Различают два класса диэллектриков

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Основные понятия и общие сведения о диэлектриках

 

Условно к диэлектрикам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением 𝜌 > 10⁸ Ом・м. С точки зрения зонной теории, диэлектриками условно называют вещества с шириной запрещенной зоны превышающей 3-8 эВ.

Термин «диэлектрики» впервые ввел английский физик ФАРАДЕЙ для обозначения веществ, пропускающих через себя электрическое поле.

Характерными особенностями любого диэлектрика являются:

- поляризация в электрическом поле;

- высокое удельное сопротивление;

- незначительное рассеяние энергии электрического поля;

- высокая электрическая прочность т.е. способность противостоять сильным электрическим полям

Свойства диэлектриков могут зависеть от температуры и влажности окружающей среды, от условий теплоотвода, частоты и равномерности электрического поля, степени однородности самого диэлектрика, его агрегатного состояния и других факторов.

Все диэлектрики обладают изоляционными свойствами.

Проводимость реальных Диэлектриков в 10¹³ -10²³ раз меньше проводимости проводниковых материалов. Такой широкий диапазон проводимости обусловлен различием природы их химических связей.

 

РАЗЛИЧАЮТ ДВА КЛАССА ДИЭЛЛЕКТРИКОВ

∙ Линейные диэлектрики (имеющие линейную зависимость заряда конденсатора от напряжения).

К этому классу диэлектриков относятся:

– Неполярные диэлектрики — газы, жидкости и твердые вещества, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, сера, полиэтилен.

– Полярные диэлектрики — органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно электронную и дипольно-релаксационную поляризации. К ним относятся кремнийорганические соединения, капрон, фенолформальдегидные смолы.

– Ионные диэлектрики. В этой группе целесообразно выделить две подгруппы материалов:

* диэлектрики с ионной и электронной поляризациями (кварц, слюда, корунд, TiO2);

* диэлектрики с ионной, электронной и релаксационной поляризацией (неорганические стекла, керамика).

 

∙ Нелинейные диэлектрики (зависимость заряда от напряжения принимает форму петли гистерезиса).

К этому классу диэлектриков относятся только сегнетоэлектрики (вещества, обладающие спонтанной поляризацией)

 

Поляризация диэлектриков.

При приложении электрического поля к диэлектрику, не происходит переноса свободных носителей заряда, т. к. их концентрация ничтожно мала. Однако при этом происходит смещение связанных зарядов, вызывающее появление поляризованного состояния (рис. 3.1).

 

Рис. 3.1. Поляризация бесконечного плоского диэлектрика

 

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема.

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствие поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков появляется под действием механических напряжений.

По электрическим свойствам молекулы диэлектрика эквивалентны электрическим диполям, которые характеризуются дипольным моментом p. Если в отсутствие внешнего электрического поля расстояние между центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов , то диэлектрики называются неполярными. Если в тех же условиях , то диэлектрики называются полярными.

Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, называют неполярными. Молекулы, в которых центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, называют полярными или дипольными. Примеры неполярной и полярной молекул приведены на рис. 3.2 а и б соответственно.

 

Пример: СН4 (метан) СН3Сl

 

Рис. 3.2 Примеры неполярной (а) и полярной (б) молекул

 

Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом, который определяется произведением заряда на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов:

(Кл*м) (3.1)

- Заряд q» 2×10^-19 Кл,

- расстояние l = (1-3) ×10^-10 м.

Поэтому обычно дипольные моменты молекул p = 5×10^-29 - 10^-30 единиц СИ.

Для неполярных диэлектриков в отсутствие внешнего поля . Во внешнем электрическом поле происходит деформация молекулы и возникает индуцированный дипольный электрический момент молекулы:

, (3.2)

Где:

а – коэффициент поляризуемости (поляризуемость) молекулы или атома;

e₀ – электрическая постоянная;

Е – напряженность поля.

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся тем, что дипольные электрические моменты каждого элемента объема диэлектрика отличны от нуля.

Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованность).

Поляризованностью Р называют векторную сумму дипольных моментов молекул, находящихся в единице объема:

[ Кл/м² ] (3.3)

Поляризованность ( P) характеризует интенсивность поляризации диэлектрика, такого состояния вещества, при котором его элементарный объем приобретает электрический момент,

 

Для однородного неполярного диэлектрика, находящегося в однородном электрическом поле, ПОЛНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСИЙ МОМЕНТ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ФОРМУЛОЙ:

, (3.4)

Где:

р – индуцированный момент одной молекулы,

n₀ – число молекул в единице объема.

Подставив (3.2) в (3.4) получаем:

, (3.5)

где

- диэлектрическая восприимчивость вещества, или поляризуемость единицы объема диэлектрика, пропорциональная объему всех молекул в 1 см³. (КСИ)

Как известно из электростатики электрическое поле характеризуется электрическим смещением D, являющимся векторной величиной. Для поля в диэлектрике векторы смещения D, поляризации Р и напряженности электрического поля Е связаны следующим соотношением:

(3.6)

В анизотропных кристаллических диэлектриках электрические свойства различны в разных направлениях (диэлектрическая восприимчивость является тензорной характеристикой). Поэтому в общем случае векторы Р и D не совпадают по направлению с вектором Е напряженности поля.

В изотропных диэлектриках вектор поляризации Р пропорционален напряженности поля Е и совпадает с ним по направлению. Поэтому, электрическое смещение определяется. Как

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СМЕЩЕНИЕ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ

, (3.7)

Где:

e - относительная диэлектрическая проницаемость, являющаяся скалярной величиной.

Токи смещения. Токи утечки.

При поляризации происходит смещение зарядов в веществе, что обуславливает появление токов в диэлектрике, называемых токами смещения.

При электронной и ионной поляризациях, токи смещения кратковременны, их обычно не удается зафиксировать прибором.

Токи смещения при замедленной поляризации, наблюдаемые у многих технических диэлектриках, называются абсорбционными токами 𝐼абс.

При постоянном напряжении абсорбционные токи проходят только в периоды коммутации. При переменном напряжении они имеют место в течение всего времени приложения электрического поля.

Наличие небольшого количества свободных носителей зарядов, а также их инжекция из электродов, обуславливает возникновение небольшого сквозного тока 𝐼скв.

После завершения процессов поляризации через диэлектрик проходит только сквозной ток.

Таким образом, плотность тока в диэлектрике (тока утечки) 𝐽ут является суммой плотностей абсорбционного 𝐽абс и сквозного 𝐽скв токов:

𝐽ут = 𝐽абс + 𝐽скв. (3.12)

Плотность тока смещения определяется скоростью изменения электрической индукции ⃗𝐷, включающие в себя мгновенные (электронное, ионное) и замедленные смещения зарядов:

𝐽см =𝑑⃗𝐷𝑑𝑡= 𝐽абс.

В слабых электрических полях носителями зарядов в диэлектриках в большинстве случаев являются ионы. В сильных электрических полях, в связи с процессами ударной ионизации, начинает преобладать электронная проводимость.

Ток в диэлектрике под действием внешнего электрического поля называется током утечки и его полная плотность равна:

, (3.13)

Где

J_см - плотность тока смещения;

J_ск – плотность тока сквозной электропроводности (или сквозного тока).

Токи смещения обусловлены поляризационными процессами смещения зарядов в веществе и протекают во времени до момента наступления состояния равновесия.

 

Диэлектрические потери

В инженерной практике чаще всего для характеристики рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь. А так же тангенс этого угла.

Основные понятия

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Рассмотрим эквивалентную схему конденсатора с диэлектриком, обладающим потерями. Она построена путем замены конденсатора с потерями на идеальный конденсатором с параллельно или последовательно включенным активным сопротивлением (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные схемы диэлектрика с потерями и векторные диаграммы для них

Обе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений Z₁=Z₂=Z равны соответственно их активные и реактивные составляющие. Это условие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения равны и значения активной мощности одинаковы.

Для параллельной схемы:

, (3.20)

Где:

I_a – активная составляющая тока;

I_c – реактивная составляющая тока.

Тогда из векторной диаграммы для параллельной схемы:

(3.21)

Мощность, рассеиваемая в диэлектрике, для данной схемы равна:

(3.22)

Для последовательной схемы:

(3.23)

где U_a – активная составляющая напряжения; U_c – реактивная составляющая напряжения.

Тогда из векторной диаграммы для последовательной схемы:

(3.24)

Мощность, рассеиваемая в диэлектрике, для данной схемы равна:

(3.25)

где - реактивная составляющая сопротивления цепи.

Из приведенных выражений для параллельной и последовательной схем можно найти соотношения между С_р и С_s, а также между R и r:

(3.26)

(3.27)

Таким образом, углом диэлектрических потерь d называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз j между током и напряжением в емкостной цепи.

В случае идеального диэлектрика вектор тока в цепи опережает вектор напряжения на угол 90°, при этом угол d равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tgd.

Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg²d по сравнению с единицей и считать C_p»C_s=C. Тогда выражения для мощности, как у параллельной, так и у последовательной схем будут одинаковы:

(3.28)

где Р_а выражено в Вт; U – в В; w - в с^-1; C – в Ф.

Как видно, тангенс угла диэлектрических потерь непосредственно входит в формулу для рассеиваемой в диэлектрике мощности, поэтому практически наиболее часто пользуются этой характеристикой.

Диэлектрические потери по их физической природе можно разделить на четыре основных вида: потери на электропроводность, релаксационные потери, ионизационные потери, резонансные потери.

Пробой диэлектриков

Минимальное напряжение U пр, приводящее к образованию в диэлектрике электропроводящего канала, называется пробивным напряжением.

Электрическая прочность, то есть способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление, характеризуется напряженностью электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле

E пр = U пр / d, В/м, (3.28)

где

U пр – пробивное напряжение, В;

d – толщина диэлектрика, м.

Электрическая прочность не является фундаментальным параметром материала.

Различают следующие механизмы пробоя диэлектриков:

- электрический,

- электротепловой,

- электрохимический,

- поверхностный,

- ионизационный.

В режиме, близком к электрическому пробою, зависимость удельной

проводимости от напряженности поля описывается эмпирической формулой Пуля

γ = γ0 exp(β1E), (3.29)

а в некоторых случаях формулой Френкеля

γ = γ0 exp(β2 E), (3.30)

где

γ0 – удельная проводимость в области независимости γ от E,

β1, β2 – коэффициенты, характеризующие материал.

КОНДЕНСАТОРЫ

Электроемкость (С) любого конденсатора называется физическая величина, численно равная отношению заряда (G) одной из обкладок конденсатора к разности потенциалов (U) между обкладками

 

С= G/ U (3.31)

Электроемкость плоского конденсатора в СИ выражается формулой:

 

С= ε ε₀ S/d (3.32)

Где: - S – площадь одной из обкладок конденсатора;

- d –. расстояние между обкладками

При параллельном включении конденсаторов их электроемкость складывается

 

С=С₁+ С₂ + С₃ ….(3.33)

При последовательном включении конденсаторов их электроемкость рассчитывается по формуле

1/С=1/С₁ +1/C₂ …….(3.34)

Энергия (W) заряженного конденсатора в СИ выражается формулой

W = С U²/2……. (3.35)

Если к электродам, между которыми расположен какой либо диэлектрик толщиной h, приложить напряжение U, то в диэлектрике возникает электрическое поле E с напряженностью равной U/ h (В/м)

E= U/ h (3.36)

Распределение напряженности электрического поля в двухслойном диэлектрике описывается выражением:

ε _1*Ε₁= ε _2*Ε₂ (3.37)

где: - ε _1, ε ₂ – диэлектрические проницаемости материал слоев;

- Ε_1, Ε₂–. напряженность электрического поля в данных диэлектриках.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Основные понятия и общие сведения о диэлектриках

 

Условно к диэлектрикам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением 𝜌 > 10⁸ Ом・м. С точки зрения зонной теории, диэлектриками условно называют вещества с шириной запрещенной зоны превышающей 3-8 эВ.

Термин «диэлектрики» впервые ввел английский физик ФАРАДЕЙ для обозначения веществ, пропускающих через себя электрическое поле.

Характерными особенностями любого диэлектрика являются:

- поляризация в электрическом поле;

- высокое удельное сопротивление;

- незначительное рассеяние энергии электрического поля;

- высокая электрическая прочность т.е. способность противостоять сильным электрическим полям

Свойства диэлектриков могут зависеть от температуры и влажности окружающей среды, от условий теплоотвода, частоты и равномерности электрического поля, степени однородности самого диэлектрика, его агрегатного состояния и других факторов.

Все диэлектрики обладают изоляционными свойствами.

Проводимость реальных Диэлектриков в 10¹³ -10²³ раз меньше проводимости проводниковых материалов. Такой широкий диапазон проводимости обусловлен различием природы их химических связей.

 

РАЗЛИЧАЮТ ДВА КЛАССА ДИЭЛЛЕКТРИКОВ

∙ Линейные диэлектрики (имеющие линейную зависимость заряда конденсатора от напряжения).

К этому классу диэлектриков относятся:

– Неполярные диэлектрики — газы, жидкости и твердые вещества, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, сера, полиэтилен.

– Полярные диэлектрики — органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно электронную и дипольно-релаксационную поляризации. К ним относятся кремнийорганические соединения, капрон, фенолформальдегидные смолы.

– Ионные диэлектрики. В этой группе целесообразно выделить две подгруппы материалов:

* диэлектрики с ионной и электронной поляризациями (кварц, слюда, корунд, TiO2);

* диэлектрики с ионной, электронной и релаксационной поляризацией (неорганические стекла, керамика).

 

∙ Нелинейные диэлектрики (зависимость заряда от напряжения принимает форму петли гистерезиса).

К этому классу диэлектриков относятся только сегнетоэлектрики (вещества, обладающие спонтанной поляризацией)

 

Поляризация диэлектриков.

При приложении электрического поля к диэлектрику, не происходит переноса свободных носителей заряда, т. к. их концентрация ничтожно мала. Однако при этом происходит смещение связанных зарядов, вызывающее появление поляризованного состояния (рис. 3.1).

 

Рис. 3.1. Поляризация бесконечного плоского диэлектрика

 

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема.

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствие поля. В некоторых случаях поляризация диэлектриков появляется под действием механических напряжений.

По электрическим свойствам молекулы диэлектрика эквивалентны электрическим диполям, которые характеризуются дипольным моментом p. Если в отсутствие внешнего электрического поля расстояние между центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов , то диэлектрики называются неполярными. Если в тех же условиях , то диэлектрики называются полярными.

Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, называют неполярными. Молекулы, в которых центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, называют полярными или дипольными. Примеры неполярной и полярной молекул приведены на рис. 3.2 а и б соответственно.

 

Пример: СН4 (метан) СН3Сl

 

Рис. 3.2 Примеры неполярной (а) и полярной (б) молекул

 

Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом, который определяется произведением заряда на расстояние между центрами положительных и отрицательных зарядов:

(Кл*м) (3.1)

- Заряд q» 2×10^-19 Кл,

- расстояние l = (1-3) ×10^-10 м.

Поэтому обычно дипольные моменты молекул p = 5×10^-29 - 10^-30 единиц СИ.

Для неполярных диэлектриков в отсутствие внешнего поля . Во внешнем электрическом поле происходит деформация молекулы и возникает индуцированный дипольный электрический момент молекулы:

, (3.2)

Где:

а – коэффициент поляризуемости (поляризуемость) молекулы или атома;

e₀ – электрическая постоянная;

Е – напряженность поля.

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся тем, что дипольные электрические моменты каждого элемента объема диэлектрика отличны от нуля.

Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованность).

Поляризованностью Р называют векторную сумму дипольных моментов молекул, находящихся в единице объема:

[ Кл/м² ] (3.3)

Поляризованность ( P) характеризует интенсивность поляризации диэлектрика, такого состояния вещества, при котором его элементарный объем приобретает электрический момент,

 

Для однородного неполярного диэлектрика, находящегося в однородном электрическом поле, ПОЛНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСИЙ МОМЕНТ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ФОРМУЛОЙ:

, (3.4)

Где:

р – индуцированный момент одной молекулы,

n₀ – число молекул в единице объема.

Подставив (3.2) в (3.4) получаем:

, (3.5)

где

- диэлектрическая восприимчивость вещества, или поляризуемость единицы объема диэлектрика, пропорциональная объему всех молекул в 1 см³. (КСИ)

Как известно из электростатики электрическое поле характеризуется электрическим смещением D, являющимся векторной величиной. Для поля в диэлектрике векторы смещения D, поляризации Р и напряженности электрического поля Е связаны следующим соотношением:

(3.6)

В анизотропных кристаллических диэлектриках электрические свойства различны в разных направлениях (диэлектрическая восприимчивость является тензорной характеристикой). Поэтому в общем случае векторы Р и D не совпадают по направлению с вектором Е напряженности поля.

В изотропных диэлектриках вектор поляризации Р пропорционален напряженности поля Е и совпадает с ним по направлению. Поэтому, электрическое смещение определяется. Как

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СМЕЩЕНИЕ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ

, (3.7)

Где:

e - относительная диэлектрическая проницаемость, являющаяся скалярной величиной.