63.Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации. Виды поляризации.

Поляризацией диэлектрика называют состояние, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема. Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствии поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков проявляется под действием механических напряжений. Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью. Осуществляется благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных атомов, молекул, ионов, либо ориентации электрических диполей, существовавших в диэлектрике и в отсутствие электрического поля.

Механизмы поляризации диэлектриков

В зависимости от характера химической связи различают следующие 3 основные механизмы поляризации диэлектриков: электронную, ионную и дипольную (ориентационную).

Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и превалирует в кристаллах с ковалентной связью. Под действием внешнего электрического поля P происходит смещение электронов атома относительно его ядра (деформация его электронной оболочки) и возникают индуцированные диполи (рис. 104). Диэлектрические свойства индуцированных диполей относятся к числу резонансных явлений.

Электронный механизм поляризации является наименее инерционным, т.к. масса электрона значительно меньше массы частиц, участвующих в процессе поляризации. Время установления электронной поляризации составляет ≈ 10^-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний.

Ионная поляризация наблюдается в ионных кристаллах и происходит в результате возникновения диполей вследствие относительного смещения (сдвига) положительных и отрицательных ионов под влиянием электрического поля. При этом имеет место также деформация электронных оболочек ионов, что порождает электронную поляризацию. Время установления ионной поляризации примерно на порядок больше ( ≈ 10^-14 с).

Дипольная (ориентационная) поляризация наблюдается в полярных диэлектриках (например, в твердом H₂S ). Существующие в отсутствии электрического поля электрические диполи ориентированы хаотично. При включении поля диполи приобретают преимущественную ориентацию. Этот процесс и называют дипольный или ориентационной поляризацией.

64. Понятие электропроводность диэлектриков, потери в диэлектрике, пробой в диэлктрикеЭлектропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным 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. Основные виды электропроводности диэлектриков1.Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной поляризации. Абсорбционные токи при постоянном напряжении протекают в диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают в течение всего времени нахождения диэлектрика в электрическом поле.

j = j_ск + j_аб.

Ток абсорбции можно определить через ток смещения j_см - скорость изменения вектора электрической индукции D

Сквозной ток определяется переносом (движением) в электрическом поле различных носителей заряда.

2.      Электронная электропроводность характеризуется перемещением электронов под действием поля. Кроме металлов она присутствует у углерода, оксидов металлов, сульфидов и др. веществ, а также у многих полупроводников.

3.      Ионная – обусловлена движением ионов. Наблюдается в растворах и расплавах электролитов – солей, кислот, щелочей, а также во многих диэлектриках. Она подразделяется на собственную и примесную проводимости. Собственная проводимость обусловлена движением ионов, получаемых при диссоциации молекул. Движение ионов в электрическом поле сопровождается электролизом– переносом вещества между электродами и выделением его на электродах. Полярные жидкости диссоциированы в большей степени и имеют большую электропроводность, чем неполярные.

В неполярных и слабополярных жидких диэлектриках (минеральные масла, кремнийорганические жидкости) электропроводность определяется примесями.

4.      Молионная электропроводность – обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами. Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях, суспензиях. Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, например, в маслах, содержащих эмульгированную воду. 

Электропроводность газа, обусловленная действием внешних ионизаторов и исчезающая после прекращения его действия называется несамостоятельной. А электропроводность, обусловленная ударной ионизацией и не исчезающая после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельной. В слабых полях, в которых ударная ионизация отсутствует, самостоятельная электропроводность не наблюдается.

В слабых полях в газах выполняется закон Ома, ток линейно меняется с величиной приложенного напряжения. При более высоких напряженностях электрического поля вплоть до возникновения ударной ионизации наблюдается ток насыщения, величина которого не зависит от величины поля. В полях, величина которых достаточна для ионизации газа при столкновении частиц, наступает пробой газа.

Электропроводность жидких диэлектриков зависит от многих факторов: строения молекул, температуры, наличия примесей, наличия крупных заряженных коллоидных частиц и других факторов.

Электропроводность неполярных жидкостей зависит от наличия диссоциированных примесей и влаги. В полярных жидкостях электропроводность создается кроме примесей диссоциированными ионами самой жидкости. Полярные жидкости обладают повышенной проводимостью по сравнению с неполярными. С повышением диэлектрической проницаемости проводимость возрастает. Очистка жидкостей от примесей уменьшает их проводимость. 

Электропроводность твердых диэлектриков обусловлена, как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов примесей, а у некоторых материалов и наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наблюдается при сильных электрических полях. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы и ионы примесей, а при высоких температурах движутся термически освобождаемые ионы кристаллической решетки. Ионная электропроводность, в отличие от электронной, сопровождается переносомвещества. Физико – механические и химические свойства диэлектриков.При выборе изоляционного материала приходится учитывать не только электрические свойства, но и влажностные, тепловые, химические, механические свойства, химическую стойкость и активность диэлектрика его тропикостойкость и радиационную стойкость.Диэлектрическими потерями называют мощность рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери мощности в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку диэлектрики не являются идеальными и в них всегда присутствует сквозной ток, обусловленный электропроводностью. При постоянном напряжении потери вызываются только одной сквозной проводимостью (объемной и поверхностной), а при переменном напряжении к ним добавляются потери на поляризацию, связанные с преодолением сил внутреннего трения при повороте дипольных молекул диэлектрика. Потери при переменном напряжении всегда больше, чем при постоянном.

Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям подразделяют на четыре основных вида:

1. потери на электропроводность;

2. релаксационные потери;

3.ионизационные потери;

4. резонансные потери 

Пробой диэлектриков, резкое уменьшение электрического сопротивления (увеличение плотности тока j) диэлектрика, наступающее при достижении определённой величины напряжённости приложенного электрического поля Е_пр.

Виды пробоя 1) Электрический пробой – вызывается ударной ионизацией электронами, когда под действием большой напряженности электрического поля из небольшого числа начальных электронов в диэлектрике образуется сильная электронная лавина. 2) Тепловой пробой – если в результате диэлектрических потерь тепла в диэлектрике выделяется больше, чем отводится в результате его охлаждения, то диэлектрик нагревается и в месте наименьшего теплоотвода диэлектрик проплавляется, прожигается, то есть происходит КЗ – пробой. 3) Электрохимический пробой – по каким-либо причинам химический состав и структура диэлектриков медленно меняются так, что пробой может наступить при напряжении меньшем U_пр начального диэлектрика. Смешанные виды пробоя 4) Ионизационный пробой – в твёрдых диэлектриках, в которых есть поры (бумаги, картоны) до пробоя самого диэлектрика начинается ионизация газов (воздуха) в порах. Образующиеся лавины вызывают эрозию стенок пор, химическую реакцию с озоном, нагрев диэлектрика вокруг пор, расширение диэлектрика в результате нагрева – образуются трещины, через них легко в диэлектрик проникает вода, которая уменьшает сопротивление диелектрика и т.д. Изоляционные свойства газообразных и жидких диэлектриков после пробоя восстанавливаются (хотя у жидких диэлектриков после каждого пробоя свойства понемногу ухудшаются), а у твёрдых – нет, остаются следы (также и при поверхностном пробое).

65.Классификация диэлектрических материалов. Газообразные, жидкие, твердые диэлектрические материалы.Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного 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 материалов диэлектрики называют пассивными. Существуют активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения.

Электроизоляционные материалы

Электроизоляционные материалы классифицируются по:

  агрегатному состоянию – газообразные, жидкие, твердые и твердеющие (лаки, компаунды) материалы;

  по химической природе – органические, неорганические, элементоорганические материалы.  

Газообразные диэлектрики

Воздух и газы являются идеальными диэлектриками до процесса их ионизации. При ионизации космической радиацией, нагревом их электроизоляционные свойства резко снижаются.

Электрическая прочность воздуха при нормальном давлении 2,1 МВ/м. Электрическая прочность воздуха заметно зависит от частоты электрического поля. Воздух при высоком давлении превосходит по электрической прочности такие диэлектрики, как фарфор и трансформаторное масло. 

Жидкие диэлектрики подразделяются на 3 группы:

1)     нефтяные масла 2)     синтетические жидкости; 3)     растительные масла.

Жидкие диэлектрики используют для пропитки кабелей высокого напряжения, конденсаторов, для заливки трансформаторов, выключателей и вводов. Кроме этого они выполняют функции теплоносителя в трансформаторах, дугогасителя в выключателях и др.  

Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов парафинового и нафтенового рядов. Они широко применяются в электротехнике в качестве трансформаторного, кабельного и конденсаторного масел. Масло, заполняя промежутки и поры внутри электротехнических установок и изделий, повышает электрическую прочность изоляции и улучшает теплоотвод от изделий.Трансформаторное масло получают из нефти путем перегонки. Кабельное и конденсаторное масла отличаются от трансформаторного более высоким качеством очистки.  

Синтетические жидкие диэлектрики по некоторым свойствам превосходят нефтяные электроизоляционные масла.

Хлорированные углеводороды.Совтол – смесь совола с трихлорбензолом. Используется для изоляции взрывобезопасных трансформаторов. 

Кремнийорганические жидкости. Наибольшее распространение имеют полидиметилсилоксановые, полидиэтилсилоксановые, полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Полисилоксановые жидкости – жидкие кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны), обладают такими ценными свойствами как: высокая нагревостойкость, химическая инертность, низкая гигроскопичность, низкая температура застывания, высокие электрические характеристики в широком интервале частот и температур.

Полидиэтилсилоксаны – получают при гидролизе диэтилдихлорсилана и триэтилхлорсилана. Имеют широкий интервал температур кипения.

Свойства зависят от температуры кипения. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана.

Жидкие полиметилфенилсилоксаны получают гидролизом фенилметилдихлорсиланов и др. Масло вязкое. После обработки NаОН вязкость повышается в 3 раза. Выдерживает нагрев в течение 1000 час до 250 °С. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана.

Фторорганические жидкости

Фторорганические жидкости – С₈F₁₆ – негорючи и взрывобезопасны, высоконагревостойки (200 °С), обладают малой гигроскопичностью. Пары их имеют высокую электрическую прочность. Жидкости имеют низкую вязкость, летучи. Обладают лучшим теплоотводом, чем нефтяные масла и кремнийорганические жидкости.

 Органические полимерные материалыПолиэтилен, представляет собой неполярный полимер линейной структуры. Получается полимеризацией газа этилена С₂Н₄ при высоком давлении (до 300 МПа), либо при низком (до 0,6 МПа). Молекулярная масса полиэтилена высокого давления – 18000 – 40000, низкого – 60000 – 800000.

 Фторопласты. Существует несколько видов фторуглеродных полимеров, которые могут быть полярными и неполярными.

Фторопласт – 4 (политетрафторэтилен) – рыхлый порошок белого цвета.

Молекулы фторопласта имеют симметричное строение. Поэтому фторопласт является неполярным диэлектриком

Фторопласт можно модифицировать, применяя наполнители – стекловолокно, нитрид бора, сажу и др., что дает возможность получать материалы с новыми свойствами и улучшить имеющиеся свойства.

66. Собственные и примесные полупроводники.По значению своего удельного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако деление веществ на группы по их удельным сопротивлениям условно, так как под действием ряда факторов (нагревание, облучение, наличие примесей) удельное сопротивление многих веществ изменяется, причем у полупроводников весьма значительно. Если у металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается, то у полупроводников уменьшается. К полупроводникам относят 12 химических элементов в средней части периодической системы, многие оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества. Наибольшее применение в науке и технике имеют германий и кремний. Различают полупроводники собственные (т.е. беспримесные) и примесные. Примесные делят на донорные и акцепторные. Проводимость собственных полупроводников Рассмотрим механизм на примере кремния. Кремний обладает атомной пространственной решеткой с ковалентным типом связи между атомами. При абсолютных температурах, близких к абсолютному нулю, все связи являются заполненными, т.е. свободных заряженных частиц в кристалле нет. При нагревании или облучении некоторые парноэлектронные связи разрываются, появляются свободные электроны и вакантные места, называемые дырками

У собственных полупроводников число появившихся при разрыве связей электронов и дырок одинаково, т.е. проводимость собственных полупроводников в равной степени обеспечивается свободными электронами и дырками. Проводимость примесных полупроводников Если внедрить в полупроводник примесь с валентностью большей, чем у собственного полупроводника, то образуется донорный полупроводник.(Например, при внедрении в кристалл кремния пятивалентного мышьяка. Один из пяти валентных электронов мышьяка остается свободным). В донорном полупроводнике электроны являются основными, а дырки неосновными носителями заряда. Такие полупроводники называют полупроводниками n- типа, а проводимость электронной. Если внедрять в полупроводник примесь с валентностью меньшей, чем у собственного полупроводника, то образуется акцепторный полупроводник. (Например, при внедрении в кристалл кремния трехвалентного индия. У каждого атома индия не хватает одного электрона для образования парноэлектронной связи с одним из соседних атомов кремния. Каждая из таких незаполненных связей является дыркой). В акцепторных полупроводниках дырки являются основными, а электроны неосновными носителями заряда. Такие полупроводники называются полупроводниками p- типа, а проводимость дырочной.

При очень низких температурах полупроводники являются диэлектриками.