Какие токи протекают в диэлектрике

Токи в диэлектрике

Полный ток J, протекающий через конденсатор, между обкладками которого находится диэлектрик, определяется как:

J =J_c+ J_абс+ J_ск, (1.9)

где J_c – емкостной ток, обусловлен смещением сильно связанных зарядов в процессе электронной и ионной поляризаций;

— J_абс – ток абсорбции, обусловлен смещением слабо связанных зарядов в процессах релаксационных видов поляризации;

— J_ск – ток сквозной проводимости, обусловлен движением свободных зарядов в диэлектрике под действием электрического поля.

Диэлектрические потери

Диэлектрические потери – часть энергии приложенного электрического поля, которая поглощается в диэлектрике. Эта энергия превращается в тепло и нагревает диэлектрик.

Релаксационные виды поляризации сопровождаются нагревом диэлектрика, то есть сопровождаются потерями энергии электрического поля. Упругие виды поляризации не вызывают потерь энергии электрического поля в диэлектрике.

В диэлектриках возникают следующие виды диэлектрических потерь.

Потери на электропроводность – обусловлены током сквозной проводимости, имеют место во всех реальных диэлектриках, в постоянном и переменном электрических полях.

Релаксационные потери – обусловлены релаксационными видами поляризации. Возникают в полярных диэлектриках молекулярного строения, в полярных и неполярных полимерах, в аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой ионов ионных диэлектриках. Имеют место в переменных электрических полях.

Ионизационные потери – обусловлены потерями энергии электрического поля на ионизацию газообразных диэлектриков и газовых включений в жидких и твердых диэлектриках.

Потери на неоднородность структуры – обусловлены миграционной поляризацией.

Резонансные потери — обусловлены резонансной поляризацией.

Тангенс угла диэлектрических потерь

Диэлектрические потери анализируют с помощью эквивалентных схем диэлектрика и векторных диаграмм. Эквивалентаях схема диэлектрика представляет собой последовательно или параллельно соединенные активное сопротивление R и реактивное сопротивление X_с в виде электрической емкости,

На рис.1.1а представлена векторная диаграмма токов в диэлектрике для параллельной эквивалентной схемы замещения (рис.1.1б).

Угол диэлектрических потерь δ – угол, дополняющий до 90 ° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи:

Уровень диэлектрических потерь в диэлектрике оценивают с помощью тангенса угла диэлектрических потерь tg δ. Чем меньше tg δ тем меньше диэлектрические потери и выше качество диэлектрика.

Из векторной диаграммы (рис. 1а) следует:

, (1.11)

где , J_а – активный ток, J_р – реактивный ток, J_аа – активный ток абсорбции, J_ар – реактивный ток абсорбции, J_с – емкостной ток, J_ск – ток сквозной проводимости.

Зависимости e и tgδ от температуры и природы диэлектрика

Твердые диэлектрики молекулярного строения неполярные

Эти диэлектрики (парафин и др.) обладают только электронной поляризацией e невелика (e = 2,0 ÷ 2,5).

При повышении температуры относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков уменьшается (рис. 1.2а), причем, при температурах плавления Т_пл и кипения Т_кип – скачкообразно. Уменьшение e при увеличении температуры объясняется изменением числа поляризуемых молекул (n) в единице объема вещества вследствие его температурного расширения.

Рис. 1.1. Векторная диаграмма токов (а) и параллельная эквивалентная схема замещения (б) диэлектрика:

J – полный ток, J_а – активный ток, J_р – реактивный ток, J_абс – ток абсорбции, J_аа – активный ток абсорбции, J_ар– реактивный ток абсорбции, J_с– емкостной ток, J_ск – ток сквозной проводимости, R — активое сопротивление, X_с— реактивное сопротивление, U – напряжение, φ – угол сдвига фаз, δ – угол диэлектрических потерь

Диэлектрические потери небольшие (tgδ ≈ 10 -4 ) и обусловлены только током сквозной проводимости. При нагревании tgδ незначительно нелинейно увеличивается в связи с увеличением концентрации свободных зарядов (рис. 1.2б).

Твердые диэлектрики молекулярного строения полярные

Диэлектрики этой группы (канифоль и др.) наряду с электронной поляризацией обладают и дипольно-релаксационной. Поэтому диэлектрическая проницаемость у этих диэлектриков имеет более высокие значения, чем у неполярных диэлектриков (e = 3 ÷ 20 и более).

Рис. 1.2. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость (а) и tgδ (б) неполярных диэлектриков молекулярного строения: 1 – потери на электропроводность

Зависимость e(Т) для этой группы диэлектриков приведена на рис.3а. С повышением температуры в результате ослабления межмолекулярных связей увеличивается ориентация диполей в направлении электрического поля, поэтому ε возрастает (рис. 1.3а, участок ab). Однако с повышением температуры возрастает и энергия теплового хаотического движения диполей и выше температуры Т_m дезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при Т > Т_m) ε уменьшается (участок bc).

Диэлектрические потери обусловлены током сквозной проводимости и дипольно-релаксационной поляризацией.

Зависимость изменения tgd от температуры приведена на рис. 1.3б. При увеличении температуры до Т΄_m дипольно-релаксационные потери возрастают в результате ослабления межмолекулярных связей и увеличения ориентация диполей в направлении электрического поля. При этом увеличивается энергия электрического поля, потребляемая на ориентацию диполей, которая расходуется на трение и переходит в тепло (рис. 1.3б, кривая аb). При дальнейшем нагревании в результате роста энергии теплового хаотического движения полярных молекул дипольно-релаксационная поляризация уменьшается; уменьшаются и релаксационные потери (рис. 1.3б, кривая bс).

Дальнейшее увеличение tgd при повышении температуры (рис. 1.3б, участок cd) происходит за счет роста электропроводности диэлектрика.

Рис.1.3. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость и tgδ полярных диэлектриков молекулярного строения: 1 – электронная поляризация, 2 – n(T), 3 – дипольно-релаксационная поляризация, 4 – потери на электропроводность, 5 – дипольно-релаксационные потери

Твердые диэлектрики ионного строения с плотной упаковкой решетки ионами

Для таких диэлектриков (корундовая керамика Al₂О₃, слюда, кварц SiО₂ и др.) характерны электронная и ионная поляризации. Значение ε изменяется в пределах 3 ÷ 10. При нагревании ε возрастает линейно (ТК _ε > 0) (рис. 1.4а). Это связано с ослаблением межионных сил и увеличением смещения ионов относительно друг друга под действием электрического поля.

Диэлектрические потери обусловлены только током сквозной проводимости и имеют небольшие значения (tgδ ≈ 10 -4 ). При повышении температуры потери незначительно возрастают, так как возрастает ток сквозной проводимости ввиду увеличения степени диссоциации примесей и ионизации материала диэлектрика (рис. 1.5, кривая II).

Рис.1.4. Влияние температуры на относительную диэлектрическую проницаемость диэлектриков c плотной (а) и с неплотной (б) упаковкой решетки ионами; составляющие поляризации: 1 – электронная,

2 – ионная, 3 –n(T),4 – ионно-релаксационная поляризация

Твердые диэлектрики ионного строения аморфные и с неплотной упаковкой решетки ионами

Диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков (неорганические стекла, электротехнический фарфор, асбест и др.) увеличивается нелинейно при увеличении температуры за счет увеличения интенсивности ионной и, главным образом, ионно-релаксационной поляризаций (рис. 1.4б). Значение ε изменяется в пределах 4 ÷ 20. По сравнению с диэлектриками с плотной упаковкой решетки ТК _ε для этих диэлектриков имеет более высокие значения.

Диэлектрические потери в этом случае обусловлены током сквозной проводимости и ионно-релаксационной поляризацией (см. рис. 1.5, кривая I). Потери в этих диэлектриках выше, чем в диэлектриках кристаллических с плотной упаковкой решетки ионами (tgδ ≈ 10 -2 ) и сильно зависят от температуры: при нагревании tgδ существенно возрастает.

Рис. 1.5. Зависимости tgδ от температуры диэлектриков ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной (I) и с плотной (II) упаковкой решетки: 1 – потери, обусловленные током проводимости; 2 — потери, обусловленные ионно-релаксационной поляризацией

Неполярные полимеры

Для полимерных неполярных диэлектриков (полиэтилен, полистирол, полипропилен и др.) при Т < Т_с характерна только электронная поляризация (здесь ε = 2÷2,5). С увеличением температуры при Т < Т_с ε слегка уменьшается, так как уменьшается n (рис. 1.6а).

Рис.1.6. Зависимость диэлектрической проницаемости ε неполярного (а)

и полярного (б) полимера от температуры; составляющие поляризации: 1 – электронная, 2 –n(T), 3 – дипольно-сегментальная поляризация,

4 – дипольно-групповая поляризация

При Т > Т_с имеет место дипольно-сегментальная и электронная поляризации. Здесь при нагревании полимера до T_m ε возрастает в результате ослабления межмолекулярных связей и увеличения степени ориентация сегментов макромолекул в направлении электрического поля. Однако с повышением температуры возрастает и энергия теплового хаотического движения сегментов и выше температуры t_m дезориентирующее действие теплового движения начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля. Поэтому при дальнейшем нагревании (при T > T_m) ε уменьшается.

Диэлектрические потери при Т < Т_с имеют небольшую величину (tgδ = 10 -4 ÷ 10 -3 ) и очень слабо зависят от температуры (рис. 1.7а). При нагревании (при Т < Т_с) tgδ незначительно возрастает, так как слегка возрастает ток сквозной проводимости (см. рис. 7а, кривая 1). Кривая зависимости tgδ(Т) при Т > Т_с возрастает и проходит через максимум, обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией. С дальнейшим увеличением температуры tgδ растет вследствие увеличения тока сквозной проводимости.

Рис. 1.7. Зависимость tgd неполярного (а) и полярного полимеров от температуры: 1 – потери, обусловленные током проводимости, 2 — дипольно-сегментальной поляризацией, 3 — дипольно-групповой поляризацией

Полярные полимеры

Для полимерных полярных диэлектриков (полиэтилентерефталат, поливинилхлорид, фторопласт – 3, полиимиды и др.) при Т < Т_с характерны электронная и дипольно-групповая поляризации, а при Т > Т_с — электронная и дипольно-сегментальная (рис. 1.6б). Поэтому ε полярных полимеров больше (ε = 3 ÷ 6 и более), чем у неполярных. При нагревании ε походит через два максимума, один — при Т < Т_с , обусловленный дипольно-групповой поляризацией, и другой — при Т > Т_с , обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией.

Полярные полимеры имеют большие значения tgδ, чем неполярные (tgδ = 10 -3 ÷ 10 -2 и выше). С увеличением температуры tgδ проходит два максимума, обусловленные соответственно дипольно-групповой (при Т < Т_с) и дипольно-сегментальной (при Т > Т_с) поляризациями и далее возрастает вследствие увеличения тока сквозной проводимости (рис. 1.7б).

Электроматериаловедение — Диэлектрики

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ДИЭЛЕКТРИКИ)
ГЛАВА VIII.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
§ 35. Электропроводность диэлектриков

Рис. 47. Пути токов объемной и поверхностной электропроводности в диэлектрике:
1 — диэлектрик, 2 — металлические электроды
Известно, что каждый из материалов, будь то проводник, полупроводник или диэлектрик, проводит электрический ток, т. е. в нем наблюдается явление электропроводности. Следует заметить, что в диэлектриках протекают очень малые токи, если, даже приложить к ним высокое напряжение (от 500 В и выше).
У диэлектриков различают два вида электропроводности: объемную, которая определяется током объемной утечки (рис. 47), и поверхностную, обусловленную током поверхностной утечки Is. Поэтому в диэлектриках различают и два вида удельных сопротивлений — удельное объемное сопротивление р„ и удельное поверхностное сопротивление ps. Удельное объемное сопротивление р„ количественно определяет способность диэлектрика пропускать электрический ток через его объем, а удельное поверхностное сопротивление ps определяет способность пропускать электрический ток /, по поверхности диэлектрика. Удельное объемное сопротивление измеряют в омсантиметрах (ом-см). Удельное поверхностное сопротивление измеряют в омах. Удельное объемное сопротивление может быть положено в основу распределения всех электротехнических материалов на три основные группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.
У проводниковых материалов величина удельного объемного электрического сопротивления: 10—0-ч-10—4 ом-см, у полупроводников: 10-4-М010 ом-см, а у диэлектриков эта характеристика изменяется от 1010 до 1018 ом-см и выше.
При рассмотрении процессов электропроводности диэлектриков пользуются также величиной, обратной удельному сопротивлению, которая называется удельной проводимостью. Удельная проводимость обозначается греческой буквой у (гамма). Удельная объемная проводимость вычисляется по формуле

Удельная поверхностная проводимость

Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц: ионов и электронов. Электроны всегда имеют отрицательный заряд. Ионы же — это атомы, которые потеряли или приобрели некоторое количество электронов. Если атомы потеряли часть электронов, то они становятся положительно заряженными с зарядом, равным сумме утерянных электронов. Если же они приобрели электроны у других атомов, то заряд их отрицателен и равен сумме приобретенных электронов. Эти положительные и отрицательные ионы могут оказаться свободными, т. е. получить способность перемещаться под действием сил электрического поля. Свободные электроны и ионы являются носителями электрического тока в диэлектриках.
Чем больше свободных заряженных частиц в материале, тем большей проводимостью обладает данный материал, и наоборот. Так как проводимость у проводников большая у = 10в-ь 104 ож_1-сж-1, а у диэлектриков весьма малая у= 10-10-и 10-18 ож_1-сж-1, то, очевидно, в проводниках значительно больше свободных заряженных частиц, чем в диэлектриках. Например, стекло, фарфор и другие твердые диэлектрики обладают ионной электропроводностью. В этих диэлектриках частицами, создающими электрический ток, являются положительно и отрицательно заряженные ионы.
Под действием внешнего электрического напряжения положительные ионы будут двигаться к катоду, а отрицательные — к аноду. Дойдя до электрода, ионы нейтрализуются и создают слой отложившегося вещества.
По видам электропроводности диэлектрики делят на две группы: одни обладают преимущественно электронной электропроводностью, а другие — преимущественно ионной электропроводностью.

§ 36. Поляризация диэлектриков

Поляризацией диэлектриков называется процесс упорядочения связанных электрических зарядов внутри диэлектрика под действием приложенного напряжения.
Процесс поляризации можно понять, представив диэлектрик в виде пластины 1, помещенной между двумя металлическими электродами 2, образующими электрический конденсатор (рис. 48).
Если конденсатор подключить к источнику постоянного напряжения, то на его электродах появятся электрические заряды с противоположными знаками (рис. 49). Эти заряды создадут в диэлектрике электрическое поле. Под действием сил этого поля электроны атомов сместятся относительно своих ядер в сторону положительного электрода-анода. Смещенные электроны образуют с положительными зарядами ядер атомов пары связанных друг с другом электрических зарядов. Такие парные заряды (рис. 50), расположенные на расстоянии друг от друга, называются упругими электрическими диполями. Величины этих диполей определяются произведением зарядов смещенных электронов на величину расстояния их от ядра. Произведение это называется электрическим моментом диполя

Рис. 48. Диэлектрик между электродами конденсатора

где q — суммарный электрический заряд смещенных электронов атома.
Образованные электрическим полем в диэлектрике диполи располагаются в виде цепочек, как это показано на рис. 49.
Итак, под действием электрического поля, созданного в диэлектрике приложенным к нему напряжением, атомы становятся электрическими диполями в результате смещения в них электронов.

Рис. 51. Схема твердого электрического диполя

Рис. 49. Электронная поляризация диэлектрика

Рис. 50. Схема возникновения упругого диполя:
1— электронная оболочка, 2 — электронная оболочка, смещенная силами электрического поля

Образование таких диполей происходит мгновенно при приложении электрического напряжения и эти диполи исчезают, если конденсатор отключить от источника напряжения. Поэтому они получили название упругих диполей, а сам процесс их образования — электронной поляризации. Помимо электронной, существуют и другие виды поляризации.
Есть диэлектрики, молекулы которых состоят из положительных и отрицательных ионов.

Положительные и отрицательные ионы образовались в этих молекулах еще до приложения напряжения к диэлектрику. В таких молекулах имеется электрический диполь из ионов. Такой диполь в отличие от упругого называется твердым диполем. На рис. 51 изображен такой твердый диполь в виде пары связанных электрических зарядов — q и +q двух ионов. Электрический момент этого твердого диполя называется начальным электрическим моментом, который обозначается буквой m. Величина его равна произведению заряда иона q на расстояние I между ионами
Направление электрического момента диполя обозначается стрелкой (вектором), направленной от отрицательного иона к положительному, как и в упругом диполе. Молекулы, в составе которых имеются такие твердые диполи, называются полярными или дипольными, а молекулы, не имеющие твердых диполей, нейтральными. Диэлектрики, состоящие из полярных молекул, называются полярными, или дипольными, диэлектриками, а диэлектрики, состоящие из нейтральных молекул, — нейтральными.
Если подвергнуть воздействию электрического поля диэлектрик, имеющий полярные молекулы, то последние повернутся под углом к направлению электрического поля. На рис. 52 большой стрелкой указано направление электрического поля, малыми же стрелками обозначены моменты полярных молекул, которые ориентированы (повернуты) под одним и тем же углом к направлению электрического поля Е. Кроме дипольной поляризации, в полярных диэлектриках наблюдается электронная поляризация.

Рис. 53. Объемнозарядная поляризация диэлектриков

Рис. 54. Домены в сегнетоэлектрике и направления диполей в них

Рис. 55. Схема самопроизвольной поляризации в сегнетоэлектрике:
М- электрический момент домена, Е—напряжен и о с т ь внешнего электри ч е с к о г о поля

Рис. 52. Дипольная поляризация диэлектрика

Во многих диэлектриках могут оказаться в качестве примесей ионы, которые слабо связаны с собственными молекулами диэлектрика. Под действием внешнего электрического поля эти ионы пойдут через весь объем диэлектрика и остановятся вблизи его поверхности у электродов, образуя так называемый объемный заряд (рис. 53). Таким образом, на поверхностях диэлектрика, обращенных к электродам, с течением времени накопятся электрические заряды: у положительного электрода — отрицательные, а у отрицательного электрода—положительные. Этот процесс накопления объемных зарядов — ионов в слое диэлектрика у поверхности электродов называется объемно-зарядной поляризацией (рис. 53).
В некоторых диэлектриках, например керамическом материале— титанате бария (BaTiO3), имеются электрические диполи, обусловленные структурой диэлектрика. Эти диполи в отдельных областях диэлектрика могут быть направлены перпендикулярно друг к другу (рис. 54, а) или противоположна (рис. 54, б) диполям соседней области. Такие области называются доменами.
Домены с одинаково направленными в них диполями существуют без какого-либо внешнего электрического воздействия. Действие же сил электрического поля Е в направлении диполей какого- либо домена обусловливает преимущество этого домена. Он начинает расти вследствие ориентации диполей в соседних доменах в направлении сил электрического поля. В конце концов весь диэлектрик становится поляризованным в этом направлении. Такая поляризация диэлектрика называется спонтанной (самопроизвольной). Она происходит при очень малом напряжении, так как диполи в доменах слабо связаны.
На рис. 55 даны картины последовательного нарастания самопроизвольной поляризации, т. е. ориентации доменов в диэлектрике под действием напряженности внешнего электрического поля. Диэлектрики со слабо связанными диполями получили название сегнетоэлектрики. У этих материалов очень интенсивно развивается процесс спонтанной поляризации.
Итак, под действием сил электрического поля в диэлектрике происходят процессы поляризации. Чем интенсивней поляризуется диэлектрик, тем больше электрическая емкость конденсатора, в котором применен данный диэлектрик.
Емкость плоского конденсатора определяется по формуле
(13)
где S — площадь одного из электродов конденсатора, см2;
h — толщина диэлектрика, см;
еа — абсолютная диэлектрическая проницаемость материала, которая в системе СИ измеряется в фарадах на метр (ф/м).
В формуле (13) применена кратная единица: фарада на сантиметр (ф/см).
Абсолютная диэлектрическая проницаемость еа представляет собой произведение двух величин
(14)
где ео — электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума), измеряемая в ф/м или в кратных единицах ф/см,
е0 — 8,85416- К)-12 ф/м = 8,85416• 10“14 ф/см-е — относительная диэлектрическая проницаемость, величина безразмерная.
Относительная диэлектрическая проницаемость е для разных диэлектриков различна. В дальнейшем мы ее будем именовать диэлектрическая проницаемость материала.
Диэлектрическая проницаемость е вакуума принимается равной единице, у большинства же газов и паров она близка к единице *. Поэтому величину относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика е можно выразить как отношение емкостей конденсаторов, у которых геометрические размеры (h и S) одинаковы, но в конденсаторе емкостью С0 диэлектриком служит вакуум
(15)
* Диэлектрическая проницаемость газов находится в пределах е= 1,00026+1,00058.

Величина диэлектрической проницаемости е количественно определяет свойство диэлектриков поляризоваться и образовывать электрическую емкость, поэтому она является тоже основной характеристикой электроизоляционных материалов.
Самые большие величины диэлектрической проницаемости имеют специальные керамические диэлектрики, у которых значение е может достигать нескольких десятков и даже сотен единиц. Из этих керамических диэлектриков изготовляют малогабаритные конденсаторы.
Диэлектрическая проницаемость у диэлектриков изменяется в зависимости от частоты приложенного переменного напряжения. Эта зависимость замечается в тех диэлектриках, где, кроме электронной поляризации, наблюдаются и другие виды поляризации (дипольная, спонтанная).
Электронная поляризация совершается мгновенно, другие же виды поляризации (дипольная, объемно-зарядная) требуют для своего осуществления некоторого времени. Поскольку электронная поляризация диэлектриков происходит мгновенно (10-15 сек), то диэлектрическая проницаемость нейтральных диэлектриков не зависит от частоты переменного поля (рис. 56).
Дипольная, самопроизвольная и объемно-зарядная поляризации могут происходить в переменных полях до определенной частоты. При очень высоких частотах эти виды поляризации не возникают, так как время одного полупериода очень мало и полярные молекулы (диполи) не могут осуществить свой поворот. Кривая изменения величины е полярного диэлектрика в зависимости от частоты f переменного поля показана на рис. 56. Из рисунка видно, что у полярного диэлектрика диэлектр»ческая проницаемость е уменьшается с ростом частоты переменного пиля в связи с тем, что все большее количество полярных молекул (твердые диполи) не успевают совершить свой поворот под действием сил внешнего электрического поля. При очень высоких частотах (начиная с f\) диэлектрическая проницаемость е полярных диэлектриков определяется только процессом электронной поляризации, так как дипольная поляризация уже не может осуществиться.

Рис. 56. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты на* пряжения:
1 — нейтральный диэлектрик, 2 — полярный диэлектрик

Рис. 57. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры диэлектрика:
1 — нейтральный диэлектрик, 2 — полярный диэлектрик
Величина диэлектрической проницаемости зависит также от температуры диэлектрика. На электронную поляризацию температура оказывает малое влияние (рис. 57).
Некоторое уменьшение диэлектрической проницаемости с нагревом нейтрального диэлектрика объясняется уменьшением плотности вещества, т. е. уменьшением числа молекул в единице объема диэлектрика. Это несколько снижает процесс электронной поляризации, а следовательно, вызывает уменьшение величины е.
В случае дипольных диэлектриков величина диэлектрической проницаемости заметно изменяется с изменением температуры. Например, при низких температурах вязкость жидкого дипольного диэлектрика может быть относительно большой, и полярные молекулы не могут ориентироваться по направлению действия сил электрического поля. С увеличением же температуры вязкость диэлектрика снижается, и полярные молекулы могут осуществить поворот под действием сил электрического поля. При этом диэлектрическая проницаемость е возрастет.
При дальнейшем же повышении температуры тепловая энергия полярных молекул возрастает и поворот их под действием сил электрического поля затрудняется. В результате этого величина диэлектрической проницаемости падает. Этот процесс иллюстрирует кривая 2 на рис. 57. Здесь до температуры t в диэлектрике имеет место только электронная поляризация. Начиная с температуры t и выше, в диэлектрике развивается процесс дипольной поляризации. В связи с этим наблюдается увеличение диэлектрической проницаемости е.
При температуре выше t2 под действием тепловой энергии диполи частично теряют ориентацию, вследствие их усиливающегося беспорядочного теплового движения. Поэтому величина диэлектрической проницаемости полярного диэлектрика е снижается.

Рис. 58. Зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры
У диэлектриков с самопроизвольной поляризацией (сегнетоэлектрики) величина диэлектрической проницаемости с повышением температуры заметно увеличивается. Это объясняется тем, что кристаллическая структура данного диэлектрика при его нагревании переходит, из одной в другую. Температура диэлектрика, при которой совершается переход в другую кристаллическую структуру с одновременным резким возрастанием величины диэлектрической проницаемости, называется температурой Кюри. Такое изменение диэлектрической проницаемости показано на рис. 58. Величина диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика при приближении к температуре Кюри резко возрастает, а за температурой Кюри — резко падает.

§ 37. Потери энергии в диэлектриках

Когда в диэлектрике происходят процессы поляризации, через него протекает электрический ток, вызванный этими процессами, так как при поляризации перемещаются электрические заряды. Ток, сопутствующий электронной поляризации, протекает в очень малые промежутки времени и может считаться мгновенным. Он получил название тока смещения (/0м). Другие же виды поляризации (дипольная, объемно-зарядная) осуществляются в большие промежутки времени. Электрический ток, вызванный этими видами поляризации называется током абсорбции . Кроме этих двух токов, через каждый диэлектрик проходит еще ток проводимости (/Пр). Таким образом, в диэлектрике под действием приложенного напряжения протекает общий ток, состоящий из трех отдельных токов
(16)
Изменение этого тока в зависимости от времени его протекания (т) в диэлектрике (с момента приложения постоянного напряжения) показано на рис. 59.
В первый момент приложения постоянного напряжения величина тока значительно больше, чем спустя некоторое время, когда в диэлектрике остается лишь ток проводимости (/пр). Это объясняется тем, что ток смещения и ток абсорбции быстро прекращаются, так как они были вызваны быстро заканчивающимися поляризациями.
Так обстоит дело при постоянном напряжении, приложенном к диэлектрику.

Рис. 60. Векторная диаграмма тока в диэлектрике, находящемся под переменным напряжением
Если же диэлектрик включить под переменное напряжение, то все эти три тока будут протекать через диэлектрик в течение всего времени, пока он будет находиться под переменным напряжением. Все три тока в диэлектрике можно наглядно изобразить в виде векторной диаграммы, показанной на рис. 60. Здесь напряжение U отложено в виде горизонтально расположенного вектора, ток смещения /СЛ, (как опережающий напряжение па полпериода —90°) изображается вектором, перпендикулярным к вектору напряжения U. Ток абсорбции изображается вектором /абс, который тоже опережает вектор напряжения U, но меньше чем на полпериода (меньше 90°). Ток проводимости /пр совпадает по времени (по фазе) с напряжением U.

Рис. 59. Изменение тока в диэлектрике в зависимости от времени приложения постоянного напряжения
Пользуясь правилом геометрического сложения векторов, сложим три тока, перенося векторы /абс и /пр параллельно самим себе. В результате сложения получим общий ток в диэлектрике в виде вектора 10в (см. рис. 60). Угол между векторами общего тока /0б и напряжения U обозначают греческой буквой ср (фи) и называют углом сдвига фаз. Угол, дополняющий ср до 90°, т. е. угол между вектором тока /о6 и вектором тока смещения /см, обозначают греческой буквой б (дельта). Выясним значение угла б, для чего разложим вектор тока абсорбций на активную и реактивную составляющие тока абсорбции. Сумма активной составляющей тока абсорбции и тока проводимости представляет активную составляющую общего тока
(17)
Сумму токов смещения /см и реактивной составляющей тока абсорбции называют реактивной составляющей /р общего тока /общ, т. е.
(18)
Из электротехники известно, что активная мощность, расходуемая в конденсаторе, т. е. мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, равна произведению напряжения на сумму активных
ТОКОВ /а
(19)
Реактивная же мощность конденсатора равна произведению напряжения на сумму реактивных токов /в
(20)
Из векторной диаграммы токов (см. рис. 59) находим, что отношение
Из этого соотношения следует, что величина активного тока в диэлектрике:
(21)
Реактивный же ток вычисляется по формуле
(22)
где—угловая частота; f — частота переменного тока, Гц.
Подставляя величину реактивного тока Ip — UloC в формулу (21) для подсчета активного тока, получим новое выражение активного тока /а
(23)
Подставив выражение тока /а в формулу (19) для подсчета активной мощности, получаем окончательное выражение ее
(24)
где U — напряжение, а; С — емкость конденсатора, ф\—
угловая частота.
Из этой формулы следует, что при заданной величине напряжения U, его частоте f и емкости С потери энергии в изоляции будут зависеть от значения tg6.
Величина tgfi называется тангенсом угла диэлектрических потерь, так как она определяет величину активной мощности, теряемой в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Эта величина является электрической характеристикой каждого диэлектрика. Для современных электроизоляционных материалов tg 6 находится в пределах от 0,0001 до 0,05. Чем меньше значение tg б, тем лучше диэлектрик, так как в нем будут меньшие потери энергии. Последние же могут вызвать нагрев диэлектрика и преждевременное разрушение его.
Величина tg б, как и величина диэлектрической проницаемости е, зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного к диэлектрику переменного напряжения.
На рис. 61 показана зависимость tg6 от температуры для полярного и нейтрального диэлектриков; С увеличением температуры облегчается поворот полярных молекул (диполей) в результате
снижения вязкости диэлектрика, т. е. ослабления сил взаимодействия между полярными молекулами. На этот поворот все увеличивающегося числа полярных молекул расходуется энергия, и величина tg б возрастает. Достигнув наибольшей величины (точка а на кривой), tg6 начинает уменьшаться, потому что дальнейшее повышение температуры усиливает хаотическое тепловое движение полярных молекул и тем самым затрудняет их поворот в электрическом поле. Поэтому величина tg 6 падает до наименьшей величины

Рис. 61. Зависимость тангенса уг.м диэлектрических потерь от температуры:

Рис. 62. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты переменного напряжения: 1 — нейтральный диэлектрик, 2 — полярный диэлектрик
1 — нейтральный диэлектрик, — полярный диэлектрик
(точка b на кривой). Затем вновь происходит увеличение tg 6, но это уже вызвано увеличением тока проводимости (/Пр) в диэлектрике.
Потери энергии в диэлектрике в этой области температур происходят вследствие увеличения тока проводимости. В нейтральных же диэлектриках с ростом температуры tg 6 все время возрастает (см. рис. 61) в связи с увеличением тока проводимости в нагревающемся диэлектрике.
Зависимость tg б от частоты приложенного переменного напряжения для полярного и нейтрального диэлектриков представлена на рис. 62. В полярном диэлектрике с увеличением частоты нарастают потери энергии в результате того, что диполи чаще вынуждены ориентироваться, и на это будет затрачиваться все большая энергия. Но это происходит лишь до определенной частоты /макс, соответствующей наибольшей величине tg вмакс, после которой диполи уже не успевают следовать за изменением переменного напряжение и потери энергии в диэлектрике уменьшаются. Уменьшение tg б у нейтрального диэлектрика с ростом частоты объясняется уменьшением тока проводимости в диэлектрике, так как ионы не успевают за изменением направления электрического поля. Поэтому величина тока проводимости в диэлектрике с ростом частоты все время уменьшается, а вследствие этого уменьшается и мощность, затрачиваемая в диэлектрике. Это характеризуется уменьшением tgfi (кривая 1 на рис. 62).

§ 38. Пробой диэлектриков

Диэлектрики применяют в качестве электроизоляционных материалов в электрических установках, машинах и аппаратах, где они подвергаются действию высокого напряжения и могут быть разрушены силами электрического поля. Это явление называется пробоем диэлектрика. В результате пробоя диэлектрик становится неспособным удерживать приложенное к нему напряжение, так как в месте пробоя он разрушается и проводит ток.
Свойство диэлектрика выдерживать высокое напряжение количественно выражают напряженностью электрического поля. Величина напряженности электрического поля (EПр), при которой произошел пробой диэлектрика, называется его электрической прочностью. Электрическая прочность диэлектрика определяется отношением напряжения, при котором происходит пробой (пробивное напряжение UПр), к единице толщины (Л) диэлектрика в месте пробоя.
(25)

Рис. 63. Зависимость электрической прочности от температуры диэлектрика при тепловом пробое
Процесс пробоя может произойти в результате нагрева диэлектрика проходящим через него электрическим током, причем сопротивление диэлектрика непрерывно уменьшается. Это уменьшение

Рис. 64. Зависимость электрической прочности диэлектрика от времени воздействия электрического напряжения
сопротивления диэлектрика вызывает увеличение тока, что в свою о«ередь обусловливает повышение его температуры. Электрический ток может достигнуть такой величины, при которой диэлектрик термически разрушается (проплавляется). В этом случае пробой диэлектрика называют тепловым пробоем.
Можно представить пробой диэлектрика и как результат увеличения количества свободных электронов в какой-либо части его объема. Количество свободных электронов с повышением напряженности поля быстро нарастает, и процесс нарастания электронов может закончиться пробоем диэлектрика. Такая форма пробоя называется электрическим пробоем.
Как при тепловом, так и при электрическом пробое в диэлектри-
ке образуется сквозной канал в месте пробоя. Этот канал обладает повышенной проводимостью.

Рис. 65. Зависимость электрической прочности от температуры диэлектрика при электрическом и тепловом пробое
В случае теплового пробоя величина электрической прочности диэлектрика Еир уменьшается с нагревом диэлектрика (рис. 63). Это объясняется тем, что, подогревая диэлектрик, мы облегчаем его тепловое разрушение. Аналогичная кривая наблюдается в случае зависимости этой величины от времени воздействия (т) приложенного напряжения (рис. 64). График на рис. 64 показывает, что с уменьшением напряженности электрического поля требуется большее время для пробоя диэлектрика.
Эту кривую часто называют кривой жизни диэлектрика, так как по ней можно определить время жизни диэлектрика при заданной напряженности электрического поля.
Электрическая прочность Еар диэлектрика в случае электрического пробоя не зависит от температуры, но при более высоких температурах диэлектрика электрический пробой может переходить в тепловой (рис. 65). При этом Епр диэлектрика уменьшается с ростом его температуры.
Итак, основными электрическими характеристиками, которые позволяют оценить электрические свойства электроизоляционных материалов, являются следующие: удельное объемное сопротивление qv, удельная объемная проводимость уи, удельное поверхностное сопротивление qs, удельная поверхностная проводимость у диэлектрическая проницаемость е, тангенс угла диэлектрических потерь tg6, электрическая прочность материала Ещ,.

Токи в диэлектриках

Электропроводность диэлектриков – это состояние вещества, имеющего в наличие заряженные частицы, находящиеся в электрическом поле. Существует три основных вида электропроводности.

Электронная или металлическая электропроводность. Характерна для металлов и большинства твёрдых диэлектриков, носители зарядов – электроны.

Ионная или электролитическая электропроводность. Носители зарядов – ионы, характерный процесс – электролиз, в результате которого получаются новые вещества.

Молионная или электрофоретическая электропроводность. Носители зарядов группы молекул – молионы. Характерна для коллоидных растворов и суспензий. Результатом характерного процесса является изменение концентраций относительных слоёв жидкости.

В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения I_см за время около 10 — 15 с. В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — I_скв. В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции — I_абс, причиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, I_скв устанавливается за время меньшее 1 мин. В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов.

Сквозной ток — I_скв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в таблице свободных носителей заряда различной природы.

В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока I_абс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток I_скв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв, исключая токи абсорбции.

Основными характеристиками электроизоляционных материалов являются удельная объёмная проводимость g _v и удельная поверхностная проводимость g _s. Для их сравнительной оценки пользуются значениями удельного объемного сопротивления r _v и удельного поверхностного сопротивления r_s.

Удельное объемное сопротивления r_v равно объемному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной (рис.1.13).

Удельное поверхностное сопротивление r_s равно сопротивлению прямоугольника, мысленно выделенного из поверхности материала, если ток проходит через него от одной его стороны к противоположной.

где b – расстояние между электродами, a – ширина электродов.

R_s – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной a, отстоящих друг от друга на расстояние b.

Полное сопротивление диэлектрика составит .

Удельная объёмная проводимость .

Удельная поверхностная проводимость .

Электропроводность зависит от состояния вещества (твёрдое, жидкое, газообразное), а также от влажности и температуры окружающей среды, наличия ионизирующего излучения.

Поверхностный ток – ток, обтекающий поверхность образца i_s. Он зависит от чистоты поверхности диэлектрика – загрязнения, влажности, коррозии.

Объемный ток – ток, протекающий внутри диэлектрика по всему объёму i_v. Он зависит от свойств самого диэлектрика.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Диэлектрики

Диэле́ктрики, вещества, плохо проводящие электрический ток . Термин «диэлектрики» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электростатическое поле . При помещении в электрическое поле любого вещества электроны и атомные ядра испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, создавая электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов (поляризация или электрическая проводимость ) преобладает, вещества делят на диэлектрики (все неионизованные газы, некоторые жидкости и твёрдые тела) и проводники (металлы, электролиты , плазма ). Электрическая проводимость диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков лежит в пределах 10 8 –10 17 Ом·см, металлов – 10 –6 –10 –4 Ом·см.

Количественное различие в электрической проводимости диэлектриков и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, в то время как в диэлектриках все электроны связаны (принадлежат отдельным атомам) и электрическое поле их не отрывает, а лишь слегка смещает.

Квантовая теория твёрдого тела объясняет различие электрических свойств металлов и диэлектриков различным распределением электронов по энергетическим уровням. В диэлектриках верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (в металлах он лежит внутри разрешённой зоны), а ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной , преодолеть которую под действием не слишком сильных электрических полей электроны не могут ( зонная теория ). Действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности , которое приводит к поляризации диэлектрика.

Поляризация диэлектриков

Механизмы поляризации диэлектриков зависят от характера химической связи , т. е. распределения электронной плотности в диэлектриках. В ионных кристаллах (например, NaCl \text NaCl ) поляризация является результатом сдвига ионов относительно друг друга (ионная поляризация), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация), т. е. суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, алмаз ), где электронная плотность равномерно распределена между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь. В т. н. полярных диэлектриках (например, твёрдый H 2 S \text_2\text H 2 ​ S ) группы атомов представляют собой электрические диполи , которые ориентированы хаотически в отсутствии электрического поля, а в поле приобретают преимущественную ориентацию. Такая ориентационная поляризация типична для многих жидкостей и газов. Похожий механизм поляризации связан с «перескоком» под действием электрического поля отдельных ионов из одних положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм наблюдается в веществах с водородной связью (например, лёд ), где атомы водорода имеют несколько положений равновесия.

Поляризация диэлектриков характеризуется вектором поляризации P \boldsymbol P , который представляет собой электрический дипольный момент единицы объёма диэлектрика:

P = ∑ i = 1 N P i , \boldsymbol= \sum\limits_^N \boldsymbol_i, P = i = 1 ∑ N ​ P i ​ , где P i \boldsymbol_i P i ​ – дипольные моменты частиц (атомов, ионов, молекул), N \textit N – число частиц в единице объёма. Вектор P \boldsymbol P зависит от напряжённости электрического поля E \boldsymbol E . В слабых полях P = ε 0 ϰ E \boldsymbol=_0\boldsymbol P = ε 0 ​ ϰ E . Коэффициент пропорциональности ϰ \boldsymbol ϰ называется диэлектрической восприимчивостью. Часто вместо вектора P \boldsymbol P используют вектор электрической индукции в системе СИ:

D = ε 0 E + P = ε 0 ε E , ( 1 ) \boldsymbol=_0\boldsymbol+\boldsymbol=_0\boldsymbol, (1) D = ε 0 ​ E + P = ε 0 ​ ε E , ( 1 ) где ε ε – диэлектрическая проницаемость , ε 0 _0 ε 0 ​ – электрическая постоянная . Величины ϰ \boldsymbol ϰ и ε ε – основные характеристики диэлектриков. В анизотропных диэлектриках (например, в некубических кристаллах) направление P \boldsymbol P определяется не только направлением поля E \boldsymbol E , но и направлением осей симметрии кристалла . Поэтому вектор P \boldsymbol P будет составлять различные углы с вектором E \boldsymbol E в зависимости от ориентации E \boldsymbol E по отношению к осям симметрии кристалла. В этом случае вектор D \boldsymbol D будет определяться через вектор E \boldsymbol E с помощью не одной величины ε, а нескольких (в общем случае шести), образующих тензор диэлектрической проницаемости.

Диэлектрики в переменном поле

Если поле E \boldsymbol E изменяется во времени t \text t , то поляризация диэлектриков не успевает следовать за ним, т. к. смещения зарядов не могут происходить мгновенно. Поскольку любое переменное поле можно представить в виде совокупности полей, меняющихся по гармоническому закону , то достаточно изучить поведение диэлектриков в поле E = E 0 s i n ( ω t ) \boldsymbol=_0sin(ωt) E = E 0 ​ s in ( ω t ) , где ω ω – частота переменного поля, E 0 \boldsymbol_0 E 0 ​ – амплитуда напряжённости поля. Под действием этого поля D \boldsymbol D и P \boldsymbol P будут колебаться тоже гармонически и с той же частотой. Однако между колебаниями P \boldsymbol P и E \boldsymbol E появляется разность фаз δ, что вызвано отставанием поляризации P \boldsymbol P от поля E \boldsymbol E . Гармонический закон можно представить в комплексном виде E = E 0 е i ω t \boldsymbol=\boldsymbol_0 E = E 0 ​ е iω t , тогда D = D 0 е i ω t \boldsymbol=\boldsymbol_0 D = D 0 ​ е iω t , причём D 0 = ε ( ω ) E 0 \boldsymbol_0=\boldsymbol_0 D 0 ​ = ε ( ω ) E 0 ​ . Диэлектрическая проницаемость в этом случае является комплексной величиной: ε ( ω ) = ε ′ + i ε ′ ′ \textε(ω)=’+» ε ( ω ) = ε ′ + i ε ′′ ; ε ′ ε ′ и ε ′ ′ ε ′′ зависят от частоты переменного электрического поля ω ω . Абсолютная величина

∣ ε ( ω ) ∣ = ( ε ′ ) 2 + ( ε ′ ′ ) 2 ||= \sqrt[] ∣ ε ( ω ) ∣ = ( ε ′ ) 2 + ( ε ′′ ) 2

​ определяет амплитуду колебания D \boldsymbol D , а отношение ε ′ / ε ′ ′ = t g δ = ε ′ / ε ′′ = t g δ – разность фаз между колебаниями D \boldsymbol D и E \boldsymbol E . Величина δ δ называется углом диэлектрических потерь . В постоянном электрическом поле ω = 0 ω = 0 , ε ′ ′ = 0 ε ′′ = 0 , ε ′ = ε ε ′ = ε .

В переменных электрических полях высоких частот свойства диэлектрики характеризуются показателями преломления n n и поглощения k k (вместо ε ′ ε ′ и ε ′ ′ ε ′′ ). Первый равен отношению скоростей распространения электромагнитных волн в диэлектриках и в вакууме . Показатель поглощения k k характеризует затухание электромагнитных волн в диэлектриках. Величины n n , k k , ε ′ ε ′ и ε ′ ′ ε ′′ связаны соотношением

n + i k = ε ′ + i ε ′ ′ . ( 2 ) += \sqrt[]+>. (2) n + ik = ε ′ + i ε ′′

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля

В ряде твёрдых диэлектриков (пироэлектриках, сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, электретах) поляризация может существовать и без электрического поля, т. е. может быть вызвана другими причинами. Так, в пироэлектриках заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. диэлектрик спонтанно поляризован. Однако поляризация в пироэлектриках проявляется только при изменении температуры, когда компенсирующие поляризацию электрические заряды не успевают перестроиться. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, спонтанная поляризация которых может существенно изменяться под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического поля). В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформации кристалла, что связано с особенностями их кристаллической структуры. Поляризация в отсутствии поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами.

Электрическая проводимость диэлектриков

Электрическая проводимость диэлектриков мала, но всегда отлична от нуля. Подвижными носителями заряда в диэлектриках могут быть электроны и ионы. В обычных условиях электронная проводимость диэлектриков мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость может быть обусловлена перемещением как собственных ионов, так и примесных. Возможность перемещения ионов по кристаллу связана с наличием дефектов в кристаллах . Если, например, в кристалле есть вакансия , то под действием поля соседний ион может занять её, во вновь образовавшуюся вакансию может перейти следующий ион и т. д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов происходит и в результате их перескоков по междоузлиям. С ростом температуры ионная проводимость возрастает. Заметный вклад в электрическую проводимость диэлектриков может вносить поверхностная проводимость ( поверхностные явления ).

Пробой диэлектриков

Плотность электрического тока j j через диэлектрик пропорциональна напряжённости электрического поля E \boldsymbol E (закон Ома): j = σ E =σ\boldsymbol j = σ E , где σ σ – электрическая проводимость диэлектрика. Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом значении E пр \boldsymbol_ E пр ​ наступает электрический пробой диэлектрика. Величина E пр \boldsymbol_ E пр ​ называется электрической прочностью диэлектрика . При пробое почти весь ток течёт по узкому каналу ( шнурование тока ). В этом канале j j достигает больших величин, что может привести к разрушению диэлектрика: образуется сквозное отверстие или диэлектрик проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции; например, в органических диэлектриках осаждается углерод, в ионных кристаллах – металл (металлизация канала) и т. п. Пробою способствуют всегда присутствующие в диэлектрике неоднородности, поскольку в местах неоднородностей поле E \boldsymbol E может локально возрастать.

В твёрдых диэлектриках различают тепловой и электрический пробои. При тепловом пробое с ростом j j растёт количество теплоты, выделяемое в диэлектрике, и, следовательно, температура диэлектрика, что приводит к увеличению числа носителей заряда n n и уменьшению удельного электрического сопротивления ρ ρ . При электрическом пробое с ростом поля возрастает генерация носителей заряда под действием поля и ρ ρ тоже уменьшается.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает E пр \boldsymbol_ E пр ​ . Для чистых однородных жидких диэлектриков E пр \boldsymbol_ E пр ​ близка к E пр \boldsymbol_ E пр ​ твёрдых диэлектриков. Пробой в газе связан с ударной ионизацией и проявляется в виде электрического разряда.

Нелинейные свойства диэлектриков

Линейная зависимость P = ε 0 ϰ E \boldsymbol=_0\boldsymbol P = ε 0 ​ ϰ E справедлива только для полей E \boldsymbol E , значительно меньших внутрикристаллических полей E кр \boldsymbol_ E кр ​ ( E кр \boldsymbol_ E кр ​ порядка 10 8 В/см). Так как E пр ≪ E кр \boldsymbol_≪\boldsymbol_ E пр ​ ≪ E кр ​ , то в большинстве диэлектриков не удаётся наблюдать нелинейную зависимость P ( E ) \boldsymbol P ( E ) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики , в которых в сегнетоэлектрические области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость P ( E ) \boldsymbol P ( E ) . При высоких частотах электрическая прочность диэлектриков повышается, поэтому нелинейные свойства любых диэлектриков проявляются в ВЧ-полях больших амплитуд. В частности, в луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённостью порядка 10 8 В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства диэлектриков, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты ( нелинейная оптика ).

Применение диэлектриков

Диэлектрики используются главным образом как электроизоляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразования механических сигналов (перемещений, деформаций , звуковых колебаний ) в электрические и наоборот (пьезоэлектрический преобразователь); пироэлектрики – как тепловые детекторы различных излучений, особенно ИК-излучения; сегнетоэлектрики , будучи также пьезоэлектриками и пироэлектриками, применяются, кроме того, как конденсаторные материалы (из-за высокой диэлектрической проницаемости), а также как нелинейные элементы и элементы памяти в разнообразных устройствах. Большинство оптических материалов является диэлектриками.

Опубликовано 16 декабря 2022 г. в 21:00 (GMT+3). Последнее обновление 16 декабря 2022 г. в 21:00 (GMT+3). Связаться с редакцией