5. Диэлектрические материалы

Это материалы, используемые для изоляции токоведущих частей друг от друга, для создания емкостей (конденсаторов) – накопителей заряда, изоляторов для других целей. Это самая обширная группа радиоматериалов.

Они могут быть: газообразными – воздух или другие газы; жидкими – все возможные масла, клеи, лаки; твердыми – керамика, пластмасса, стекло, смола и др., имея широкую запрещенную зону, W_g ≥ 3 эВ, они относятся к неметаллам; обладают большим удельным электрическим сопротивлением (10³…10¹⁶ Ом·м).

По химическому составу диэлектрики разделяют на:

органические – смолы, пластмассы, слоистые пластики, воскообразные, лаки, ткани, фторпласты, эластомеры и др.;

неорганические – керамика, стекла, слюды, сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, фториды, оксиды и др.;

элементоорганические – смолы, пластмассы, эластомеры, масла, клеи и др.

Основные электрические процессы и явления, происходящие в диэлектриках, помещенных в электромагнитное поле, показаны на структурной схеме (рис. 5.1). Там же приводятся типы и виды этих процессов, характеризуемые основными параметрами.

В электрическом поле в диэлектрике происходят следующие основные процессы:

1. поляризация, характеризуемая относительной диэлектрической проницаемостью ε;

2. электропроводность γ (объемная γ_v и поверхностная γ_s), характеризуемая удельным электрическим сопротивлением (объемная γ_v и поверхностная γ_s)

; ; (5. 1)

3. диэлектрические потери, характеризуемые тангенсом угла диэлектрических потерь – tg δ;

4. пробой в электрическом поле, характеризуемый пробивной напряженностью Е_пр.

Рис. 5. 1. Структурная схема диэлектриков

5. 1. Поляризация диэлектриков

Поляризацией диэлектриков называется упорядоченное смещение связанных противоположных зарядов, находящихся в диэлектриках, происходящее под воздействием внешнего электрического поля. В результате этого на противоположных поверхностях диэлектрика, перпендикулярных силовым линиям поля, возникает заряд.

Поляризация характеризуется величиной поляризованности диэлектрика P_D, которая является пределом отношения суммы электрических моментов всех связанных противоположных зарядов m_i, отнесенных к объему диэлектрика V, когда он стремится к нулю:

. (5. 2)

С поляризованностью связана относительная диэлектрическая проница-емость ε, которая показывает во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком C_D больше емкости такого же конденсатора, если между ними его обкладками находится вакуум, С₀:

(5. 3)

Из этого следует, что для вакуума ε = 1, а для любого другого диэлектрика ε > 1. Связь между ε, P_D и напряженностью приложенного электрического поля Е определяется формулой:

(5. 4)

Связь между величиной заряда на поверхности диэлектрика Q, его параметрами и приложенным электрическим полем U

(5. 5)

где ε₀ = 8,85·10^-12 , Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоянная вакуума).

Емкость диэлектрика (5. 6)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

S – площадь меньшего электрода, приложенного к диэлектрику, м²;

d – толщина диэлектрика, м;

Таким образом заряд на диэлектрике (или конденсаторе) зависит от его емкости и приложенного к нему напряжения.

(5. 7)

Абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика равна относительной, умноженной на диэлектрическую постоянную ε₀ вакуума

(5. 8)