5.4. Диэлектрики

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, иолекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров роложительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.

Используемые в качестве изоляционных материелов диэлектрики называют пассивными.Существуют активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения.

По химическому составу их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана и других элементов; неорганические, не содержащие в своем составе углерода.

Из многообразия свойств диэлектриков, определяющих их техническое применение, основными являются: электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.

Электропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называетсясквозным током утечки.В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3…7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.

Для твердых диэлектриков характерной является ионная электропроводность. При нагревании или освещении, действии радиации, сильного электрического поля сначала ионизируются содержащиеся в таких диэлектриках дефекты и примеси. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности диэлектрика.

При более интенсивном воздействии на диэлектрик ионизируются основные частицы материала. Удельная проводимость в этом случае изменяется с ростом температуры с большей скоростью, так как число ионов, образовавшихся при ионизации основных частиц, больше, чем при ионизации дефектов и примесей. Энергия активации основных частиц больше, эта область электропроводности называется высокотемпературной собственной.

Поверхностная электропроводность диэлектриков определяется способностью поверхности материала адсорбировать загрязняющие компоненты, в частности, влагу, содержащуюся в окружающей атмосфере.. Хорошо увлажняются полярные диэлектрики, их называют гидрофильными, в отличие от гидрофобных, которые не смачиваются водой. Гидрофобными являются неполярные диэлектрики. Тонкий слой влаги на поверхности снижает поверхностное сопротивление.

Диэлектрическая проницаемость и поляризованность.На рис.18 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которыхS, а расстояние между нимиh. В конденсаторе (рис.35,а) между электродами вакуум, в конденсаторе (рис.35,б) – диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродахU, то напряженность электрического поляE=U/h. Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядомQ₀(на рис.35,а – квадраты).

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи с электрическим моментом: m=ql, гдеq– суммарный положительны (и численно равный ему отрицательный) заряд частицы, Кл;l– рсстояние между центрами зарядов, плечо диполя, м.

Рис.35

Для компенсации поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q_д. Суммарный полный заряд в конденсаторе с диэлектриком:Q=Q₀+Q_д=ε_rQ₀,

где ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом между электродами:

С₀=Q₀/U.

Емкость этого конденсатора с диэлектриком между электродами:

C=Q/U.

Из этих формул следует, что ε_r = С/С₀– отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости того же конденсатора, где между электродами вакуум.

Емкость плосконо конденсатора: С = ε₀ ε_r S/h, гдеε₀= 8,85·10^-12Ф/м – электрическая постоянная. Произведениеε₀ ε_r=ε, называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Поляризованное состояние диэлектрика характеризуется также электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р (Кл/м²), которая связана с диэлектрической пронициемостью Р =ε₀(ε_r –1)Е. Поляризованность является векторной величиной.

Поляризация диэлектриков.

Принято различать упругую (быструю, нерелаксационную) и неупругую (медленную, релаксационную) поляризации. Упругая поляризация завершается мгновенно за время t, намного меньшее полупериода приложенного напряжения. Поэтому процесс быстрой поляризации создает в диэлектрике только реактивный ток. К таким быстрым поляризациям относятся электронная (завершающаяся за время 10^-16…10^-13с) и ионная упругая (завершающаяся за время 10^-14…10^-13с).

Электронная поляризация.В электрическом поле в атомах, ионах или молекулах деформируются электронные оболочки. Смещение электронов происходит на малые расстояния (10^-13м) в пределах своих атомов и молекул. Такая поляризация происходит у всех атомов и молекул независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации.

Нв рис.36,а схематически изображены деформация в электрическом поле электронной оболочки атома водорода.

Рис.36

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярны. Неполярными диэлектриками являются: газы – гелий, водород, азот, метан; жидкости – бензол, четыреххлористый углерод; твердые – алмаз, полиэтилен, фторопласт-4, парафин.

Значение диэлектрической проницаемости газообразных диэлектриков мало отдичается от 1, а для неполярных жидких и твердых диэлектриков не превышает 2,5. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков с ростом температуры уменьшается незначительно и не изменяется с ростом частоты приложенного напряжения до 10¹²... 10¹³Гц. На рис.37 представлена зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков.

Рис.37

Ионная упругая поляризацияпроисходит в кристаллических диэлектриках, построенных их положительных и отрицательных ионов: в галоидо-щелочных кристаллах, слюде, керамике. В электрическом поле в таких диэлектриках происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе – электронная поляризация. Смещаются друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов, т.е. происходит упругая ионная поляризация (рис.36,б). Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента, увеличивающего поляризованность, а, следовательно, и диэлектрическую проницаемость. Ионная поляризация не зависит от частоты приложенного напряжения до 10¹²– 10¹³Гц. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов с ростом температуры увеличивается, так как тепловое расширение приводит к ослаблению сил связи между ионами и поэтому к увеличению их смещения в электрическом поле.

Неупругие поляризации.

К неупругим относится дипольная поляризация, которая наблюдается в полярных газообразных и жидких диэлектриках. Полярные диэлектрики построены из из полярных молекул, в которых центры положительного и отрицательных зарядов не совпадают. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент). Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH₃, пары воды и спиртов. Полярными жидкостями являются вода, хлорбензолC₆H₅Cl, нитробензолC6H5NO₂. В электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки атомов – происходит электронная поляризация, также происходит и дипольная поляризация (дипольные моменты молекул ориентируются по полю). В твердых полярных диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков – звеньев, сегментов молекул или ориентация отдельных полярных групп молекул.

Для ориентации диполя требуется время, называемое временем релаксации τ, которое прямо пропорционально вязкости диэлектрика и обратно пропорционально температуре. При увеличении температуры вязкость диэлектрика экспоненциально уменьшается, поэтому уменьшается и τ. В этой области температур ε_rс ростом температуры увеличивается (рис. 38,а, участок б-в). Уменьшение ε_r на участке в-г вызывается разориентацией полярных молекул в результате теплового движения; на участке а-б - уменьшением плотности.

Рис.38

Если Т/2 <τ, то электрические моменты полярных молекул не успевают ориентироваться в электрическом поле и дипольная поляризация уменьшается. Поэтому ε_r полярного диэлектрика уменьшается (рис.38,б). В зависимости от строения диэлектрика и внешних условий время релаксацииτдипольной поляризации изменяется в широких пределах (от 10^-8до 10^-1 с). При ориентации в электрическом поле диполи преодолевают межмолекулярные силы взаимодействия, поворачиваются с “трением”; в этой области температур дипольная поляризация происходит с потерями.

Ионно-релаксационная поляризация. Используемые в технике твердые диэлектрики могут иметь неплотную упаковку объема частицами, дефекты кристаллической решетки – вакансии. Перемещение ионов в электрическом поле становится направленным. В результате возникает различие в расположении центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. появляется электрический момент. Такой процесс называетсяионно-релаксационной поляризацией. С ростом температуры увеличивается поляризованность и диэлектрическая проницаемость.

Миграционная поляризация.Электроизоляционные материалы могут быть неоднородными с отличающимися значениями удельной электрической проводимости и диэлектрической проницаемости. Образуются дополнительные заряды на границах блоков, зерен. Могут иметь место такие слабо связанные ионы, которые напрвляются к электродам и там локализуются, в результате около электродов образуется объемный заряд, обусловливающий электрический момент. Такую поляризацию называют объемно-зарядовой или высоковольтной поляризацией. Процессы миграционной поляризации завершаются за 10^-3…1 с.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Доменная поляризация. Сегнетоэлектрики. Характерные для сегнетоэлектриков свойства впервые были обнаружены у сегнетовой соли, поэтому сегнетоэлектриками стали называть вещества, свойства которых подобны свойствам сегнетовой соли.

В сегнетоэлектриках даже в отсутствии электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение частиц – ионов в ионных кристаллах или полярных радикалов молекул, которое приводит к несовпадению положительного и отрицательного зарядов в объеме диэлектрика, то есть поляризации. Такая поляризация называется спонтанной (самопроизвольной). В диэлектрике образуются области - домены. В каждом домене частицы, обусловливающие самопроизвольную поляризацию, смещены в одном направлении. В этом направлении ориентирован и вектор спонтанной поляризованностиP_sдомена. В соседних доменах направлениеP_s может быть противоположным или перпендикулярным (рис.39,а).

Рис.39

В электрическом поле в сегнетоэлектриках происходят упругие электронная и ионная поляризации, а также неупругая доменная. В процессе доменной поляризации векторы Р_sдоменов ориентируются по направлению электрического поля (рис.39,б). Переориентацией направлений Р_s доменов объясняются характерные для сегнетоэлектриков нелинейные свойства: диэлектрический гистерезис и зависимость их диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля (рис.39,в,г). Поляризованность кристалла с ростом напряженности электрического поля увеличивается благодаря ориентации Р_sдоменов и достигает поляризованности насыщения. С уменьшением напряженности при Е = 0 наблюдается остаточная поляризованность, так как сохраняется ориентация доменов. Уменьшить поляризованность до нуля можно приложив к образцу электрическое поле напряженностью Е_с, которое называется коэрцитивной силой.

Для сегнетоэлектриков характерны большая (до нескольких тысяч) диэлектрическая проницаемость и ее резкая зависимость от температуры (рис.39,д). Увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации доменов. Поляризованность диэлектрика, вызванная доменной поляризацией, увеличивается, а диэлектрическая проницаемость достигает максимального значения при температуре точки Кюри. Спонтанная поляризованность при температуре Кюри исчезает, сегнетоэлектрик теряет свои сегнетоэлектрические свойства и переходит в параэлектрическое состояние, при котором сохраняется нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

Удельные диэлектрические потери и угол диэлектрических потерь.

Диэлектрическими потерями называют мощность, поглощаемую диэлектриком под действием приложенного напряжения. Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными по­ляризациями. Если в диэлектрике имеют место газовые включения (поры), то в процессе работы его при высоких напряжениях и вы­соких частотах происходит ионизация газа в порах, что вызывает потери на ионизацию.

При включении на постоянное напряжение конденсатора, меж­ду электродами которого находится диэлектрик, через него проте­кает уменьшающийся со временем ток I=I_абс + Ι_ск(рис. 40, а).

Рис.40

Ток смещения (емкостной ток) I_cвызван смещением электрон­ных оболочек в атомах, ионах и молекулах, т.е. процессом уста­новления быстрых, упругих поляризаций; он спадает в течение 10^-16... 10^-15с, поэтому не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции I_абсобусловлен смеще­нием связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызыва­ет рассеяние энергии в диэлектрике, диэлектрические потери.

Сквозной ток утечки I_ск вызван перемещением свободных заря­дов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем (если не происходит электроочистка диэлектрика или его старение, деградация) и вызывает потери, аналогичные джоулевым потерям в проводниках. Следовательно, при постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т.е. при включении конденсатора.

При переменном напряжении I_абсимеет место, если время релак­сации процесса медленных поляризаций меньше или соизмеримо с полупериодом приложенного напряжения (τ = Т/2).В этом случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике под воздействием на него электрического поля, т.е. диэлектрические потери, обусловливае­мые токамиI_скиI_абс, наблюдаются в течение всего времени воздей­ствия приложенного напряжения.

На векторной диаграмме токов, протекающих через конденса­тор с диэлектриком при переменном напряжении (рис. 23, б),ем­костной токI_cопережает напряжениеUпо фазе на угол 90° и по­этому не создает потерь мощности в диэлектрике. Ток абсорбцииI_абсопределяется поляризациями, процесс установления которых связан с потерями энергии. Поэтому он имеет реактивнуюI_раи ак­тивнуюI_аасоставляющие. Сквозной токI_сксовпадает по фазе с приложенным напряжением. Суммарный токIимеет реактивнуюI_p=I_c+I_paи активнуюI_a=I_аа+I_сксоставляющие и опережает напря­жение на угол φ < 90°. Угол δ дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи, называютуглом диэлектрических потерь.В соответствии с векторной диаг­раммой токов:

tgδ=I_a/I_p,

где tgδ-тангенс угла диэлектрических потерь,который является важным параметром, характеризующим качество диэлектрика при работе на переменном напряжении.

Для диэлектриков, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений, значение tgδне должно превышать 10^-4…10^-3. Мощность диэлектрических потерь: Р_а=UI_a =ωU²Ctgδ. Подставив выражение для емкости плоского конденсатора, и принявS= 1 м²,h= 1 м, получим формулу для расчета удельных диэлектрических потерь (Вт/м²): Р_{а уд} = 5,567 ·10¹¹ Е² ε_rftgδ, где Е – напряженность электрического поля, В/м;ε_rtgδ=ε˝ - коэффициент диэлектрических потерь; 5,567·10^-11ε_rftgδ=σ_а– проводимость диэлектрика при переменном токе частотойf, См/м.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках.В неполярных твердых диэлектриках диэлектрические потери вызваны электро­проводностью, а в полярных - электропроводностью и дипольной поляризацией. Изменениеtgδот температуры и частоты для твердых неполярных и полярных диэлектриков представлены на рис.41.

Рис.41

В процессе тепловой ионной поляризации твердых диэлектри­ков перемещение слабосвязанных ионов в электрическом поле про­исходит с потерями энергии. В некоторых диэлектриках с неплот­ной упаковкой объема частицами, например стеклах, где имеет ме­сто ионно-релаксационная поляризация, также наблюдаются закономерности изменения tgδот температуры и частоты, харак­терные для дипольной поляризации.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках определяются электропроводностью и доменной поляризацией. Изменения tgδот температуры и частоты в этом случае такие же, как и у твердых полярных диэлектриков.

Пробой диэлектриков и электрическая прочность.

Если в ходе повышения приложенного к изоляции напряжения напряженность электрического поля в диэлектрике превышает некоторое крити­ческое значение, то диэлектрик теряет свои электроизолирующие свойства.

Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возраста­ет до 10⁸А/м², а сопротивление диэлектрика уменьшается до тако­го значения, что происходит короткое замыкание электродов. Это явление называютпробоемдиэлектрика. Значение напряжения в момент пробояU_прназываютпробивным напряжением,напряжен­ность электрического поля Е_пр - электрической прочностью.

Если напряжение Uдостигло значенияU_пр,то сквозной ток рез­ко увеличивается даже и тогда, когда напряжение на электродах уменьшается. Это обусловливается тем, что под действи­ем приложенного напряжения в диэлектрике происходят необра­тимые изменения, резко уменьшающие его электрическое сопротивление. Различают следую­щие виды пробоя диэлектриков.

Электрическийпробой - это процесс, в результате которого ди­электрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул. Он вызывается ударной ионизацией электронами.

Электротепловой пробойобусловлен прогрессивно нарастаю­щим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектри­ческих потерь или электропроводности; его часто называюттеп­ловымпробоем.

Тепловой пробой возникает, когда нарушается равновесие меж­ду теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающую среду. Если выделяющаяся теплота боль­ше отводимой, то диэлектрик нагревается, и в местах наихудшего теплоотвода температура возрастает до такого значения, при ко­тором происходит прожог, проплавление, т.е. пробой.

Электрохимический пробой (электрическое старение)обусловлен медленными изменениями химического состава и сруктуры диэлек­трика, которые развиваются под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике или в окружающей диэлек­трик среде. Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях с напряженностью, значительно меньшей, чем электрическая проч­ность диэлектрика.