слюда
• Трансформаторное масло

2. Конденсаторы

Диэлектрики используются в качестве изолирующего слоя между обкладками конденсаторов. Применяются:

• Керамические материалы
• Полимерные пленки
• Оксидные диэлектрики
• Электролиты

3. Подложки интегральных схем

В качестве диэлектрических подложек для микросхем используются:

• Монокристаллический кремний
• Сапфир
• Ситалл
• Керамика на основе оксида алюминия

Основные характеристики диэлектриков

При выборе диэлектрических материалов для конкретных применений учитывают следующие характеристики:

Диэлектрическая проницаемость

Показывает, во сколько раз ослабляется электрическое поле в диэлектрике по сравнению с вакуумом. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем больше емкость конденсатора с данным диэлектриком.

Тангенс угла диэлектрических потерь

Характеризует потери энергии в диэлектрике при воздействии переменного электрического поля. Для хороших диэлектриков тангенс угла потерь должен быть как можно меньше.

Электрическая прочность

Максимальная напряженность электрического поля, которую выдерживает диэлектрик без пробоя. Измеряется в кВ/мм.

Удельное объемное сопротивление

Характеризует способность диэлектрика препятствовать прохождению электрического тока. Измеряется в Ом·м.

Перспективные направления в разработке диэлектриков

Развитие современной электроники и энергетики требует создания новых диэлектрических материалов с улучшенными характеристиками. Основные направления исследований:

• Разработка высокотемпературных полимерных диэлектриков для электроизоляции
• Создание нанокомпозитных диэлектриков с повышенной электрической прочностью
• Поиск материалов с высокой диэлектрической проницаемостью для конденсаторов
• Разработка диэлектриков с низкими диэлектрическими потерями для СВЧ-техники
• Исследование сегнетоэлектрических материалов для создания элементов памяти

Совершенствование диэлектрических материалов позволит создавать более эффективные и надежные электротехнические и электронные устройства.

§ 12.7 Диэлектрики. Типы диэлектриков и их поляризация

В 1729 г. английский физик Стефан Грей обнаружил, что электрический заряд может перемещаться по одним телам и не перемещаться по другим. Например, по металлической проволоке электричество в его опытах распространялось, а по шелковой нити нет. С тех пор все вещества стали делиться на проводники и непроводники электричества. Последние были названы Фарадеем диэлектриками.

Введённый Фарадеем в 1837 г. термин «диэлектрики» образован от двух слов — греческого «диа» (что значит «через») и английского electric (электрический).

Диэлектриком называют вещество, которое не проводит электрический ток, следовательно в это веществе отсутствуют свободные заряженные частицы (т.е. таких заряженных частиц, которые способны свободно перемещаться по всему объёму тела). Такими частицами могли бы быть электроны, но в идеальном диэлектрике все электроны связаны с ядром атома, т. е. принадлежат отдельным атомам, и свободно перемещаться по телу не могут. Чтобы нарушить эту связь, нужны сильные воздействующие факторы.

Диэлектрики обладают способностью пропускать через себя электростатическое поле. Проникая через диэлектрики электростатическое поле ослабевает, но всё-таки не до нуля, как это происходит в металлах.

Диэлектриками могут быть вещества в трёх агрегатных состояниях: газообразном (азот, водород), жидком (чистая вода), твёрдом (янтарь, фарфор, кварц).

Всякая молекула представляет собой систему с суммарным зарядом, равным нулю. Поведение молекулы во внешнем электрическом поле эквивалентно диполю. Положительный заряд такого диполя равен суммарному заряду ядер, помещён в «центр тяжести» положительных зарядов; отрицательный заряд равен суммарному заряду электронов и помещён в «центр тяжести» отрицательных зарядов.

Все диэлектрики делятся на три группы: полярные, неполярные и кристаллические.

• Полярные диэлектрики состоят из молекул, которые имеют асимметричное строение, что приводит к несовпадению «центров тяжести» положительных и отрицательных зарядов в молекуле (рис.12.20). Молекула в этом случае представляет собой диполь. В отсутствие внешнего поля Е₀,благодаря тепловому движению молекул, дипольные моменты ориентированы хаотически и суммарный дипольный момент всех молекул равен нулю . К таким диэлектрикам относятся фенол, нитробензол.

• Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, которые имеют симметричное строение (рис.12.21) , т.е. «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля и, следовательно, не обладают собственным дипольным моментом. К ним относят инертные газы, бензол, парафин, водород, кислород.

При помещении диэлектрика в электрическое поле в его объёме и на поверхности появляются макроскопические заряды. Указанные заряды возникают в результате поляризации диэлектриков.

Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей, т.е. смещение положительных и отрицательных зарядов внутри диэлектрика в противоположные стороны.

Трём группам диэлектриков соответствует три вида поляризации.

Дипольная (ориентационная) поляризация. При отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю (рис.12.22, а) . Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле (рис.12.22, б) , то силы этого поля будут стремится повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент. Эта ориентация дипольных моментов молекул по полю тем сильнее, чем больше напряжённость электрического поля и ниже температура.

Электронная поляризация. Если неполярную молекулу поместить во внешнее электрическое поле Е₀, то под действием электрического поля происходит деформация её электронных орбит и молекулы диэлектрика превращаются в диполи, сразу ориентированные вдоль внешнего поля (ядра молекулы при этом смещаются по полю, а электронная оболочка вытягивается против поля и молекула приобретает дипольный момент

(рис. 12.23).

Ионная поляризация. Если кристаллический диэлектрик (NaCl) имеющий кристаллическую решётку, в узлах которой правильно чередуются положительные и отрицательные ионы, поместить во внешнее электрическое поле Е

0, то произойдёт смещение положительных ионов решётки вдоль направления поля, а отрицательных ионов – в противоположную сторону. В результате диэлектрик поляризуется.

Такого рода поляризация называется ионной. Степень ионной поляризации зависит от свойств диэлектрика и от напряжённости поля.

12. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.

Диэлектриками или изоляторами называются вещества, в которых нет свободных носителей зарядов и которые, следовательно, не проводят электрический ток. Это будут идеаль­ные диэлектрики. В действительности диэлектрики проводят электрический ток, но очень слабо, их проводи­мость в 10¹⁵ -10²⁰ раз меньше, чем у проводников. Это обусловлено тем, что в обычных услови­ях заряды в диэлектриках связаны в устойчивые молекулы и не могут, как в проводниках, легко отрываться и становиться свободными. Молекулы диэлектрика электро нейтральны: суммарный заряд электронов и атомных ядер, входящих в состав молекулы, равен нулю. В первом приближении молекулу можно рассматривать как диполь с электрическим моментом ; здесь

q — заряд ядра молекулы, — век­тор, проведенный из «центра тяжести» электронов в «центр тяжести» положительных заря­дов атомных ядер.

Различают два основных типа диэлектриков: полярный и неполярный. Диэлектрик называют неполярным, если в его молекулах в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают, например, Для них дипольный момент , т. к. . И, следовательно, суммарный дипольный момент неполярного диэлектрика .

В молекулах полярных диэлектриков (,спирты, НС1. ..) центры тяжести зарядов раз­ных знаков сдвинуты друг относительно друга. В этом случае молекулы обладают собствен­ным дипольным моментом . Но эти дипольные моменты в отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул ориентированы хаотически и суммарный дипольный момент такого диэлектрика равен нулю, т. е. .

12.2.-3 Если диэлектрик внести в электрическое поле, то в нем произойдет перераспределе­ние связанных зарядов. В результате этого суммарный дипольный момент диэлектрика становится отличным от нуля. В этом случае говорят, что произошла поляризация диэлектрика. Различают три типа поляризации диэлектриков:

1) ЭЛЕКТРОННАЯ: oна наблюдается в неполярных диэлек­триках, когда электронная оболочка смещается относитель­но ядра против поля (см. рис. 1).

2) ОРИЕНТАЦИОННАЯ: она наблюдается в полярных диэ­лектриках, когда диполи стремятся расположиться вдоль поля. Этому препятсятвует тепловое хаотическое движение.

3) ИОННАЯ: она наблюдается в твердых кристаллических диэлектриках, когда внешнее по­ле вызывает смещение положительных ионов по полю, а отрицательных — против поля.

Теорема Гаусса — Остроградского для потока вектора в вакууме имела вид, илигде Q — суммарный заряд, охватываемый замкнутой поверхностью S. В диэлектрике Q складывается из свободных (сторонних) зарядов и связанных зарядов, т.е. (5) Можно показать, что.

Подставляя эту формулу в (5), после преобразования получим (6) Величину(7) называют вектором электрического смещения или вектором электрической индукции. Она измеряется, как и, в Кл/м². Учитывая, что находим .(8)

Линии вектора могут начинаться или заканчиваться лишь на свободных зарядах, а линии — на свободных и связанных. С учетом (7) формула (6) запишется так , (9) т.е. поток вектора электрического смещения через произвольную замкнутую поверхность S равен алгебраической сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью.

Это и есть теорема Гаусса — Остроградского в интегральной форме для поля в диэлек­трике, которая в дифференциальной форме выглядит так: =dq/dV, Кл / м (10) ρ – объемная плотность свободных зарядов.

Типы и свойства диэлектрических материалов дисплея

Диэлектрический материал не является проводником электричества, и эти материалы могут быть сильно поляризованы с помощью электрического поля для накопления электрического заряда. Диэлектрический материал рассеивает и накапливает электрический заряд подобно идеальному конденсатору. Существует два типа диэлектрических материалов дисплея: полярные и неполярные. Диэлектрические материалы дисплея используются в дисплеях, таких как OLED, LED, LCD и т. д.

Принси А. Дж  | 04 июня 2020 г.

Материалы классифицируются как изоляторы, проводники и полупроводники на основе их электропроводных свойств. В электрическом поле атомы вещества претерпевают определенные изменения и смещения свойств. Согласно эксперименту, проведенному Эвальдом Георгом фон Клейстом в октябре 1745 года, он показал, что энергию можно хранить. На основе этого эксперимента Питер ван Мусшенбрук изобрел «лейденскую банку», которая считается первым конденсатором. «Диэлектрик» был следующим изобретением, подкрепившим новое свойство материала.

Диэлектрические материалы представляют собой вещества, плохо проводящие электричество, и эти материалы могут быть сильно поляризованы с помощью электрического поля для накопления электрической энергии. Диэлектрические материалы, помещенные в приложенное электрическое поле, могут смещаться из положения равновесия электрического материала из-за отсутствия прохождения электричества к этим материалам. Это смещение называется электрической поляризацией. Согласно обзору дайв-аналитиков Research, диэлектрические материалы обладают постоянным электрическим дипольным моментом, который представляет собой единицу, которая может разделять положительные и отрицательные заряды на небольшое расстояние. Диэлектрические материалы в основном используются в дисплеях, таких как OLED, LED, LCD и других.

Свойства диэлектрических материалов для дисплеев

Уильям Уэвелл был первым, кто представил миру термин «диэлектрик», который представляет собой объединение двух слов: «диаметр» и «электрический». Для идеального диэлектрического материала электропроводность равна нулю. Диэлектрический материал рассеивает и сохраняет электрический заряд подобно идеальному конденсатору. Основными свойствами диэлектрического материала дисплея являются диэлектрическая поляризация, электрическая восприимчивость, диэлектрическая дисперсия, прочность, диэлектрическая релаксация и т. д.

•    Диэлектрическая поляризация

Электрический дипольный момент является мерой разделения положительного и отрицательного заряда в системе. При воздействии электрического поля связь между электрическим полем (Е) и дипольным моментом (М) приводит к возникновению диэлектрических свойств, и изделия возвращаются в исходное состояние. Это время, необходимое атому для достижения своего исходного состояния, называется временем релаксации.

•    Электрочувствительность

Электрическая восприимчивость используется для измерения того, насколько легко диэлектрические материалы могут сильно поляризоваться при воздействии электрического поля. По этой величине можно определить электрическую проницаемость этих материалов.

•    Общая поляризация

Два фактора, которые определяют поляризацию диэлектрических материалов:

1. Формирование дипольного момента и,
2. Их направление связано с электрическим полем.

По типу элементарного диполя может быть либо ионная поляризация, либо электронная поляризация. Pe (электронная поляризация) возникает, когда дипольный момент состоит из нейтральных частиц. С другой стороны, электронная поляризация или Pi (ионная поляризация) не зависят от температуры.

•    Пробой диэлектрика

Изолятор начинает вести себя как проводник при приложении более сильных электрических полей. Диэлектрические свойства теряются диэлектрическими материалами в таких условиях, что известно как пробой диэлектрика. Этот процесс необратим, так как приводит к неработоспособности диэлектрических материалов.

Типы диэлектрических материалов

В зависимости от типа молекул, присутствующих в материалах, диэлектрики подразделяются на два типа — полярные и неполярные диэлектрические материалы.

1. Полярные диэлектрические материалы

В этом типе диэлектрических материалов центр масс отрицательных частиц не совпадает с центром масс положительных частиц. Форма молекул несимметрична и дипольный момент здесь присутствует. Молекулы выравниваются при приложении электрического поля. Однако при снятии электрического поля обнаруживается случайный дипольный момент, в результате чего чистый дипольный момент становится равным нулю. Примеры: CO2, h3O и т. д.

2.    Неполярные диэлектрические материалы

В этом типе диэлектрических материалов центры масс отрицательных и положительных частиц совпадают. В этих молекулах отсутствует дипольный момент, и они симметричны по форме. Примерами являются O2, N2, h3 и т. д.

Примеры диэлектрических материалов

Диэлектрическими материалами могут быть вакуум, газы, жидкости и твердые тела. Твердые диэлектрические материалы широко используются в электротехнике. Некоторыми примерами этих материалов являются стекло, керамика, фарфор, бумага и т. д. Примерами газообразных диэлектрических материалов являются оксиды некоторых металлов, азот, сухой воздух и гексафторид серы. Трансформаторное масло, дистиллированная вода являются распространенными примерами жидких диэлектрических материалов.

Об авторе (авторах)

Принси А. Дж.

Принси имеет степень бакалавра в области гражданского строительства, полученную в престижном Тамил Наду доктором М.Г.Р. Университет в Ченнаи, Индия. После успешной академической успеваемости она продолжила свою страсть к писательству. Тщательный профессионал и писатель-энтузиаст, она любит писать о различных категориях и достижениях в мировых отраслях. Она играет важную роль в написании текущих обновлений, новостей, блогов и тенденций.

ПРИМЕНЕНИЕ И ПРЕИМУЩЕСТВА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ДИЭЛЕКТРИКА.

ПРИМЕНЕНИЕ И ПРЕИМУЩЕСТВА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ДИЭЛЕКТРИКА.

Реклама

1 из 12

Верхний обрезанный слайд

Скачать для чтения в автономном режиме

Инженерное дело

РАЗЛИЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ И ПРЕИМУЩЕСТВА ОПИСаны В ЭТОЙ ПРЕЗЕНТАЦИИ.

Реклама

Реклама

Реклама

ПРИМЕНЕНИЕ И ПРЕИМУЩЕСТВА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ДИЭЛЕКТРИКА.

1. ШАНТИЛАЛ ШАХ ИНЖИНИРИНГ КОЛЛЕДЖ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА ОТДЕЛЕНИЕ
2. ИМЯ:-РАДЖ РАЙТАТА НОМЕР РЕГИСТРАЦИИ: -150430109051 СЭМ:-4 ТЕМА:- ИНЖЕНЕРНАЯ ФИЗИКА НАЗВАНИЕ ТЕМЫ: ПРИМЕНЕНИЕ И ПРЕИМУЩЕСТВА РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ ДИЭЛЕКТРИКА. РУКОВОДСТВО: -ПРОФ. Х.М.БХАТТ
3. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ • Диэлектрический материал — это электрический изолятор, могут быть поляризованы приложенным электрическим полем. • Когда диэлектрик помещается в электрическое поле, электрические заряды не проходят через материал, т. они делают в проводнике, но лишь немного смещаются от их средние положения равновесия, вызывающие диэлектрическая поляризация.
4. • Из-за диэлектрической поляризации положительная заряды смещаются в сторону поля и отрицательные заряды сдвигаются в противоположную сторону направление. Это создает внутреннее электрическое поле. что уменьшает общее поле внутри сам диэлектрик. • Если диэлектрик состоит из слабо связанных молекулы, эти молекулы не только становятся поляризоваться, но и переориентировать так, чтобы их оси симметрии совпадают с полем.
5. ТИПЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ • Диэлектрические материалы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. • Твердые диэлектрические материалы:- • Твердые диэлектрики чаще всего используются в электротехнике. инженерия; это очень хорошие изоляторы. Примеры: фарфор, стекло, пластик, резина, хлопок. и слюда. • Слюда:-Слюда представляет собой неорганический минеральный материал, изготовленный из силиката алюминия с силикатами соды, калия и магнезии. это кристалл в природе и может быть разделен на очень тонкие плоские листы. Он жесткий, жесткий и прочный. Обладает высокой диэлектрической прочностью и низким диэлектрические потери. Не боится влаги
6. • Жидкий диэлектрик:- • Жидкие диэлектрики в основном состоят из трех различные виды, включающие (i) минеральные изоляционные масла, (ii) синтетические изоляционные масла, (iii) разные изоляционные масла. • Функция изоляционных жидкостей состоит в обеспечении электроизоляции и рассеивания тепла. Примеры: трансформаторное масло, кабельное масло, конденсаторное масло, вазелин. • Синтетические изоляционные масла – аскарель, ароклорс, совол представляют собой несколько синтетических изоляционных масел, которые широко использовал .
7. • Газообразный диэлектрический материал:- • Газообразные диэлектрические материалы используются как в качестве изоляторы и охлаждающие агенты. Пример: воздух, водород, азот, гелий. • Воздух: воздух является естественным диэлектриком. материал . Это самый важный изоляционный материал . Диэлектрические потери практически нуль . Диэлектрическая проницаемость воздуха увеличивается линейно с ростом давления. Это используется как диэлектрик в конденсаторах. Может быть используется в качестве изоляции только при низком напряжении приложение .
8. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ • Конденсаторы: основная роль диэлектрических материалов в конденсаторы для хранения электрической энергии. На основе природы используемого диэлектрического материала, конденсаторы относятся к разные группы. 1. Конденсаторы с вакуумом, воздухом или другими газами в качестве диэлектрика. используется в радиочастотных и низкочастотных измерениях схемы. 2. Конденсаторы с минеральным маслом в качестве диэлектрика используются в высоких приложений напряжения, где большое значение конденсаторов необходимый. 3. Конденсаторы с комбинацией твердого и жидкого диэлектрики используются в приложениях, где точность не так важно, но требуется высокое значение емкости.
9. ТРАНСФОРМАТОРЫ В трансформаторах диэлектрики используются как изоляторы, а также охлаждающие агенты. Применение различных типов твердых, жидких и газообразных диэлектрические материалы с их функциями в преобразованиях перечислены ниже: 1. Твердые диэлектрические материалы: • Волокнистые материалы используются в трансформаторах с воздушным и масляным охлаждением. . • Хлопчатобумажная лента используется для изоляции проводников охлаждаемых маслом трансформаторы . • Высококачественная синтетическая бумага для поднятия бумаги в виде цилиндры используются в качестве изолятора между сердечником и катушками, а также между первичной и вторичной обмотками. • Пресс-картон или пресс-бумага используются в качестве наполнителя и в качестве упаковки. материал между катушкой.
10. 2. Жидкие диэлектрические материалы: • Трансформаторное масло – относится к классу минерального изоляционного масла и используется в качестве охлаждающая жидкость Это также поддерживает изоляцию обмотки.