Диэлектрические материалы.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств (большое сопротивление прохождения электрического тока и способность поляризоваться).

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы разделяются на газообразные, жидкие и твёрдые. По происхождению различают диэлектрические материалы природные, которые могут быть использованы без химической переработки, искусственные, изготавливаемые химической переработкой природного сырья, и синтетические, получаемые в ходе химического синтеза.

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, железа и других элементов; неорганические, не содержащие в своём составе углерода.

Поляризация — это такое явление, когда под действием внешнего электрического поля происходит ограниченное смещение связанных заряженных частиц и некоторое упорядочение в расположении ди­полей, совершающих хаотическое тепловое движение, в результате чего в диэлектрике образуется результирующий электрический ди­польный момент.

В поляризованном диэлектрике связанные разноименно заря­женные частицы после смещения из своих равновесных положений на ограниченные расстояния остаются в поле взаимодействия друг с другом. Возникающие при этом в каждом микрообъеме заряды на­зывают связанными зарядами; это заряды самого диэлектрика, они являются неотъемлемой его частью.

При поляризации каждый микрообъем диэлектрика, занимаемый поляризуемой частицей, приобретает ин­дуцированный электрический дипольный момент р₀.

Индуцированный дипольный момент р₀, измеряемый в Кл*м, ка­ждого микрообъема диэлектрика пропорционален напряженности электрического поля Е, действующего на этот микрообъем (локаль­ное поле):

p₀ =α*Е

где α — коэффициент пропорциональности (поляризуемости) дан­ного микрообъема (данной частицы).

Поляризуемость α — важнейший микроскопический электрический параметр диэлектрика. У изотропных диэлектриков α является скалярной величиной.

В ряде случаев используют геометрическую поляризуемость β, являющуюся отно­шением поляризуемости α к электрической постоянной ε₀ (ε₀ = 8.854* 10 ^-12Ф/м):

Количественной мерой поляризации единицы объема диэлектри­ка служит поляризованность Р, являющаяся векторной суммой инду­цированных дипольных моментов р₀ всех (п) частиц (микрообъемов) диэлектрика:

Р = Σp₀=n*p₀=n*α*E (1)

Направление век­тора Р совпадает с направлением дипольного момента частиц: от от­рицательного заряда — к положительному.

У большинства изотропных диэлектриков (исключение составля­ют сегнетоэлектрики) в области слабых электрических полей поля­ризованность Р линейно зависит от напряженности электрического поля Е, действующего в диэлектрике:

P=(ε-1)*ε₀*Е. (2)

Формула (1) выражает зависимость макроскопического электри­ческого параметра Р диэлектрика от его микроскопического парамет­ра р₀ (α и п), а формула (2) — зависимость макроскопического пара­метра Р от макроскопических же параметров Е и ε.

Виды поляризации. В зависимости от строения диэлектрика различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную, ионно-релак-сационную, дипольно-релаксационную, миграционную, электронно-релаксационную, самопроизвольную (спонтанную), резонансную.

Все частицы диэлектрика, способ­ные смещаться (заряженные частицы) или ориентироваться (диполи) под действием внешнего электрического поля, вызывая при этом по­ляризацию, можно объединить в две группы: упруго (сильно) связан­ные и слабо связанные.

Упруго связанные частицы (заряды) имеют одно положение рав­новесия, около которого они совершают тепловые колебания, и под действием приложенного поля они смещаются на небольшие рас­стояния.

Слабо связанные частицы (например, ионы в неплотно упакован­ной кристаллической решетке, в аморфном теле или на дефектах, а также диполи) имеют несколько положений равновесия, в которых они в отсутствие электрического поля могут находиться равноверо­ятно.

Все виды поляризации подразделяются на упругие (деформационные) - обусловленные упруго связанными частицами (зарядами), и релаксационные — обусловленные слабо связанными частицами (за­рядами).

К деформационным видам поляризации относятся электронная и ионная. Они устанавливаются упруго, практически мгновенно и без рассеяния энергии приложенного электрического поля — без ди­электрических потерь.

Электронная поляризация заключается в упругом смещении (деформации) электронных оболочек атомов (ионов) относительно ядра и имеет место во всех диэлектриках.

Ионная поляризация наблюдается в кристаллических и аморф­ных телах ионного строения (в кварце, слюде, асбесте, стекле и т.п.) и заключается в смещении упруго связанных ионов под дейст­вием приложенного поля на расстояния, меньшие постоянной ре­шетки.

Релаксационными видами поляризации являются: ионно-релак­сационная, дипольно-релаксационная, миграционная, электронно-релаксационная, самопроизвольная (спонтанная). Они протекают замедленно и с поглощением энергии приложенного поля, обусловливая тем самым диэлектрические потери.

Ионно-релаксационная поляризация имеет место в неорганических стеклах и в ионных кристаллах с неплотной упаковкой решетки ио­нами (в электротехнической керамике, асбесте, мраморе и т.п.). Этот вид поляризации заключается в некотором упорядочении, вносимом электрическим полем в хаотический тепловой переброс слабо свя­занных ионов.

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается только в ди­электриках молекулярного строения (газообразных, жидких и твер­дых) полярных, т.е. в таких диэлектриках, молекулы которых в отсут­ствие внешнего поля имеют постоянный дипольный момент. Она заключается в том, что под действием внешнего электрического поля становится более упо­рядоченным положение полярных молекул (диполей), непрерывно совершающих хаотическое тепловое движение.

Миграционная поляризация наблюдается в твердых диэлектриках с макроскопически неоднородной структурой (например, в слоистых материалах), а также в диэлектриках, содержащих проводящие и полуроводящие включения (например, поры, заполненные влагой).

При внесении в электрическое поле диэлектрика, имеющего слоистое строение (например, гетинакс, текстолит), в результате разной электропроводности различных слоев, на границе их раздела и в приэлектродных объемах, начнут накапливаться заряды медленно движущихся ионов, и возникнет межслойная поляризация.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных электронов или дырок, расположенных на дефектах. В некоторых диэлектриках электроны способны перемещаться вблизи дефектов (с которыми они связаны) на расстояния, равные одному или нескольким межатомным расстояниям. Этот вид поляризации обычно наблюдается в диэлектриках с большим внутренним полем и электронной проводимостью (например, у многих видов титаносодержащей керамики).

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует только в нелинейных диэлектриках — сегнетоэлектриках.

Электропроводность диэлектрика характеризуют: удельной объёмной и поверхностной _S проводимостью или удельным объёмным и поверхностным _S сопротивлением.

Произведение __r=, называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Электрический пробой – это процесс в результате которого диэлектрик разрушается силами, действующими в электрическом поле на электрические заряды его атомов, ионов или молекул.

Электрическая прочность E_ПР=U_ПР/H

H – расстояние между электродами толщина изоляции, м.

Электротепловой пробой обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь или электропроводности.

Электрохимический пробой обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике или в окружающей диэлектрик среде.

Ионизационный пробой возникает в результате действия на диэлектрик частичных разрядов в газовых порах.

Электромеханический пробой наблюдается в полимерных диэлектриках при таких температурах, при которых они находятся в высокоэластичном состоянии. Происходит механическое сдавливание диэлектрика уменьшение его толщины.

Электротермомеханический пробой является разновидностью электротеплового пробоя и наблюдается в хрупких диэлектриках.