3.3. Классификация: диэлектрики полярные, неполярные и с ионной структурой

В настоящее время принято разделение линейных диэлектриков по механизмам поляризации молекул. Эта классификация исключительно важна при изучении как электрических, так и общих физико-химических свойств диэлектриков.

Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент

p = q • l = 0.

Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.

Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. При замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или не углеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др. Примеры молекул неполярных и полярных веществ показаны на рис. 7.3.

рис. 7.3

Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны, кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций — электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризацию. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд, двуокись титана (рутил) и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке имеют также и ионно - релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.

3.4 Токи в диэлектриках

В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения I_см за время ~10^-15с. В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости - I_скв. В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции - I_абс, причиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, ток сквозной проводимости I_скв устанавливается за время меньшее 1 мин.

В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов. Сквозной ток - I_скв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в табл.1свободных носителей заряда различной природы.

Вид диэлектрика	Носители заряда (область слабых полей)	Природа носителей заряда (происхождение)
Газообразные	Положительные и отрицательные ионы	Ионизация молекул газа
	В сильных полях также электроны	Ударная ионизация и фотоионизация молекул газа
Жидкие	Ионы	Диссоциация молекул примесей
	Коллоидные заряженные частицы	Характерны для коллоидных растворов-эмульсий (коллоидные частицы-жидкость) и суспензий (взвешенное фаза-твердое вещество)
Твердые	Ионы	Диссоциация примесей или собственных молекул
	Точечные дефекты кристаллической решетки: вакансии (пустые узлы), межузельные ионы	Зависят от структуры кристаллического диэлектрика
	Электроны проводимости или дырки в заполненной зоне	В диэлектриках с электронным механизмом проводимости

В постоянном электрическом поле токи абсорбции I_абс могут устанавливаться в течение длительного времени (в течение минут или даже часов ) в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток сквозной проводимости I_скв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв, исключая токи абсорбции. Механизмы возникновения и уменьшения тока абсорбции I_абс показаны в табл. 2.

Условия возникновения Iабс	Механизм или причина уменьшения проводимости
При ионной проводимости наличие блокирующих контактов с электродами	Блокирующие контакты препятствуют прохождению носителей заряда через границу электрод-диэлектрик или разряду носителей, подходящих из объема диэлектрика на границе с электродом.
Неоднородная структура диэлектрика	Накопление заряда на границах раздела, что вызывает перераспределение электрического поля.
Ионная проводимость в жидком диэлектрике	Необратимое удаление носителей заряда и разрядка их на электродах (электроочистка)
Инжекция электронов или дырок в диэлектрик	Захват носителей заряда на ловушки (дефекты решетки) и исключение их из процесса переноса тока
Наличие в диэлектрике замедленной поляризации	Установление релаксационной поляризации с течением времени