Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.pdf
трации и вида примесей, а также от внешних энергетических воздействий (действий теплового, электрического, радиационного полей и других факторов).
Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим
свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно
существование электрического поля.
По агрегатному состоянию электротехнические материалы подразделя-
ются на твердые, жидкие и газообразные.
В электротехнике используют и четвертое состояние вещества — плазму,
возникающую, в частности, при воздействии на газ сильных электрических полей.
Твердые материалы по своей структуре могут быть монокристаллически-
ми, аморфными и смешанными.
Монокристаллы — это однородные анизотропные тела, которые харак-
теризуются правильным порядком в расположении атомов во всем объеме. Они
состоят из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек.
Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся
друг с другом мелких кристаллических зерен (кристаллитов), хаотически ориентированных в разных направлениях. Поликристаллические тела обычно изотропны. Однако если в ориентации кристаллитов создать упорядоченность
(например, механической обработкой), то материал становится анизотропным.
Такие материалы с искусственно созданной анизотропией называют текстурированными материалами.
Аморфные материалы характеризуются отсутствием строго упорядочен-
ного расположения атомов. Аморфные тела — это затвердевшие жидкости, которые образуются за счет понижения температуры при сравнительно быстром
повышении вязкости. При этом затрудняется перемещение молекул, необходимое для формирования и роста кристаллов.
Смешанные (аморфно-кристаллические) материалы — это частично за-
кристаллизованные аморфные вещества. Частично кристаллическую структуру
имеют многие полимеры. Стекла определенных составов при выдержке при повышенных температурах начинают кристаллизоваться. Вследствие образования
мелких кристалликов стекло теряет прозрачность, превращаясь в аморфнокристаллический материал — ситалл.
Основными элементарными частицами, из которых состоят все известные
вещества, являются протоны, нейтроны и электроны. Из протонов и нейтронов
состоят ядра атомов. Электроны заполняют оболочки атомов, компенсируя положительный заряд ядра [3].
11
Газы, жидкости и твердые тела могут состоять из атомов, ионов и моле-
-10
кул. Размеры атомов порядка одного или нескольких ангстрем (1 Е = 10
м),
размеры положительных ионов — атомов, лишенных части электронов, меньше
размеров атомов, и размеры отрицательных ионов, присоединивших дополнительные электроны, больше размеров соответствующих атомов. В зависимости
от строения внешних электронных оболочек, вещества могут образовываться
с помощью различных связей.
Все известные вещества состоят из элементарных частиц: протонов,
нейтронов и электронов. Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, электроны заполняют оболочки атома, комплектуя положительный заряд ядра. В
квантовой механике движение электрона описывается волновой функцией, обладающей в изолированном атоме сферической симметрией, так что заряд
электрона диффузно распределен, образуя радиальное облако.
В веществах объединение нескольких атомов в молекулу достигается
за счет электронов, становящихся общими для всех атомов. При этом плотность
электронного облака между положительно заряженными ядрами становится
наибольшей, что связывает их молекулу — это ковалентная связь. В соответствии с симметричным и асимметричным строением молекулы с ковалентной
связью могут быть нейтральные (рис. 1а) и полярные (дипольными) (рис. 1б).
Если центры положительных и отрицательных зарядов в электрическом поле
совпадают по направлению силовых линий, то молекулы нейтральные. Если
центры зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг
от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными. Эти молекулы характеризуются величиной дипольного момента, равного произведению заряда на расстояние между центрами + и – зарядов [5].
а б
Рис. 1. Типы ковалентной связи
12
На примере молекулы хлора Сl
наблюдается ковалентная связь и у кри-
2
сталлических веществ неорганического происхождения, решетки которых построены из атомов, например, алмаз.
Ионная связь — определяется силами притяжения между положитель-
ными и отрицательными ионами. Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Таковыми являются коллоидные соли щелочных металлов.
В структуре хлорного натрия плотная упаковка ионов (рис. 2а), а у хлорного
цезия — не плотная упаковка (рис. 2б).
а б
Рис. 2. Упаковка ионной связи
Металлическая связь, приводящая также к образованию твердых кристаллических тел. Металлы рассматриваются как системы, построенные из A
ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и удерживающие среду
свободных электронов (рис. 3). Наличие свободных электронов приводит к высокой электропроводности и теплопроводности металла, а также является причиной блеска металла при срезе. Ковкость металла объясняется перемещением
и скольжением отдельных слоев ионов. Некоторые одновалентные металлы
кристаллизуются в гексагональной и кубической решетках.
Рис. 3. Металлическая связь Рис. 4. Связь Ван-дер-Ваальса
13
Наиболее слабой связью является остаточная связь или связь Ван-дерВаальса (рис. 4). Это такие вещества, как парафин, имеющий низкую температуру плавления, с непрочной кристаллической молекулярной решеткой.
Между металлами и веществами с неметаллическим типом связи (неметаллами) существует качественное различие. Это различие выражается в наличии или отсутствии запрещенной зоны на зонных диаграммах. На практике это
приводит к тому, что металлы всегда обладают проводимостью, а для активации проводимости неметаллических материалов требуется приложить энергию
извне. Различие между диэлектриками и полупроводниками носит лишь количественный, довольно условный характер, выражающийся в разной величине
энергии активации ∆W.
14
ГЛАВА 1. ДИЭЛЕКТРИКИ
1
3
2
a
1
3
2
б
1
3
в
1.1. Понятие о диэлектриках. Классификация диэлектриков
Диэлектриком называется вещество, основным электрическим свойством
которого является способность поляризоваться под воздействием электрического поля и в котором возможно существование собственного электростатического поля.
Из определения следует, что основным свойством, диэлектрика, которое
отличает его от остальных электротехнических материалов, является его способность поляризоваться и создавать свое собственное электростатическое поле
под воздействием внешнего электрического поля [11].
Другим весьма важным свойством диэлектриков является их чрезвычайно
малая электропроводность и, соответственно, очень большое удельное сопротивление ρ
V
(ρ
V
> 10
7
Ом ⋅м).
Малая электропроводность диэлектриков хорошо объясняется с помощью
зонной теории строения твердых тел. В соответствии с этой теорией все электроны атомов, находящихся в нормальном не возбужденном состоянии, могут
располагаться на определенных энергетических уровнях, образующих энергетические зоны.
Рис. 1.1. Энергетические диаграммы диэлектриков а,
полупроводников б и проводников в
Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников приведены на рис. 1.1. Как видно из рис. 1.1, у диэлектриков и полупроводников между валентной зоной (3) и зоной проводимости (1) находится запрещенная зона (2), энергетические уровни которой электроны атомов вещества
занимать не могут.
15
Так как зонная теория строения твердых тел связывает электропровод-
ДИЭЛЕКТРИКИ
Критерий классификации
Структура строе-
Изменяемость па-
раметров
Агрегатное со-
стояние
Нейтраль-
Полярные
Активные
Пассивные
Газообразные
Жидкие
Твердые
Твердеющие
ность веществ с наличием электронов в зоне проводимости, то у диэлектриков
и полупроводников электропроводность может возникнуть только в том случае,
если электроны, находящиеся на энергетических уровнях валентной зоны (3),
преодолеют запрещенную зону и перейдут в зону проводимости.
Поскольку ширина запрещенной зоны у диэлектриков велика (∆W ≥ 3 эВ),
то даже энергии сильных электрических полей недостаточно, чтобы перебросить электроны диэлектрика из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому
электропроводность у диэлектриков практически отсутствует.
Ширина запрещенной зоны у полупроводников сравнительно невелика
(0,1 ≤ ∆W ≤ 3 эВ), поэтому может быть преодолена электронами за счет внеш-
них энергетических воздействий. В результате в зоне проводимости появятся
электроны, создающие электронную электропроводность.
В проводниках запрещенная зона вообще отсутствует. Вследствие этого
электроны из валентной зоны свободно переходят в зону проводимости и обусловливают электропроводность проводников.
Все диэлектрики, используемые в технике, можно разделить на ряд групп.
Критерии классификации и группы, на которые подразделяются диэлектрики
в соответствии с этими критериями, приведены на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Классификация диэлектриков
16
К нейтральным относятся диэлектрики, атомы и молекулы которых
0=p
dqp ⋅=
не обладают собственным дипольным электрическим моментом при отсутствии
внешнего электрического поля
Полярными диэлектриками являются диэлектрики, содержащие электрические диполи, способные к ориентации во внешнем электрическом поле.
К ним относятся диэлектрики с ионной структурой строения. Молекула
полярного диэлектрика обладает собственным дипольным электрическим моментом:
где q — электрический заряд иона;
d — расстояние между центрами положительного и отрицательного ионов.
Активными
зовывать или усиливать электрические сигналы в электрической цепи.
Пассивными являются диэлектрики, не обладающие способностью генерировать, преобразовывать и усиливать электрические сигналы. Подавляющее
называются диэлектрики способные генерировать, преобра-
.
,
большинство диэлектриков являются пассивными.
К твердеющим относятся все диэлектрики, которые при изготовлении являются жидкими веществами, а рабочее состояние их — твердое.
1.2. Понятие о поляризации диэлектриков.
Абсолютная, относительная проницаемости и
поляризованность диэлектриков
Поляризацией диэлектриков называется процесс смещения электрических
зарядов диэлектрика на ограниченные расстояния под воздействием внешнего
электрического поля.
Механизм поляризации заключается в следующем. Если на электродах
конденсатора (1) напряжение (U = 0), то электрически заряженные частицы,
имеющиеся внутри диэлектрика (2), расположены таким образом, что электрическое поле внутри диэлектрика отсутствует (рис. 1.3а).
Когда на электроде конденсатора подано напряжение (U ≠ 0), в пространстве между электродами возникает внешнее электрическое поле с напряженностью (рис. 1.3б). Под воздействием поля отрицательные заряды смещаются
в направлении электрода с положительным потенциалом, а положительные —
в сторону электрода с отрицательным потенциалом. В результате такого пере-
17
мещения дипольные электрические моменты заряженных частиц ориентируют-
U=0
1
2
a
+
-
U
б
E
E
B
ся параллельно, и в диэлектрике создается наведенный дипольный момент.
Внутри диэлектрика возникает собственное электростатическое поле с напряженностью.
Таким образом, поляризация приводит к тому, что в диэлектрике возникает наведенный дипольный электрический момент; создается собственное
внутреннее электростатическое поле; запасается электрическая энергия.
Рис. 1.3. Механизм поляризации диэлектрика
Наведенный в результате поляризации диэлектрика электрический заряд
определяется из уравнения:
Q
= Сд·U, (1.1)
д
где Q
— емкость конденсатора с диэлектриком, Ф;
д
U — напряжение на электродах конденсатора, В;
С
— наведенный электрический заряд, Кл.
д
Если имеется конденсатор аналогичной конфигурации и тех же самых
геометрических размеров, между электродами которого находится вакуум, то
наведенный в нем электрический заряд находится из соотношения:
Q
= Св·U, (1.2)
в
где С
— емкость конденсатора с вакуумом между электродами.
в
Величина, значение которой определяется как отношение емкости конденсатора с диэлектриком к емкости аналогичного по конфигурации и геометрическим размерам конденсатора с вакуумом, называется относительной диэлектрической проницаемостью и обозначается:
18
.ε
в
д
C
C
r
=
(1.3)
а
ε
оа
εεε ⋅=
r
о
ε
P
,
∑
=
V
P
P
P
,ε
o
ExP
r
⋅⋅=
→
E
.1ε
rr
x+=
Из равенства (1.3) видно, что относительная диэлектрическая проницаемость характеризует свойство диэлектрика создавать электрическую емкость.
Помимо относительной диэлектрической проницаемости, для оценки
свойства диэлектрика создавать электрическую емкость используется показа-
тель — абсолютная диэлектрическая проницаемость
. Связь между этими
показателями описывается соотношением:
, (1.4)
где
= 8,854 10
-12
Ф/м — электрическая постоянная вакуума.
Степень поляризации диэлектрика оценивается показателем, называемым
поляризованностью диэлектрика
.
Под поляризованностью понимаются наведенный электрический момент,
равный геометрической сумме электрических моментов молекул, поляризованных в единице объема диэлектрика:
(1.5)
где
— электрический момент заряженной частицы, Кл/м;
V — объем диэлектрика, м
3
.
Поляризованность диэлектрика является функцией напряженности электрического поля:
(1.6)
где х
— относительная диэлектрическая восприимчивость;
r
— напряженность внешнего электрического поля.
Диэлектрическая восприимчивость и относительная диэлектрическая
проницаемость связаны между собой соотношением:
(1.7)
19
Из формулы (1.7) видно, что относительная диэлектрическая проницае-
0dqp =⋅=
мость любого диэлектрика всегда больше 1.
Следовательно, если между электродами конденсатора вместо вакуума
поместить диэлектрик, то емкость конденсатора обязательно возрастет.
1.3. Виды поляризации
1.3.1. Электронная поляризация
Электронной называется поляризация, обусловленная упругим смещением и деформацией электронных оболочек относительно ядер в диэлектрике.
Когда внешнее электрическое поле отсутствует, центры положительно
заряженного ядра и электронной оболочки совпадают.
Электрический дипольный момент атома определяется по формуле:
.
Под воздействием внешнего электрического поля происходит деформация электронной оболочки, приводящая к смещению центров этой оболочки
относительно центра ядра атома. В результате атом превращается в электрический диполь, электрический момент которого становится отличным от нуля.
Длительность электронной поляризации составляет 10
-15
— 10
-16
с. В связи с этим принято считать, что она осуществляется практически мгновенно.
Данная поляризация осуществляется без затрат электрической энергии, так как
представляют собой перемещение малоинерционных частиц на ограниченные
расстояния и не приводит к разрушению атомов диэлектрика.
Электронная поляризация относится к числу упругих видов поляризаций.
Зависимости основных показателей диэлектриков, в которых наблюдается только электронная поляризация, от напряженности и частоты электрического поля и температуры приведены на рис. 1.4.
Поляризованность диэлектрика P прямо пропорциональна напряженности
поля E (рис. 1.4а).
Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектриков с электронной поляризацией не зависит от напряженности E и частоты f электрического поля (рис. 1.4б, 1.4г).
20