Классификация диэлектриков по виду поляризации

Все диэлектрики по виду подразделяются на несколько групп.

К первой группе можно отнести диэлектрики, обладающие в основ­ном только электронной поляризацией, например неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и др.).

Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновре­менно электронной и дипольно-релаксацнонной поляризациями.

Сюда принадлежат полярные (дипольные) органические, полужидкие и твердые вещества (масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, некоторые хлорированные углеводороды и т. п.).

Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поля­ризациями. Здесь целесообразно выделить две подгруппы материалов ввиду существенного различия их электрических ха­рактеристик:

- диэлектрики с электронной и ионной поляризациями (кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, каменная соль, корунд));

- диэлектрики с электронной, ионной и релаксационными поля­ризациями (неорганические стекла, материалы, содержащие стекловидную фазу (фарфор, микалекс) и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке).

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризу­ющиеся спонтанной, электронной, ионной и электронно-ионно-релаксационной поляризациями (сегнетова соль, титанат бария).

Электропроводность диэлектриков

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в ве­ществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения, в диэлектриках. Токи смеще­ния упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляри­зациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксиро­вать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поля­ризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свобод­ных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквоз­ных токов. Ток утечки в техническом диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции (рис. 47):

Рис. 47. Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени

После завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток. Токи смещения необходимо принимать во внимание при измерениях проводимости диэлектриков ввиду того, что при неболь­шой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождаю­щий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представ­ление о большой проводимости. Проводи­мость диэлектрика при постоянном напря­жении определяется по сквозному току.

При переменном напря­жении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими абсорбционных токов (рис. 48).

Рис.48. Проводимость диэлектриков при переменных полях f ₁ < f ₂

Особенностью электропроводности диэлектриков в большинстве случаев является ее неэлектронный (ионный) характер. Истинное сопротивление диэлектрика R _из, определяющее сквоз­ной ток, может быть вычислено по следующей формуле:

где i _ут – наблюдаемый ток утечки; U – приложенное напряжение; i_аб – суммарный ток абсорбции.

Поскольку при определении абсорбционных токов даже замед­ленных видов поляризации возникают некоторые трудности, сопро­тивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включе­ния напряжения и принимаемый за сквозной ток.

Для твердых электроизоляционных материалов необходимо раз­личать объемную и поверхностную проводимость.

Для сравнительной оценки объемной и поверхностной проводи­мости различных материалов пользуются значениями удельного объемного сопротивления  и удельного поверхностного сопротив­ления .

По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость, по удельному поверхностному сопротивлению — удельная поверхностная проводимость.

В системе СИ удельное объемное сопротивление  равно объем­ному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого материала (если ток проходит сквозь куб, от одной его грани к противоположной), умноженному на 1 м.

Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через квадрат, от одной его стороны к противоположной.

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции, складывается из объемной и поверх­ностной проводимостей.

Электропроводность изоляционных материалов обусловливается состоянием вещества: газообразным, жидким или твердым, а также зависит от влажности и температуры окружающей среды. Некоторое влияние на проводимость диэлектриков оказывает также напряжен­ность поля в образце, при которой проводится измерение.

 

Ддиэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вы­зывающую нагрев диэлектрика. Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напря­жении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимо­стью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указыва­лось выше, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использо­вать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнитель­ные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига  между током и напряжением в емкост­ной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлек­трических потерь  будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига  и тем больше угол  и его функция tg .

Пояснить возникновение угла диэлектрических потерь возможно с помощью векторной диаграмме (рис. 49)., которая строится на основе электрической схемы замещения.

Рис. 49. Векторная диаграмма

Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизо­ляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором исполь­зован данный диэлектрик, а следовательно, и величину затухания.

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных мате­риалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества. Диэлектрические потери могут обусловливаться сквозным током или, как указывалось при рассмотрении явления поляризации, активными составляющими токов смещения. При изучении диэлек­трических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно характеризовать это явление поляризации кри­выми, представляющими зависимость электрического заряда на электродах конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения (рис. 50). При отсутствии потерь, вы­зываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напря­жения (рис. 50, а) и такой диэлектрик называется линейным. Если в линейном диэлектрике наблюдается замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рис. 50, б). Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения напряжения.

Рис. 50. Зависимость заряда от напряжения для ли­нейного диэлектрика без потерь  (а), с потерями (б)

Для нелинейного диэлектрика – сегнетоэлектрика – кривая за­висимости заряда от напряжения приобретает вид петли гистерезиса, характерной для магнитных материалов. Площадь петли пропорциональна потерям энергии за один период в единице объема диэлектрика.

В технических электроизоляционных материалах, помимо по­терь от сквозной электропроводности и потерь от замедленной поля­ризации, возникают диэлектрические потери, которые сильно влияют на электрические свойства диэлектриков. Эти потери вызываются наличием изолированных друг от друга посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, оксидов железа; они зна­чительны даже при малом содержании таких примесей в электроизо­ляционном материале. При высоких напряжениях потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри  диэлектрика, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах.

Пробой диэлектриков

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля пре­высит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U _пр, а соответствующее значение напряженности поля – электрической прочностью диэлектрика.

Пробивное напряжение измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется про­бивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

,

где h – толщина диэлектрика.

Удобные для практических целей численные значения электри­ческой прочности диэлектриков получаются, если пробивное на­пряжение выражать в киловольтах, а толщину диэлектрика – в мил­лиметрах. Электрическая прочность будет в киловольтах на миллиметр.

Пробой газа обусловливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате иони­зационных и тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посто­ронних примесей. Пробой твердых тел вызывается как элект­рическим, так и тепловым процессами, возникающими под дейст­вием поля.

Явление электрического пробоя связано с электронными про­цессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плот­ности электрического тока к моменту пробоя.

Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.

При длительном действии напряжения пробой может быть выз­ван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под воздействием электрического поля.

Пробой газов – явление чисто элек­трическое. Поэтому все численные результаты экспериментов по пробою газов относятся к максимальным (амплитудным) значениям напряжения. Поскольку в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы, то при приложении к диэлектрикам переменного напряжения чис­ленные значения пробивного напряжения относятся к действую­щим.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какими электрофизическими характеристиками описывается поведение диэлектриков в электрическом поле?

2. Какие вещества относятся к полярным, а какие к неполярным диэлектрикам?

3. Что называется собственным, а что индуцированным электри­ческим моментом?

4. Описать процесс электронной поляризации в диэлектриках.

5. Описать процесс ионной поляризации в диэлектриках.

6. Процесс дипольно-релаксационной поляризации в ди­электриках.

7. Процесс ионно-релаксационной поляризации в диэлек­триках.

8. Описать процесс миграционной поляризации в диэлектриках.

9. Описать процесс спонтанной поляризации в диэлектриках.

10. Как определить диэлектрическую проницаемость диэлектрика, представляющего собой физическую смесь различных ингредиентов?

11. Быстрые и медленные виды поляризации. Чем они отличаются?

12. В каких диэлектриках наблюдаются быстрые, а в каких - релак­сационные виды поляризации?

13. Назвать основные типы носителей заряда и механизм электро­проводности в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.

14. Почему при измерении величины тока, протекающего через ди­электрик, необходимо проводить измерения через некоторое время по­сле подачи напряжения?

15. Дайте определение удельному объёмному и удельному поверх­ностному сопротивлению. В каких единицах измеряются эти величины?

16. Описать характер изменения тока в диэлектрике при подаче на него неизменяющегося во времени напряжения.

17. Описать характер изменения электропроводности диэлектрика при изменении температуры.

18. Описать виды диэлектрических потерь.

19. Какие существуют виды пробоя диэлектриков?

20. Описать лавинный пробой.

21. Описать электрический пробой твердых диэлектриков.

22. Описать электротепловой пробой диэлектриков.

23. Описать ионизационный пробой диэлектриков.

24. Классификация диэлектрических материалов.

25. Диэлектрические материалы: трансформаторное масло, смолы, компаунды, лаки, слоистые пластики, волоконные материалы.

13. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитные материалы обладают способностью при внесении их в магнитное поле намагничиваться, а некоторые из них сохраняют свою намагниченность и после прекращения воздействия магнит­ного поля.