Диэлектрики

Диэлектрик - вещество, основным свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле.

Диэлектрический материал - материал, предназначенный для использования его диэлектрических свойств.

Электроизоляционный материал - диэлектрический материал, предназначенный для изготовления электрической изоляции.

Поляризация диэлектриков. Диэлектрик в электрическом поле

Поляризация - это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация (поворот) дипольных молекул по отношению к действию внешнего электрического поля.

О явлениях, которые обусловлены поляризацией, можно судить по значениям относительной диэлектрической проницаемости _r и угла (тангенса угла) диэлектрических потерь  (tg).

Угол диэлектрических потерь характеризует поляризацию диэлектрика, которая связана с его нагревом.

Рисунок 6 – Образец твердого диэлектрика с поверхностным I_S и объемным I_V токами утечки

Если к образцу твердого диэлектрика приложить напряжение U, то через него будут протекать токи поверхностной I_S и объемной I_V утечек, приводящие к его нагреву.

  .

Эти токи связаны с величинами удельной поверхностной _S (имеет размерность в системе Си – См (сименс)) и удельной объемной _V проводимостей твердого диэлектрика (имеет размерность в системе СИ – См/м (сименс, деленный на метр).

Удельные поверхностное _S (Ом) и объемное _V (Ом*м) сопротивления можно определить по формулам:

 ;

 .

Диэлектрик может находиться в длительной эксплуатации при значениях напряжения, которые меньше пробивных значений напряжения для него. Если же UU_пр (U_пр- напряжение пробоя) наступит пробой диэлектрика, т.е. полная потеря им диэлектрических свойств.

Способность диэлектрика выдерживать разрушающие действие электрического поля, называется электрической прочностью диэлектрика .

,

где - толщина диэлектрика или расстояние между электродами.

С другой стороны, электрическая прочность диэлектрика – это максимальное значение напряженности электрического поля в момент пробоя. чаще всего измеряется в кВ/мм или МВ/м.

Поляризация диэлектриков. Относительная диэлектрическая проницаемость

Диэлектрик на электрических схемах замещения приводится в виде конденсатора определенной электрической емкости С.

С

Его электрический заряд можно определить по выражению вида:

   ;

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику;

– заряд, который обусловлен системой электродов (предполагается, что между электродами находится вакуум).

– заряд, обусловленный фактическими процессами поляризации диэлектрика.

Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика определяется из соотношения:

  1 .

Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость всегда больше единицы ( > 1), а в вакууме эта величина равна единице ( = 1).

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика создавать электрическую емкость:

  ;

 ,

где – фактическая емкость конденсатора.

– емкость конденсатора той же формы и размеров в вакууме.

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз сила взаимодействия между двумя точечными зарядами меньше чем в вакууме. Это следует из закона Кулона:

 .

Поляризация проявляется как образование индуцированного электрического момента, равного геометрической сумме моментов всех поляризованных молекул, находящихся в определенном объеме диэлектрика.

Поляризованность (Кл/м²) – величина, характеризующая интенсивность поляризации и равная:

 ,

где – объем диэлектрика, ;

– индуцированный электрический момент, .

Для случая плоского конденсатора, который находится в однородном электрическом поле:

 ,  ,

 ,

 .

То есть поляризованность численно равняется величине поверхностной плотности электрически связанных зарядов .

Существуют диэлектрики, у которых зависимость поляризованности в функции напряженности электрического поля Р = f (Е) может носить линейный или нелинейный характер.

У диэлектриков, имеющих линейную зависимость Р = f(Е), поляризованность прямопропорциональна напряженности электрического поля:

 ,

где = электрическая постоянная, = ,

- относительная диэлектрическая восприимчивость,  -1,

– относительная диэлектрическая проницаемость,

Е – напряженность электрического поля,

– абсолютная диэлектрическая восприимчивость.

Электрическое смещение D (Кл/м²), характеризующее интенсивность поляризации линейного диэлектрика:

  = .

Плотность энергии электрического поля (накопленная в заряженном конденсаторе энергия электрического поля, отнесенная к единице объема диэлектрика), находящаяся в определенном объеме диэлектрика, определяется по формуле:

  , [ ].

Для нелинейных диэлектриков (например, сегнетоэлектриков) приведенные выше зависимости не выполняются. В этом случае зависимости электрического смещения в функции напряженности электрического поля D=f(E), полученные экспериментально, выглядят следующим образом.

Рисунок 7

1 – линейные диэлектрики без потерь (Р=0),

2 – линейные диэлектрики с потерями (Р>0),

3 – нелинейные диэлектрики (сегнетоэлектрики) (Р>>0).