Диэлектрики Свойства диэлектриков
Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергией. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры и стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно . Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения; при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры. Характерной особенностью диэлектрика является способность поляризоваться в электрическом поле. Сущность поляризации заключается в смещении связанных электрических зарядов под действием поля. Смещенные заряды создают собственное внутреннее электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему. Мерой поляризации является диэлектрическая проницаемость . Она оценивается отношением емкостей конденсатора. Емкость определяется, когда между пластинами конденсатора находится диэлектрик, а емкость — когда вместо диэлектрика — вакуум. В твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько видов поляризации, которые в сумме определяют величину и ее зависимость от температуры и частоты поля. Конструкционные диэлектрики общего назначения имеют небольшое значение — до . Диэлектрики, которые используются в конденсаторах, должны иметь высокие значения , чтобы увеличить емкость конденсатора. У конденсаторных диэлектриков меняется от до .
Наиболее важными видами поляризации являются электронная, ионная, дипольно — релаксационная и самопроизвольная (спонтанная).
Электронная поляризация вызывается деформацией электронных оболочек атомов. Электроны смещаются почти мгновенно, время установления поляризации ничтожно мало, и поэтому она не зависит от частоты.
Ионная поляризация возникает при упругом смещении ионов на расстояния, не превышающие межионные. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные ионы — в сторону отрицательного. Время установления ионной поляризации очень мало ( ), и также не зависит от частоты.
Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных диэлектриках. Повороты диполей существенно меняют . У неполярных диэлектриков немного больше , у полярных — в несколько раз больше. Повороты диполей при наложении поля и возвращение диполей к неупорядоченному состоянию после снятия поля требуют преодоления некоторого сопротивления молекулярных сил. Эта поляризация появляется и исчезает значительно медленнее электронной или ионной поляризации.
При нагреве диэлектрическая проницаемость изменяется, температурный коэффициент (ТК ) принимает значения от до .Отрицательный ТК имеют диэлектрики с электронной поляризацией, при нагреве увеличивается их объем и соответственно уменьшается плотность зарядов. Диэлектрики с ионной поляризацией имеют положительный ТК . При нагреве поляризация увеличивается вплоть до верхней границы рабочего интервала температур. Это объясняется ослаблением притяжения между ионами и увеличением их смещения. Особенно сильно повышается поляризация, когда ионы начинают смещаться на расстояния больше межионных. В этом случае поляризация зависит от частоты, устанавливается медленно — за и называется ионно-релаксационной.
Изменения дипольно-релаксационной поляризации при нагреве определяются соотношением межмолекулярного притяжения и теплового движения. Ослабление притяжения облегчает ориентацию диполей, а усиление теплового движения ей мешает. В связи с этим поляризация сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается.
Самопроизвольная поляризация наблюдается только у одного класса диэлектриков — сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже определенной температуры, которую называют точкой Кюри, самопроизвольно, без внешних воздействий, возникает поляризация. Объем сегнетоэлектрика разбивается на домены, в каждом из которых вещество сильно поляризовано. В отсутствие поля домены расположены беспорядочно, и суммарная поляризация равна нулю. При наложении поля поляризация увеличивается нелинейно благодаря переориентации поляризации доменов. При циклическом изменении поля от до возникает петля гистерезиса (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость поляризации (а) и диэлектрической проницаемости (б) сегнетоэлектрика от напряженности поля .
Когда напряженность поля возрастает, поляризация достигает насыщения; при этом увеличивается до максимального значения и вновь уменьшается. По аналогии с ферромагнетиками напряженность поля , при которой меняется направление поляризации, называется коэрцитивной силой. Когда , сегнетоэлектрик является мягким; когда , материал жесткий. Известно около сегнетоэлектриков. Они принадлежат к классу активных диэлектриков, которые используются для генерации и преобразования электрических сигналов. Между электрическими, механическими, тепловыми и другими свойствами сегнетоэлектриков существуют нелинейные зависимости. Значения свойств вблизи точки Кюри имеют максимумы или минимумы. В частности, максимальное значение достигается около точки Кюри.
Электропроводимость твердых диэлектриков связана с появлением в них свободных ионов или электронов. Основное значение имеет ионная проводимость, обусловленная примесями.
Электропроводимость диэлектрика подразделяют на объемную (сквозную) и поверхностную. Каждая из них характеризуется своим удельным электрическим сопротивлением — объемным и по поверхностным .
Диэлектрики имеют высокое удельное объемное электрическое сопротивление . При нагреве оно понижается в результате роста подвижности ионов.
Поверхностное электрическое сопротивление зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и состояния его поверхности и влажности среды. Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую пленку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его объемное электрическое сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностного электрического сопротивления поверхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, используя для этого покрытия — лаки и эмали. Поверхностное электрическое сопротивление зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и состояния его поверхности и влажности среды. Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую пленку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его объемное электрическое сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностного электрического сопротивления поверхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, используя для этого покрытия — лаки и эмали.
Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика.
Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока (рис. 2).
Рис. 2. Векторные диаграммы идеального (а) и реального (б) диэлектриков.
У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током и напряжением равен , поэтому активная мощность равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше на угол . Этот угол называют углом диэлектрических потерь. Тангенс угла и диэлектрическая постоянная характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), :
где k — коэффициент; Е — напряженность электрического поля, В/м; f — частота поля, Гц.
Произведение называют коэффициентом диэлектрических потерь. По величине диэлектрики подразделяют на низкочастотные ( ) и высокочастотные ( ). К основным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электропроводимость, ионизация газов в имеющихся порах и неоднородность структуры из-за примесей и включений.
Электрическая прочность характеризуется сопротивлением пробою. Пробой — это необратимое разрушение твердого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств. Электрической прочностью или пробивной напряженностью Епр называется отношение пробивного напряжения Unp к толщине диэлектрика в месте пробоя. Различают три вида пробоя: электрический, тепловой и электромеханический.
Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (за с) под действием поля большой напряженности (свыше 1 000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке.
Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева, причем пробивная напряженность Епр из-за повышения температуры диэлектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура диэлектрика и выше Епр. Тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как при этом возрастают потери) и замедлении теплоотвода.
Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопровождающемся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением его электрической прочности.
По химическому составу диэлектрики разделяют на органические и неорганические. К органическим относятся полимеры, резина, шелк; к неорганическим — слюда, керамика, стекло, ситаллы.
По электрическим свойствам диэлектрики подразделяют на низкочастотные (электротехнические) и высокочастотные (радиотехнические).
Для электроизоляционных материалов решающее значение имеет их нагревостойкость, т.е. способность без ущерба для свойств выдерживать нагрев в течение длительного времени. По нагревостойкости диэлектрики разделяют на семь классов, обозначенных Y, А, Е, В, F, Н, С. В классе Y объединены наименее стойкие целлюлозные, шелковые и полимерные материалы, для них рабочая температура не превышает 90° С. Самыми нагревостойкими являются материалы класса С — слюда, керамика, стекло, ситаллы, а также полиимиды и фторопласт-4. Они выдерживают длительный нагрев 180° С и выше.
Большое влияние на свойства диэлектриков оказывают гигроскопичность и влагопроницаемость. Образование токопроводящих пленок на поверхности и в толще изделий понижает изолирующую способность и может закончиться пробоем. Наиболее гигроскопичны материалы с порами и капиллярами на поверхности — бумага, обычная пористая керамика, слоистые пластики. Проницаемость для водяных паров исключительно важна для пропиточных, заливочных и других защитных материалов. Диаметр молекулы равен всего , и водяной пар проходит сквозь мельчайшие поры. Плотные, непористые материалы не пропускают водяные пары и негигроскопичны. К ним относятся ситаллы, малощелочное стекло, вакуумно-плотная керамика, эпоксидные пластмассы и неполярные полимеры. Для изделий из гигроскопичных диэлектриков используют пропитку, защищают поверхности лаками, глазурью и т.п.
Прочность диэлектриков и особенности их механических свойств являются дополнительным критерием выбора материалов. Керамика, стекло и ситаллы — наиболее прочные диэлектрики. Характерной особенностью этих материалов является хрупкость; их прочности на изгиб. Предел прочности на изгиб равен 30-300 МПа, увеличиваясь до 500 МПа у ряда ситаллов. Для хрупких диэлектриков исключительно важно учитывать тепловое расширение, особенно когда речь идет о работе в условиях быстрых смен температуры или о соединении диэлектриков с металлами. Температурный коэффициент линейного расширения керамики и тугоплавкого стекла не превышают , у легкоплавких стекол он равен , а у ситаллов в зависимости от химического состава — . Особенно велико тепловое тепловое расширение органических диэлектриков, но в пластмассах с неорганическими наполнителями оно примерно такое же, как у металлических сплавов. Кроме того, органические диэлектрики достаточно пластичны, для них термические напряжения не столь опасны.
Стабильность структуры и свойств диэлектриков определяет сроки их эксплуатации. Наибольшую стабильность имеют керамика и ситаллы, в стеклах под влиянием поля мигрируют ионы щелочных металлов и образуются электропроводящие мостики. Добавки РbО и BaO увеличивают стойкость стекла. Против электрохимического пробоя, связанного с миграцией ионов щелочных металлов. Органические диэлектрики разрушаются при комбинированном действии нагрева, окисления на воздухе и ионизации, поэтому их срок службы меньше, чем у керамики или стекла. Большинство пластмасс под действием разрядов обугливается и теряет изолирующую способность. Этого недостатка лишены полистирол, органическое стекло, фторопласты и кремнийорганические пластики. Среди диэлектриков самыми важными являются керамические материалы и особенно сегнетокерамика. Керамика имеет наиболее разнообразные электрические свойства, почти не подвержена старению и устойчива к нагреву.
Установочная керамика применяется для изготовления изоляторов, колодок, плат, каркасов, катушек и т.п. Она должна иметь низкие потери, хорошие электроизоляционные свойства и прочность.
Для работы при низких частотах используют электрофарфор, который дешев и имеет неплохие электрические свойства. Его недостатки — большие потери, резко возрастающие при нагреве выше 200° С, и низкая механическая прочность. Недостатки электрофарфора объясняются действием стекла, которого в нем содержится довольно много.
Основным материалом, используемым для изготовления деталей, предназначенных для работы при высоких частотах, является стеатит, который получают из талька. Стеатиты не содержат вредных примесей, их свойства стабильны до 100° С. Они легко прессуются, при обжиге дают усадку всего 1-2 % и используются для деталей с плотной и пористой структурой и точными размерами. В отличие от других видов керамики стеатит удовлетворительно режется. Недостатки стеатита — растрескивание при быстрых сменах температуры и трудность обжига.
Диэлектрики и их свойства, поляризация и пробивная напряженность диэлектриков
Вещества (тела) с ничтожной электропроводностью называются диэлектриками или изоляторами .
Диэлектрики, или непроводники, представляют большой важный для практических целей класс веществ, применяющихся в электротехнике. Они служат для изоляции электрических цепей, а также для сообщения электрическим устройствам особых свойств, позволяющих более полно использовать объем и вес материалов, из которых они изготовлены.
Диэлектриками могут быть вещества во всех агрегатных состояниях: в газообразном, жидком и твердом. В качестве газообразных диэлектриков в практике используются воздух, углекислота, водород как в нормальном, так и в сжатом состояниях.
Все перечисленные газы имеют практически бесконечно большое сопротивление. Электрические свойства газов изотропны. Из жидких веществ свойствами диэлектрика обладают химически чистая вода, многие органические вещества, естественные и искусственные масла (трансформаторное масло, совол и т. д.).
Жидкие диэлектрики также имеют изотропные свойства. Высокие изоляционные качества этих веществ зависят от чистоты.
Например, изоляционные свойства трансформаторного масла при поглощении из воздуха влаги снижаются. Наиболее широко применяются в практике твердые диэлектрики. К ним относятся вещества неорганического (фарфор, кварц, мрамор, слюда, стекло и т. п.) и органического (бумага, янтарь, резина, различные искусственные органические вещества) происхождения.
Большинство из этих веществ отличаются высокими электрическими и механическими качествами и применяются для изоляции электротехнических устройств, рассчитанных на эксплуатацию внутри помещения и на открытом воздухе.
Ряд веществ сохраняют свои высокие изолирующие свойства не только при нормальной, но и повышенной температуре (кремний, кварц, кремнийорганические соединения). В твердых и жидких диэлектриках имеется некоторое количество свободных электронов, благодаря чему удельное сопротивление хорошего диэлектрика составляет около 10 15 — 10 16 ом х м.
При некоторых условиях в диэлектриках происходит расщепление молекул на ионы (например, под действием высокой температуры или в сильном поле), в этом случае диэлектрики теряют свои изолирующие свойства и становятся проводниками.
Диэлектрики обладают свойством поляризоваться и в них возможно длительное существование электростатического поля.
Отличительной особенностью всех диэлектриков является не только большое сопротивление прохождению электрического тока, определяемое наличием в них небольшого числа электронов, свободно перемещающихся во всем объеме диэлектрика, но и изменение их свойств под действием электрического поля, которое называется поляризацией. Поляризация оказывает большое влияние на электрическое поле в диэлектрике.
Одним из основных примеров применения диэлектриков в электротехнической практике является изоляция элементов электрических устройств от земли и друг от друга, поэтому пробой изоляции нарушает нормальную работу электрических установок, приводит к авариям.
Чтобы избежать этого, при проектировании электрических машин и установок изоляцию отдельных элементов выбирают с таким расчетом, чтобы, с одной стороны, нигде в диэлектриках напряженность поля не превосходила их электрической прочности, и, с другой стороны, чтобы изоляция в отдельных звеньях устройств использовалась возможно более полно (без излишних запасов).
Для этого в первую очередь необходимо знать, как распределяется электрическое поле в устройстве. Тогда подбором соответствующих материалов и их толщины можно удовлетворительно решить указанную выше задачу.
Если электрическое поле создается в вакууме, то величина и направление вектора напряженности поля в данной точке зависят только от величины и места расположения зарядов, создающих поле. Если же поле создается в каком-либо диэлектрике, то в молекулах последнего, происходят физические процессы, оказывающие влияние на электрическое поле.
Под действием сил электрического поля электроны на орбитах смещаются в направлении, противоположном полю. В результате ранее нейтральные молекулы становятся диполями с равными зарядами ядра и электронов на орбитах. Это явление называется поляризацией диэлектрика . При исчезновении поля исчезает и смещение. Молекулы опять становятся электрически нейтральными.
Поляризованные молекулы — диполи создают свое электрическое поле, направление которого противоположно направлению основного (внешнего) поля, поэтому добавочное поле, складываясь с основным, ослабляет его.
Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее получается результирующее поле, тем меньше становится его напряженность в каждой точке при тех же зарядах, создающих основное поле, а следовательно, диэлектрическая проницаемость такого диэлектрика больше.
Если диэлектрик находится в переменном электрическом поле, то смещение электронов становится также переменным. Этот процесс приводит к усилению движения частиц и, следовательно, к нагреванию диэлектрика.
Чем чаще изменяется электрическое поле, тем сильнее нагревается диэлектрик. На практике это явление используется для нагрева влажных материалов с целью их сушки или получения химических реакций, происходящих при повышенной температуре.
Полярные и неполярные диэлектрики
Хотя диэлектрики практически не проводят электричества, тем не менее под действием электрического поля они изменяют свои свойства. В зависимости от строения молекул и характера воздействия на них электрического поля диэлектрики делятся на два вида: неполярные и полярные (с электронной и ориентационной поляризацией).
В неполярных диэлектриках, если они не находятся в электрическом поле, электроны обращаются по орбитам, имеющим центр, совпадающий с центром ядра. Поэтому действие этих электронов можно рассматривать как действие отрицательных зарядов, находящихся в центре ядра. Поскольку в центре ядра сосредоточены и центры действия положительно заряженных частиц — протонов, то во внешнем пространстве атом воспринимается как электрически нейтральный.
При внесении этих веществ в электростатическое поле электроны под влиянием сил поля смещаются и центры действия электронов и протонов не совпадают. Во внешнем пространстве атом в этом случае воспринимается как диполь, т. е. как система двух равных разнозначных точечных зарядов -q и + q, находящихся друг от друга на некотором малом расстоянии а, равном смещению центра орбиты электронов относительно центра ядра.
В такой системе положительный заряд оказывается смещенным в направлении напряженности поля, отрицательный заряд — в противоположном направлении. Чем больше напряженность внешнего поля, тем больше и относительное смещение зарядов в каждой молекуле.
При исчезновении поля электроны возвращаются в исходные состояния движения относительно ядра атома и диэлектрик опять становится нейтральным. Указанное выше изменение свойств диэлектрика под влиянием поля называется электронной поляризацией.
В полярных диэлектриках молекулы представляют собой диполи. Находясь в хаотическом тепловом движении, дипольный момент все время меняет свое положение. Это приводит к компенсации полей диполей отдельных молекул и к тому, что вне диэлектрика, когда внешнего поля нет, макроскопическое поле отсутствует.
При воздействии на эти вещества внешнего электростатического поля диполи будут поворачиваться и располагаться осями вдоль поля. Этому полностью упорядоченному расположению будет препятствовать тепловое движение.
При небольшой напряженности поля происходит лишь поворот диполей на некоторый угол в направлении поля, определяемый равновесием между действием электрического поля и эффектом от теплового движения.
С возрастанием напряженности поля поворот молекул и соответственно степень поляризации возрастают. В таких случаях расстояние а между зарядами диполей определяется средним значением проекций осей диполей на направление напряженности поля. Кроме такого вида поляризации, которая называется ориентационной, в этих диэлектриках возникает также и электронная поляризация, вызываемая смещением зарядов.
Описанные выше картины поляризации являются основными для всех изолирующих веществ: газообразных, жидких и твердых. В жидких и твердых диэлектриках, в которых средние расстояния между молекулами меньше, чем в газах, явление поляризации усложняется, так как кроме смещения центра орбиты электронов относительно ядра или поворота полярных диполей наблюдается еще взаимодействие между молекулами.
Поскольку в массе диэлектрика отдельные атомы и молекулы лишь поляризуются, а не распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы, в каждом элементе объема поляризованного диэлектрика заряды обоих знаков равны. Поэтому диэлектрик во всем своем объеме остается электрически нейтральным.
Исключение представляют заряды полюсов молекул, находящихся у граничных поверхностей диэлектрика. Такие заряды образуют тонкие заряженные слои у этих поверхностей. В однородной среде явление поляризации можно представить как стройное расположение диполей.
Пробивная напряженность диэлектриков
При нормальных условиях диэлектрик обладает незначительной электропроводностью. Это свойство сохраняется, пока напряженность электрического поля не увеличится до некоторого предельного для каждого диэлектрика значения.
В сильном электрическом поле происходит расщепление молекул диэлектрика на ионы и тело, которое в слабом поле было диэлектриком, становится проводником.
Напряженность электрического поля, при которой начинается ионизация молекул диэлектрика, называется пробивной напряженностью (электрической прочностью) диэлектрика .
Величина напряженности электрического поля, которая допускается в диэлектрике при его использовании в электрических установках, называется допустимой напряженностью . Допустимая напряженность обычно в несколько раз меньше пробивной. Отношение пробивной напряженности к допустимой определяет запас прочности . Лучшими непроводниками (диэлектриками) являются вакуум и газы, особенно при высоком давлении.
Пробой происходит различно в газообразных, жидких и твердых веществах и зависит от ряда условий: от однородности диэлектрика, давления, температуры, влажности, толщины диэлектрика и т. д. Поэтому, указывая значение электрической прочности, обычно оговаривают эти условия.
Для материалов, работающих, например, в закрытых помещениях и не подвергающихся атмосферному влиянию, устанавливаются нормальные условия (например, температура +20° С, давление 760 мм). Нормируется также влажность, иногда частота и т. д.
Газы обладают сравнительно низкой электрической прочностью. Так, пробивной градиент воздуха при нормальных условиях составляет 30 кв/см. Преимущество газов заключается в том, что после пробоя быстро восстанавливаются их изолирующие свойства.
Жидкие диэлектрики отличаются несколько более высокой электрической прочностью. Отличительным свойством жидкостей является хороший отвод тепла от нагреваемых при прохождении тока по проводникам устройств. Наличие примесей, в частности воды, значительно снижает электрическую прочность жидких диэлектриков. В жидкостях, как и в газах, восстанавливаются их изолирующие свойства после пробоя.
Твердые диэлектрики представляют обширный класс изоляционных материалов как естественного, так и искусственного происхождения. Эти диэлектрики имеют самые различные электрические и механические свойства.
Применение того или другого материала зависит от требований, предъявляемых к изоляции данной установки и условий ее работы. Большой электрической прочностью отличаются слюда, стекло, парафин, эбонит, а также различные волокнистые и синтетические органические вещества, бакелит, гетинакс и т. п.
Если кроме требования высокого пробивного градиента к материалу предъявляется и требование большой механической прочности (например, в опорных и подвесных изоляторах, для защиты аппаратуры от механических воздействий), широко применяется электротехнический фарфор.
В таблице приведены значения пробивной напряженности (при нормальных условиях и в однородном постоянном ноле) некоторых наиболее распространенных диэлектриков.
Значения пробивной напряженности диэлектриков
| Материал | Пробивная напряженность, кв/мм |
| Бумага, пропитанная парафином | 10,0-25,0 |
| Воздух | 3,0 |
| Масло минеральное | 6,0 -15,0 |
| Мрамор | 3,0 — 4,0 |
| Миканит | 15,0 — 20,0 |
| Электрокартон | 9,0 — 14,0 |
| Слюда | 80,0 — 200,0 |
| Стекло | 10,0 — 40,0 |
| Фарфор | 6,0 — 7,5 |
| Шифер | 1,5 — 3,0 |
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
чем объясняются изолирующие свойства диэлектриков?
Большая ширина запрещенной зоны — у твердых диэлектриков. Поэтому для того, чтоб освободиться, электрону нужно приобрести очень большую энергию (в отличие от полупроводников, у которых ширина этой зоны мала).
Отсутствие подвижных ионов — у диэлектриков- газов и жидкостей, а строго говоря — и у вакуума.
Свободных электронов нет и в электролите, но он ни разу не изолятор, так как есть подвижные ионы.
Остальные ответы
У молекулы диэлектрика нет свободных электронов. Нет и проводимости эл. тока.
Диэлектрики: понятие, формулы, примеры
Диэлектриками являются вещества, не проводящие электрический ток.
При определённых условиях в них все же может возникнуть проводимость. Эти условия являются механическими, тепловыми, или энергетическими. Кроме диэлектриков, вещества также классифицируются на проводники и полупроводники. Чем отличается диэлектрик от полупроводника? Теоретическая разница между этими тремя видами материала следующая, смотрите рисунок ниже:
Определение
Диэлектрические проницаемость — величина, которая характеризует диэлектрические характеристики среды — ее реакция на электрополе.
Формула диэлектрической проницаемости:
В большинстве диодов при очень слабых полях проницаемость диэлектрической проницаемости не зависит ни от поля Е, ни от сильных электрополей, ни от внутриатомных полей, а в некоторых диодах в обычном поле зависимость Д от Е нелинейна.
Также проницаемость диэлектрических зарядов показывает, в какой раз сила F между зарядами электрических зарядов в этой среде ниже их мощности Fo вакуума:
Изолятором диэлектрика является вещество, которое почти не дает электрического тока. В диэлектрике плотность свободного носителя не превышает 108 пк/см3. Основное свойство диэлектриков — его возможность поляризоваться во внешнем электрическом поле. Физический параметр, характеризующий диэлектрическую проницаемость, — диэлектрическая стойкость. Диэлектрические проницаемости могут быть рассеяны. В диэлектрики входят воздух и иные газы, стекла, различных смолов и пластиков. Химическая чистая вода является также диэлектриком.
Для количественной характеристики поляризации диэлектрика служит величина, получившая название вектора поляризации или поляризованности. Вектором поляризации называется дипольный момент единицы объема диэлектрика. Он равен векторной сумме дипольных моментов всех молекул, заключенных в единице объема
Зная вектор поляризации, можно определить плотность поляризационных зарядов и наоборот. Рассмотрим диэлектрик в виде призмы с площадью основания S и длиной l вдоль вектора P.
Свойства изолирующих веществ: физические свойства
К ним относят электроны, плазменные, пироэлектрические, сегментные электролиты, сегментированные электролиты, сегментированные изоляции, релаксаторы и магниты сегментированные. Диэлектрические материалы, одни из самых широко распространенных классов электротехнического оборудования. Необходимость применения свойств данных материалов стало абсолютно необходимым.
Пассивные свойства диэлектриков используют как электроизоляционные материалы для обычного конденсатора. Материалы электроизоляции являются диэлектрическими, не позволяющими выводить из строя электрические цепи или проводящие части устройства, аппараты и приборы от проводящих и непроводящих части от корпуса и земли.
В таких случаях проницаемость диэлектрического материала играет особую роль, или должно быть максимально меньше для того, чтобы в цепи не было паразитных емкостей. Если материал применяется в качестве диэлектрического носителя для конденсаторов с определенным объемом и меньшим размером, то материал должен обладать более высокой диэлектрической постоянной при других равных условиях. Активные управляемые диэлектрики — сегнетоэлектрики, плазмоэлектрики, пироэлектрики, электрические материалы для лазерного излучения и затвора. Материалы, имеющие удельное электрическое сопротивление 10-5 Ом, условно называются проводниками, а диэлектрические материалы — это материалы 108 Ом.
При этом следует учитывать, что постоянное сопротивление лучшего проводника может быть только 10-8 Ом, а лучшие диоды имеют постоянное сопротивление более 1016 Ом. Удельное сжатие полупроводника может быть колебаться в колебаниях от 10 до 108 Ом в соответствии со структурой и составом материала и условиями эксплуатации, а также с точки зрения конструкции и структуры материалов.
Кроме электротехнического материала спрос на диодные материалы растет ежедневно. В связи с этим увеличивается потенциал государственных предприятий промышленности, частных компаний, развивается государственная и негосударственная организация и учреждения. Высокая потребность в диэлектрических материалах также связана с ростом разнообразия электросвязных устройств 1-3.
Технологии используют различные виды диэлектриков, полученные при переработке природных материалов и химикатов. Материалы для электроэнергетики, применяемые в промышленности, могут быть условно классифицированы на:
Оказывается, диэлектрическое действие материалов зависит от расположения атома и молекулы кристаллической решетки. Химические компоненты материала, структура, симметрия и упорядоченность кристаллических решеток определяют и диэлектрическое свойство материала, и зависимость его от внешнего воздействия, в том числе температуры.
Нет времени решать самому?
Наши эксперты помогут!
Нужна помощь
Классификация материалов для диэлектрического питания
В соответствии с этими факторами любая отдельная диэлектрическая жидкость может обладать различными изоляционными свойствами, которые определяют область применения ее. Отметим, что на сегодняшний день не существует одного подхода по оценке материалов с диэлектрическими материалами. В этой статье собрана информация о действующем диэлектрическом материале, проанализированы его плюсы и минусы.
Разработаны структурные схемы для того, чтобы представить классификацию диэлектрического материала. На основе схемы было построено разделение всех видов диэлектрического материала в зависимости от особенностей их изготовления и методов производства.
Если остановиться на наборе материалов для диодов, которые следуют из рисунков, то мы увидим следующее. В промышленности широко используются диэлектрические материалы с органическими или неорганическими элементами. Неорганический химический материал известен как соединение углерода и других элементов. В связи с тем, что углерод имеет повышенную способность образовать химические соединения, его задача состоит в образовании соединений цепных или разветвленных молекул, которые можно образовать только из углеродных атомов или из углеродных атомов с углеродными атомами между ними, а также из углеродных атомов с углеродными атомами.
При развитии электротехнической отрасли параллельно развивалось производство минерального диэлектрического материала. Технология производства минеральных диодов и различных их видов улучшилось так, что эти диоды, благодаря дешевизне и высоким диэлектрическим параметрам, стали превращаться в природные, химические диоды.
В состав минеральных диэлектрических материалов входят:
- Стекло конденсационного стекла, санитарного стекла, лампового стекла, щелочного стекла, не щелочного стекла и других является аморфным веществом, являясь сложной комбинацией различных окислов. Благодаря содержанию в стекле оксидов, таких как SiO2-, CaO-, Al2-O3- и др. диэлектрические качества стекла существенно улучшаются.
- Стекло эмалевое – это материал тонкого слоя, который наносят на металлическую поверхность и другие предметы, чтобы защитить их от ржавчины.
- Материалы для уплотнения – кристаллы с силикатами; — Материалы для уплотнения фарфора, мыльного камня.
- Миканиты.
- Асбестоцементный асбест — название этой группы минералов волокнистого происхождения, являющихся волокнистыми разновидностями минерального хризолита, 3МгО 2СИО2 2Х2О.
Из вышеприведенного краткого обзора диэлектрических изделий становится понятно разнообразие материалов для диэлектрических изделий. Несмотря на такой большой ассортимент доступных материалов, не всегда они могут замениться друг с другом. В большинстве случаев область применения диодов зависит в основном от их невысокой стоимости, простоты применения, физических и иных вторичных свойства.
Кроме электроизоляционных свойств, важную роль играют и механические, и тепловые, и прочие физиологические свойства, в том числе способность материала подвергаться определённой обработке, чтобы получить необходимые продукты, а еще цена, и недостаток материала. Поэтому выбирают различные материалы для различных применений.
Диэлектрические масла на нефтяной основе
В электротехнике наиболее широко применяется жидкое изоляционное масло для трансформаторов силового тока. Оно выполняет две функции: в первую очередь, заполняя поры в волоконно-изоляционных волокнах и замыкания между проводами изоляции, а также между проводами и трансформаторным баком, он существенно повышает электропроводность изоляции, во вторую очередь, повышает рассеяние тепла, которое генерируется потерями обмоток и трансформаторного сердечника.
Только часть силовых и приборных трансформаторов изготавливается без масляного залива и называется «трансформатор сухого типа». Еще одним важным применением трансформатора является масляный выключатель высокой мощности. Эти устройства прерывают электрическую дугу между расходящимся контактом выключателя между расходящимся контактом выключателя на масле или газе под давлением из-за высокого давления дуги, что позволяет канал дуги быстро охлаждаться и гасить дугу, что позволяет канал дуги быстро охлаждаться.
Также трансформаторное масло используют для заполнения масляных шлангов, некоторых типов насосов, реле и других электроинструментов. Трансформаторное и другое нефтяное «минеральное» изоляционное масло получают из сырого нефтяного сырья поэтапно, отделяя определенную фракцию по температуре кипения на каждом этапе, а потом тщательно очищая ее от нестабильных химических примесей с помощью серной кислоты, а потом щелочи, промывая воду и сушку.
Масло трансформатора — это почти бесцветное или темно-желтое жидкое вещество, химическое строение которого состоит из смеси различных углеводов. Масло трансформатора является легкой жидкостью. Электрическая мощность масла является величиной, очень чувствительной к смачиваемости масла. Небольшие количества воды в маслах резко уменьшают его электропроводимость. Это объясняется тем, что около 80 градусов вода гораздо выше чистого масла — около 2 градусов.
В процессе воздействия электрополя и капли жидкости эмульгированной в масле, имеют свойство подтягиваться к местам, где особо высока напряженность электрополя и начинается разложение. Диэлектрическая мощность масла еще сильнее снижается, если кроме воды присутствуют примеси волокна. Волокна из бумаги и хлопка легко проникают влагу масла, а их р значительно возрастает.
Волокна из бумаги и хлопка легко проникают в влагу масла, а их р значительно возрастает. Под воздействием силы поля, смоченные волокон, не только тянутся в область, где сильнее поле, но выравниваются в направлении линии поля, что существенно облегчает прохождение масла.
Кабельные масла используются для производства электрокабельных кабелей, пропитывая изоляцию бумажных кабелей, эти кабели увеличивают их электрический сопротивление и помогают рассеять потери теплой энергии. Кабельные масла бывают различных видов.
Для пропитывания изоляции кабелей на рабочем напряжении до 35кВ в свинцово-алюминиевых кабелях с пропиткой можно использовать масло KM-25 кинематическую вязкость не более 23 мм2 при 1000 С, температуру затвердения не более минус 100 С и температуру охлаждения не более 2200 С. Для увеличения вязкости масла добавляют канифоль и синтетический загуститель.
Синтетические жидкие диэлектрики
Нефть склонна к электрическому старению, то есть может ухудшать свойства под воздействием высоковольтного электрического поля. Для пропитывания конденсаторов, чтобы получить повышенную ёмкость в этих габаритах конденсатора, желательно обладать полярным жидким диэлектриком с более высокой, чем неполярным нефтяным маслом, значением r, синтетическим жидким диэлектриком, по каким-либо свойствам, превосходящим нефтяное электроизоляционное масло. Рассмотрим важнейшие из них.
Хлорированный углеводород получается из различных атомов путем замены в молекуле некоторых и даже всего атома водорода хлорированными атомами. Наиболее распространенным применением являются полярные дифениловые продукты с общим составом S12N10-ncln n, степень их хлорирования — 3-6.
Хлорированный дифенил имеет повышенную степень повышенности в сравнении с неполярным нефтяным маслом. Таким образом, замена масла на хлорированные дифенолы при пропитке конденсатора уменьшает объем конденсатора при той же электроёмкости практически в два раза. Преимущество хлорированного дифенила — его мягкость. Впрочем, у хлорированных дифенилов есть и недостаток. Они очень токсичны и поэтому применение ими для пропитывания конденсаторов в ряде стран запрещено законодательством.
На их электрические свойства очень сильно влияют примеси, их присутствие сказывается на утрате сквозной электрической проводимости при повышенных температурах. Недостаток также заметно снижает их р, следовательно, их емкость, пропитанная хлорированными дифенилами конденсаторами при пониженной температуре.
Хлорсодержащие дифенилы имеют сравнительно высокую вязкость, что в ряде случаев вызывает потребность в разбавлении их более вязким хлорсодержащим углеводородом. Органическая жидкость кремния имеет малую ТГ, низкую гигроскопическую способность и высокую нагревостойкость. Они имеют слабовыраженную зависимость от температуры вязкости. Это жидкость очень дорогая. У фторорганических жидкостей малый тг, незначительно малая гигроскопическая способность и высокий нагревостойкий уровень. Некоторые из фторорганических жидкостей могут длительное время работать в условиях температуры 2000С. Пары каких-то фторорганических веществ обладают высокой электрической прочностью для газовых диэлектриков.
Сравнительно дорогой отечественный полимер октол — смесь изобутильных полимеров и их изомеров с общим составом S4N8 и полученных из газовых нефтепродуктов.
Природные смолы
Канифоль представляет собой хрупкую смолу, полученную из живой природной сосны смолы после того, как ее жидкие составные части отгоняют скипидар. Канифоль — это в основном органические кислоты. Канифоль хорошо растворяется в нефтяном масле, особенно при нагревании и иных углеводородах, растительном масле, спирте, скипидаре и т.д. Температура охлаждения канифоли — 50-700С. На воздухе окисляется канифоль, при этом температура его размягчения уменьшается, растворимость уменьшается.
Растительные масла
Масла растительного происхождения являются вязкими жидкостями, полученными из семян разного растения. Из таких масел особо важны высушенные масла, которые способны под действием температуры, света, контакта с воздухом и прочих факторов перейти в твердое состояние. Тонкий масляный слой, наложенный на поверхность любого материала, высушивается и создает твёрдый, блестящий, прочный к поверхности электроизоляционный слой.
Высыхание масел — это сложный химический процесс, связанный с поглощением маслом какого-то кислорода в воздухе. Скорость высушивания масел возрастает при повышении температуры, освещения и при наличии катализатора химической реакции высушивания – сиккатива. В качестве сополимеров используются свинцовые, кальциевые, кобальтовые и другие соединения.
Отвержденные пленки высыхающего масла в тяжелом углеводороде, таком как трансформаторное масло, даже при нагревании не растворяются, поэтому практически стойки к маслам, а для ароматических углеводородов, таких как бензол, менее устойчивы. При нагревании отверженная пленка не смягчает. Наиболее часто высыхают льняные и тунговые масла.
Масло льна получается золотисто-желтое из семян. Ее плотность 0.9-0.94 Мг/м3, температура застывания примерно 200С. Тунговое деревянное масло получается из семян дерева Тунг, которые разводятся на востоке и на Кавказе, а также из семян дерева Тунг. Тунговые масла не являются пищевыми, даже не являются токсичными. Плотность масла тунги 94 мг/м3, температуры застывания от 0 до +50С.
В отличие от льняного масла, тунга быстрее высыхает. Она даже толстым слоем высыхает равномерно, дает водоотталкивающую пленку, нежели льняной. Масло, высыхая, применяется в электротехнической промышленности для производства электроизоляционных масел, лаков, пропиток дерева, а также для проведения других работ. В последние годы идет тенденция заменить высыхающие масла — синтетическим материалом. Невысокие масла могут быть использованы как жидкие пропитки.
Масло касторовое получают из семян клеща; иногда его используют для пропитывания бумажного конденсатора. Плотность Касторового масла 0.95-0.97 МГм3, застывание от 0.10 до 180С, r равна 4, 0.4.5 при 200С, tg 0.01-0.03, ЕПР 10-15 МВм. Касторовое масло не растворяет бензин, а растворяет этиловый спирт.