1.6. Физико-химические характеристики материалов
Водопоглощаемость. Характеризует свойство материала, находящегося во влажной среде, поглощать влагу из среды. Оценивают относительным увеличением -массы образца за 24,48 или более часов.
Влагопроницаемость. Характеризует проницаемость материала для водяных паров. Оценивают количеством влаги, проходящей за единицу времени через участок поверхности материала заданной толщины под действием давления водяных паров,
Тропическая стойкость. Характеризует устойчивость материала к совместному воздействию повышенной температуры, высокой влажности, солнечной радиации, плесени и микроорганизмов, характерных для условий эксплуатации во влажных тропиках. Наиболее тропикостойкими являются материалы неорганического происхождения, а также кремнийорганические и фторорганические диэлектрики.
Радиационная стойкость. Определяет стойкость материала к воздействию ионизирующих излучений. Эти излучения вызывают структурные нарушения в материале, изменяя его первоначальные электрические, механические и физико-химические свойства. Особенно сильное воздействие радиационное излучение оказывает на органические диэлектрики. Однако, при небольших дозах облучения у некоторых диэлектриков (полиэтилен, полипропилен) улучшаются характеристики, что используется при изготовлении изоляционных материалов на базе этих диэлектриков. Радиационную стойкость к каждому типу излучения оценивают по изменению механических и электрических свойств после длительного облучения образцов материала.
Степень подавления радиационного излучения материалом характеризуют слоем десятикратного ослабления. Так, для свинца этот слой составляет 1 мм, для углеродистой стали 12 мм, для бетона 60 мм, а для воды - 150 мм.
2. Электрические процессы в диэлектриках
В диэлектрике, находящемся под напряжением, происходят электрические процессы: поляризация, электропроводимость. При большом напряжении может произойти разрушение диэлектрика - пробой.
2.1. Поляризация диэлектриков
Поляризация диэлектрика - это процесс упорядочения связанных электрических зарядов вещества диэлектрика под воздействием приложенного электрического напряжения. Различают несколько видов поляризации. Рассмотрим основные из них.
Электронная или упругая поляризация. Под действием внешнего электрического поля происходит мгновенное смещение орбит электронов относительно ядра в направлении электрического поля. Как следствие этого в атомах диэлектрика образуются пары электрических зарядов, называемые упругими диполями. Их образование происходит в течение 10-15- 10-16с, т. е. практически мгновенно. Если с диэлектрика снять напряжение упругие диполи так же мгновенно исчезают. Образование диполей называется электронной поляризацией. Внешне она проявляется в виде тока смещения в диэлектрике. Величина диэлектрической проницаемости диэлектрика зависит от степени его поляризации:
= 1 + 4n,
где n - концентрация диполей (атомов) в веществе, - коэффициент поляризуемости, зависящий от структуры вещества.
У так называемых неполярных диэлектриков в исходном состоянии молекула вещества электрически нейтральна, т. к. центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. У этих диэлектриков возможна только упругая поляризация. С увеличением температуры диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков уменьшается за счет объемного расширения материала и уменьшения концентрации атомов.
Полярные диэлектрики состоят из полярных молекул, у которых центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие молекулы обладают электрическим моментом и называются твердым диполем в отличие от упругого диполя, образующегося из нейтральной молекулы под действием приложенного электрического напряжения.
Дипольная
поляризация. Х
арактерна
для полярных диэлектриков. Если к
полярному диэлектрику приложить
электрическое напряжение, то в нем
возникнет два вида поляризации:
электронная и полярная. Сначала происходит
процесс мгновенного смещения электронов
относительно ядер атомов (электронная
поляризация), а затем осуществляется
более замедленный процесс поворота
полярных молекул в направлении
электрического поля. Внешне поворот
полярных молекул проявляется в виде
тока абсорбции. У полярных диэлектриков
значительно больше,
чем у неполярных.
Рис.
2.1.
Зависимость диэлектрической проницаемости
от температуры:
1
- полярный диэлектрик;
2 - неполярный
диэлектрик.
Рис
2.2. Зависимость
диэлектрической проницаемости от
частоты:
I- полярный
диэлектрик;
2 - неполярный
диэлектрик.
Примером неполярных диэлектриков являются полиэтилен, полистирол ( =2,0-2,4), а полярных - бакелит, глифталь ( = 6,0-9,0). С ростом температуры сначала происходит увеличение диэлектрической проницаемости полярного диэлектрика из-за ослабления межмолекулярных сил и облегчения поворота диполей, но при дальнейшем росте температуры хаотичные тепловые колебания молекул становятся настолько большими, что интенсивность поляризации снижается - рис. 2.1.
Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты иллюстрируется на рис. 2.2. Неполярные диэлектрики практически не зависят от частоты приложенного напряжения в широком диапазоне частот.
Полярные диэлектрики при частотах, меньших f, не зависят от частоты в связи с тем, что все полярные молекулы успевают совершить поворот за время периода переменного напряжения. На частотах, выше f, поляризация резко уменьшается, а в области частот более f2 полярная поляризация исчезает вообще.
Ионная поляризация. Существует в ионных кристаллических диэлектриках часто наряду с электронной поляризацией. Под действием электрического напряжения положительные и отрицательные ионы смещаются практически мгновенно, поэтому этот вид поляризации относится к упругой. Поляризация не зависит от частоты напряжения. Общая интенсивность поляризации достаточно велика. Примером диэлектрика с ионной поляризацией может служить радиокерамика, имеющая диэлектрическую проницаемость в пределах 7-12.
Спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Наблюдается в сегнетоэлектриках. Впервые обнаружена у сегнетовой соли, поэтому все диэлектрики, у которых она наблюдается, называются сегнетоэлектриками. В объеме материала сегнетоэлектрика можно выделить отдельные локальные области (домены), внутри которых твердые диполи вещества направлены одинаково, но между собой домены ориентированы хаотично. Общий электрический момент сегнетоэлектрика в исходном состоянии равен нулю.
Если сегнетоэлектрик поместить в электрические поле, в нем начнет развиваться процесс поляризации, вызванный упорядочением доменов. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков велика и может достигать значений 104. Характерным свойством сегнетоэлектриков является резкое возрастание диэлектрической проницаемости при определенной температуре, называемой температурой Кюри. Кроме того, диэлектрическая проницаемость зависит от величины приложенного напряжения, чего не наблюдается у обычных диэлектриков, В области температур, выше температуры Кюри, все особенности сегнетоэлектриков исчезают и они превращаются в обычные диэлектрики. Значение температуры Кюри для титаната бария составляет 80°С.
Все газообразные диэлектрики обладают незначительной поляризацией и их диэлектрическая проницаемость незначительно отличается от 1: гелий - 1,000072, азот -1,00060, воздух - 1,00058. Увеличение давления и влажности газов приводит к росту их диэлектрической проницаемости.
Жидкие диэлектрики могут быть полярные и неполярные. Диэлектрическая проницаемость неполярных жидкостей невелика, например: бензол - 2,18, толуол - 2,29. Она не зависит от частоты напряжения и уменьшается с ростом температуры.
Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей обычно значительно
больше, например: вода - 80. Наблюдается зависимость 6 от температуры и частоты. Широкого применения полярные жидкие диэлектрики не находят, так как обладают достаточно высокой электропроводностью.