74

ЛЕКЦИЯ 8,9

Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы, как материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением используют, в основном, в качестве электроизоляционных материалов. Их назначение в этом случае - препятствовать прохождению электрического тока путями, нежелательны­ми для работы данного прибора или изделия.

Ранее отмечалось, что одной из важнейших характеристик диэ­лектриков является диэлектрическая проницаемость т.е. способность диэлектрика при нанесении на него электродов и подаче напряжения образовывать электрическую емкость, диэлектрическая проницаемость электроизоляционных материалов зависит от интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектрике под действием приложенного напряжения.

При описании электрических явлений обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженного электродами, к которым подводится электрическое напряжение, т.е. рассматривают некоторый участок изоляции. Таким участком может быть электрический конденса­тор, изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т.п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовлен­ный для измерения электрических параметров в лаборатории.

В любом веществ, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов (носителей зарядов/ всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются от своих равновесных состоянии: положительные в направлении вектора напряженности электрического поля Е, отрицательные – в обратном направлении.

Рис.21. Распределение поля

плоского конденсатора.

Рассмотрим схему расположения зарядов в поляризованном диэлектрике плоского конденсатора (рис.21).

Здесь: -S-площадь каждой обкладки;

h-расстояние между обкладками (толщина диэлектрика).

В результате такого смещения свя­занных зарядов из равновесного сос­тояния каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуци­рованный, т.е. наведенный, электрический момент dP. Образование индуцированного электрического момента Р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Количественно интенсивность поляризации определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

P=dP/dV.

Поляризованность - векторная величина, ее направление совпадает с направлением электрического момента - от отрицательного к положительному.

Т.к. электрический момент измеряется в Клм (кулон-метр), а объем в кубических метрах (м³),то единица модуля поляризованности имеет размерность Кл/м², совпадающую с единицей поверхностной плоскости электрического заряда.

У обычных диэлектриков (линейных) поляризованность пропор­циональна напряженности внешнего поля Е, т.е.

P=₀E,

Здесь -₀8,85410^-12 Ф/м – электрическая постоянная,

- - электрическая восприимчивость вещества.

В технике вместо  чаще используют другой безразмерный параметр для оценки способности материалов к поляризации - относительную диэлектрическую проницаемость , равную

=1+.

Для всякого вещества >1 т.к.  положительна, только для вакуума =0,следовательно =1. У газов, плотность которых мала и число поляризующихся частиц в единице объема незначительно,  весьма близок к 1; например, для воздуха при нормальных условиях давления и температуры =1,00058. Для жидких и твердых диэлектри­ков  составляет единицы, десятки и более.

Ранее отмечалось, что значение  характеризует способность ди­электрика образовывать электрическую емкость. Емкость С участка изоляции равна

C=₀S/h,

или

C=₀,

где -приведенная длина рассматриваемого участка изоляции в метрах,

равная =S/h.

ПОЛЯРНЫЕ И НЕПОЛЯРНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Все диэлектрики можно разделить на два класса: поляр­ные, т.е. содержащие постоянные диполи, способные к переориентации и неполярные, не содержащие ориентирующихся диполей. Такое разде­ление важно для рассмотрения не только электрических, но и общих физико-химических свойств диэлектрических материалов.

В молекулах любого вещества содержатся положительные и отрицательные электрические заряды. Алгебраическая сумма этих зарядов равна нулю. Когда вещество не электризовано, т.е. электрически нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в молекуле у каждого вещества различно. Если заменить все

положительные наряды молекулы одним суммарным, считая его расположенным в центре тяжести отдельных положительных зарядовой такое же суммирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные точечные заряды могут не совпадать в пространстве друг с другом, либо совпадать.

В первом случае молекула даже в отсутствие внешнего электрического поля будет представлять электрический диполь с отличным от нуляпостоянным электрическим моментом (рис.22) Р, равным Pn=ql,

где q – суммарный положительный заряд молекулы;

1 – расстояние между суммарными

Рис.22.Электрический диполь точечными зарядами,т.е.плечо диполя.

Электрический момент молекулы - величина векторная, направленная от отрицательного (-q) к положительному (+q).У неполярных веществ l=0, поэтому Рn=0.

Независимо от электрических свойств о полярности вещества можно судить по строению его молекул. Очевидно, что молекулы, имею­щие симметричное строение и центр симметрии, неполярны, т.к. в этом случае центры тяжести как положительных, так и отрицательных за­рядов совпадают с центром симметрии молекулы, т.е.l=0,и Рn=0.

Так, одноатомные молекулы инертных газов (He, Ne, Ar) и моле­кулы, состоящие из двух одинаковых атомов ( H₂,N₂,Cl₂ и др.), неполярны. Несимметричные молекулы полярны.

Все углеводороды и применяемые в технике электроизоляцион­ные материалы углеводородного состава (нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.) практически неполярны. Но при замещении в углеводородах некоторой части водородных атомов другими атомами или группой атомов получаются полярные вещества. Например, молекула бензола С₆Н₆ имеет симметричную форму – плоское шестичленное кольцо и поэтому бензол неполярен, нитробензол С₆Н₅NO₂, т.е. бензол, в молекуле которого один атом водорода замещен нитрогруппой NО₂ -имеет весьма большое значение посто­янного электрического момента-1,310^-29 Клм.

При сценки полярности вещества по строению его молекулы не­обходимо учитывать не условное написание его химической формулы, а фактическое расположение зарядов в пространстве.

Например,СО₂ -угольный ангидрид, имеет центр симметрии, неполярен,

Н₂О – вода, несимметрична, следовательно, полярна.

Для полимерных материалов следует рассматривать полярность отдельных звеньев полимерной молекулы. Так, полиэтилен – простейший полимер углеводородного состава С₂Н₄ или Н₂С=СН₂ имеет симметричное строение каждого звена молекулярной цепочки и поэтому неполярен, но поливинилхлорид С₂Н₃-Cl, молекулу которого можно представить как молекулу полиэтилена с замещением в каждом звене одного атома Н на атом Cl, является полярным (рис.23). Аналогично политетрафторэтилен, т.е. полиэтилен с атомами Н, полностью замещенными атомами F, неполярен, в то время как политрифторхлорэтилен имеет несимметричное строение звена и поэтому полярен (рис.24).

Ионные кристаллы типа NaCl неполярны, хотя каждая молекула Na⁺-Cl^- обладает постоянным электрическим мо­ментом. Это связано с тем, что в кристалле молекулы уложены антипа­раллельно и суммарный момент эле­ментарной ячейки кристалла NaCl ра­вен нулю,

Рис.24. Строение молекул фторопласта-4 и -3.

а молекулы не могут пере­ориентироваться как диполь.