книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

тате электрический момент в единице объема оказывается отлич­ ным от нуля.

Этот процесс смещения слабосвязанных ионов в их тепловом движении в направлении поля и представляет собой ионно-релак­ сационную поляризацию; она характеризуется поляризованностью Ра.рел- Ионно-релаксационная поляризация также требует

значительного времени для установления. Этот вид поляризации преобладает в неорганическом стекле, керамике с стекловидной фазой и т. п.

Релаксационная поляризация связана с тепловыми колебания­ ми полярных молекул и групп, т. е. перебрасыванием их из одногоположения в другое; эти колебания происходят с запаздыванием по отношению к изменениям поля; эта поляризация поэтому со­ провождается потерями. После снятия внешнего электрического поля поляризованность уменьшается со временем по показатель*

которого после 'снятия внешнего электрического поля поляризо­ ванность уменьшается в е раз. Чем выше температура вещества, тем интенсивнее тепловое движение, тем быстрее снижается поля­ ризованность после снятия поля.

Время релаксации то ориентирующейся частицы уменьшается с ростом абсолютной температуры Т по закону

k=8,63- 10-5 эв/град — постоянная Больцмана.

Вполярном диэлектрике с дипольно-релаксационной поляри­ зацией температурная зависимость е имеет максимум (рис. 2-3). При низких температурах (участок I) время релаксации больше

времени нарастания поля при данной частоте он (точнее чет­

ливаться. Наибольшее значение е получится, когда время релак­ сации снизится до величины того же порядка, что и период коле­ баний

вится меньше периода — , но более интенсивное тепловое движе­

20

диэлектрика. На фоне их беспорядочных тепловых перебросов отно­ сительно слабая связь этих ионов делает •возможными перебросы на значительные, но все же ограниченные расстояния, сравнимые

возникают релаксационные потери. Отличительной особенностью этого процесса является то, что перемещение иона является мест­ ным, локализуется в ограниченном объеме и протекает в течение короткого времени, сравнимого с периодом колебаний.

С ростом температуры tgS также возрастает (рис. 2-3). Характер кривой напоминает первый участок подъема tgo при

дипольно-релаксационных потерях.

С ростом частоты кривые в и tg 3 на участках подъемов сме­ щаются вправо так, как смещались бы их максимумы. Таким образом, для дипольно-релаксационного и ионно-релаксационного процессов закономерности изменения в и tg8 имеют один и тот же характер.

Для диэлектриков с релаксационной поляризацией s состав­ ляет величину 3—15.

Как видно из приведенных зависимостей, тангенс угла потерь может меняться в больших пределах от 10~3 до 0,5 в зависимо­ сти от температуры и частоты.

2-4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ И ПОТЕРИ ПРИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Сегнетоэлектрическая поляризация характеризуется гистере­ зисной зависимостью поляризованное™ от напряженности поля. Значение поляризованное™ зависит от предыстории образца. Если он не был поляризован, то под воздействием поля Реег уве­ личивается по кривой ОАБВ, при уменьшении поля, когда Е = 0, в сегнетоэлектрике сохраняется остаточная поляризованное™ Рг- Чтобы деполяризовать образец, необходимо приложить коэрци­ тивное поле Ес (рис. 2-4). При повышении температуры до неко­

с ферромагнитными материалами называется температурой Кюри. Остаточная поляризованное™ и вообще гистерезисный харак­ тер процесса поляризации объясняется наличием в образце силь­ но поляризованных областей — доменов, самопроизвольная (спон­

(или электрических моментов) доменов Рдом в единице объема равна нулю; это справедливо для неполяризованного («свежего») образца. Если образец поместить в электрическое поле, то его влияние .на различные домены будет неодинаково. Домены, у ко­

32

торых поляризованное™ Рдом направлены параллельно внешнему полю, будут увеличиваться в объеме за счет других, у которых на­ правление Рдом отличается от направления приложенного поля. Это можно представить себе как процесс смещения пограничных слоев, разделяющих соседние домены; это смещение, как показы­ вают исследования, происходит скачкообразно.

В результате такого роста одних доменов и сокращения дру­ гих результирующая суммарная поляризованное™ становится не­ равной нулю. Этому процессу соответствует участок ОАБ. При дальнейшем усилении поля уже начинают поворачиваться век-

Рис. 2-4. Диэлектрический гистерезис (я) и схематическое изображение зародышей доменов (б) в сегнетоэлектрике

торы Рдом и, в конце концов, весь образец становится «однодомен­ ным» (участок БВ). Этому участку соответствует так называемый процесс вращения. Если прикладывается напряжение противопо­

в виде игл в направлении поля до тех пор, пока вектор поляризо­ ванное™ не станет параллельным внешнему полю. В области тем­ ператур ниже 0 диэлектрическая проницаемость будет изменяться с изменением поля. При относительно слабых полях, когда про­ исходят процессы смещения, поляризованное™ Рсег растет бы­ стрее напряженности поля Е\ из формулы (стр. 13) видно, что ве­ личина в должна расти. В сильных полях происходят лишь про­ цессы вращения. Для изменения направления пеляризованностн Рдом целого домена требуется сильное поле, однако общее значение Рсег увеличивается слабо; поэтому Рсег растет медлен­ нее, чем Е, и диэлектрическая проницаемость убывает (рис. 2-5).

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости имеет максимум в точке Кюри (рис. 2-5,6).

23-

По мере приближения температуры к точке Кюри спонтанная

.•поляризованность убывает, но увеличивается ионная поляризованность из-за возможности более легкого смещения ионов, так как в точке Кюри изменяется форма кристаллической решетки и до­ менное строение исчезает, в титанате бария из тетрагональной ре­ шетка переходит в кубическую. При температуре значительно шыше точки Кюри величина е определяется в основном ионной

8 )

Рис. 2-5. Диэлектрическая проницаемость и tg 8 при сегнетоэлектрической поляризации (ВаТЮ3):

яюляризованностью. При возрастании частоты примерно д,о\0&гц

.диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков почти не изме­ няется, a tgS снижается.

Если сегнетоэлектрик подвергнуть действию сильного постоян­ ного электрического поля, то после снятия электрического поля ■он обнаруживает свойства пьезоэлектрика. Поляризованный обра­ зец сегнетоэлектрика позволяет преобразовывать механическую энергию в электрическую и обратно. Сегнетоэлектрическую поля­ ризацию сопровождают значительные диэлектрические потери, ■обусловленные смещением границ между доменами и прораста­ нием зарождающихся доменов при переполяризации. При темпе­ ратурах выше точки Кюри спонтанная поляризация исчезает и

24

tg8 снижается (рис. 2-5,,в). Величина tgS увеличивается при воз­

2-5. ПОТЕРИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ И ИОНИЗАЦИЕЙ

Технические диэлектрики, если они обладают заметной элек­ тропроводностью, обнаруживают потери, обусловленные сквозным, током, т. е. током утечки, наблюдаемым при длительном воздейст­ вии постоянного напряжения. Этот вид потерь именуют потерями от электропроводности. При постоянном напряжении удельные потери от электропроводности можно найти, зная удельную объ­ емную проводимость диэлектрика у

При переменном токе эти потери в твердых и жидких диэлектри­ ках при нормальной температуре обычно незначительны, так как. проводимость при этих условиях мала, а другие виды потерь вы­ ступают на передний план. Если обратиться к удельной проводи­ мости у/ при переменном токе (2-8), то для тангенса угла потерь-

от электропроводности получается выражение

(2-14>

Таким образом с ростом частоты tg В уменьшается. Это вызваноростом реактивного тока (пропорционально частоте) при неизмен­ ном активном. Отношение активного тока к реактивному будет

потери,в диэлектриках возрастают настолько, что обычно преобла­ дают над другими видами потерь.

При нормальной температуре для диэлектриков с потерями от электропроводности (другие вилы потерь отсутствуют) tg 8=10-4.. Так, например, в неполярных органических диэлектриках, не со­ держащих примесей, tg о = 3 -10—4.

• Ионизационные потери возникают при повышенных напряже­ ниях, когда начинается ионизация молекул газа.

В диэлектриках величина напряженности поля у краев электро­

25-

ГЛАВА 3

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

3-1. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

При воздействии сильного электрического поля в изоляции возникают явления, приводящие к образованию канала высокой проводимости, т. е. к пробою диэлектрика. Материал в этом ка­ нале разрушается, диэлектрик теряет изоляционные свойства, при­ чем у твердых диэлектриков после пробоя они уже не восстанав­ ливаются; в жидких и газообразных диэлектриках после снятия напряжения изоляционные свойства восстанавливаются, так как канал, образовавшийся при пробое, заполняется новыми молеку­ лами газа или жидкости. Заметим, однако, что появляющиеся при пробое жидких диэлектриков продукты химических реакций нередко снижают электрические свойства. Электрическую проч­ ность диэлектрика характеризуют напряженностью поля при про­ бое Епр. При однородном поле напряженность поля в случае пло­ ского образца

где Unp — пробивное напряжение, кв,

h — толщина диэлектрика, см (в месте пробоя).

где Di и ственно.

Заметим, что на краях электродов поле искажается и поэтому электрическая прочность будет соответствовать не вполне одно­ родному полю, даже если принимать меры по выравниванию поля.

При неоднородном поле пробой может оказаться локализован­ ным в отдельных областях. Пробой части межэлектродного про-

.28

•странства изоляции называется неполным пробоем. От электриче­ ского пробоя, развивающегося в объеме изоляции, следует отли­ чать явление поверхностного разряда или перекрытия, при кото­ ром канал высокой проводимости образуется вдоль поверхности, отделяющей твердый или жидкий диэлектрик от окружающей

среды.

Исходя из представлений о строении вещества, можно было бы

•ожидать, что пробой наступит тогда, когда напряженность поля

•окажется достаточной для преодоления внутримолекулярных сил, удерживающих заряженные частицы вещества в молекулах или в кристаллической решетке. Однако для вырывания иона из ре­ шетки необходима напряженность поля порядка 105 кв/см, тогда как в действительности пробой начинается при значительно более ■слабых полях. Таким образом, следует искать причины, вызываю­ щие разрушение изоляции при сравнительно низких полях. Ана­ лиз различных закономерностей пробоя изоляционных материа­

его взаимодействие с ядром практически исчезает; при этом воз­ никают независимые частицы: положительный ион и электрон. Пробой диэлектрика вызван в этом случае передачей частицам энергии ионов, электронов и фотонов; при известных условиях возможен также процесс смещения заряженных частиц в диэлек­ трике электрическим полем. Таким образом, пробой, обусловлен­ ный разрывом связей между частицами в результате взаимодейст­ вия с ними ускоренных электрическим полем свободных электро­ нов и ионов пли в результате неупругого смещения связанных зарядов в диэлектрике под действием электрического поля, назы­ вают электрическим пробоем. Для ионизации необходимо сооб­ щить атому энергию, называемую энергией ионизации и часто выражаемую в электрон-вольтах. Один электрон-вольт (эв) — это энергия, затрачиваемая при перемещении электрона вдоль отрез­

то такой атом называют возбужденным. При возврате атома из возбужденного состояния в нормальное происходит излучение, со­ провождаемое выделением энергии; под воздействием этого излу­ чения может прийти в возбужденное состояние соседняя моле­ кула.

Ионизация нейтрального атома или молекулы может происхо­ дить различными путями.

- 29

1