Твердые диэлектрики виды: лекции по курсу Электротехнические материалы

3.2.2. Твердые диэлектрики

3.2.2.1.
Термопласты,
или термопластичные
полимеры,
это группа диэлектриков, обладающих
хорошими электрическими свойствами.
Это аморф-ные или аморфно-кристаллические
полимеры, нерастворимые в воде, мало
гигроскопичны, стойки к химически
агрессивным средам (кислотам и щелочам).
При комнатной температуре они обладают
гибкостью и эластичностью. При температурах
выше температуры текучести термопласты
переходят в вязкотекучее состояние и
под действием внешнего давления принимают
заданную форму, которую сохраняют после
охлаждения. В этом состоянии из них
изготавливают различные изделия.
Повторный нагрев снова приводит
термопласты в пластическое состояние.

Почто все термопласты
горючи и изделия из них пожароопасны.

В электроизоляционной
технике термопласты применяют для
изоляции проводов и кабелей, катушек
индуктивности, а также как составную
часть клеев, лаков, пластмасс и др. Все
термопласты по своему поведению в
электрическом поле подразделяются на
две группы: термопласты неполярные и
полярные.

Неполярные
термопласты
имеют высокие значения удельного
объемного сопротивления электрической
прочности и низкие диэлектрические
потери. Неполярные термопласты относятся
к классу высокочастотных диэлектриков.

Полиэтилен
(ПЭ) – бесцветный прозрачный продукт
полимеризации газообразного этилена.
Они пожароопасны, горят голубоватым
пламенем с запахом горящей парафиновой
свечи.

Различные марки
полиэтилена, отличаются плотностью,
индексом расплава, наличием или
отсутствием стабилизаторов. Отдельные
партии ПЭ окрашивают в различные цвета.
ПЭ обладает высокой водостойкостью.
Изделия из него, находящиеся длительное
время в напряженном состоянии, могут
растрескиваться. На стойкость к
растрескиванию влияют продолжительность
действия нагрузки, температура и
окружающая среда.

Полиэтилен широко
используется в производстве разнообразных
проводов и кабелей, в том числе
высокочастотных и силовых.

Полипропилен
(ПП) – бесцветный материал высокой
прозрачности для видимого света.

Пропилен, в сравнении
с ПЭ имеет более высокую нагревостойкость
и прочность при растяжении, большую
твердость и жесткость. При комнатной
температуре ПП нерастворим в органических
растворителях, устойчив к действию
кислот и щелочей, а также минеральных
и растительных масел. Меньше, чем ПЭ,
подвержен растрескиванию под действием
агрессивных сред. Электрические свойства
полипропилена того же порядка, что и у
полиэтилена.

Полистирол
(ПС) – это твердый аморфный продукт
полимеризации стирола (винилбензола).
Полистирол пожароопасен, горит с
образование сильнокоптящего пламени.

Полистирол – один
из первых синтетических материалов,
используемых в электро- и радиотехнике,
хороший диэлектрик. Его электрические
свойства не зависят от влажности
окружающей среды и температуры в пределах
от – 80
до + 90С.
Обладает высокой стойкостью к действию
кислот, щелочей, солей и спиртов.
Относительно хрупок и при старении
хрупкость увеличивается. Для снижения
хрупкости в ПС вводят до 8% каучука.
Полученный материал называют «ударопрочным
полистиролом». Удельная ударная вязкость
повышается в 2 – 3 раза и увеличиваются
показатели других физико-механических
свойств.

Полистирол широко
используют в технике высоких и сверхвысоких
частот как диэлектрик с очень низкими
потерями. Из него изготавливают каркасы
катушек индуктивности, изоляцию
высокочастотных кабелей, лаки, компаунды.
Очень широко применяют ПС в производстве
электрических конденсаторов.

Политетрафторэтилен
(ПТФЭ). При нагревании он практически
не плавится, а при температуре 415С
начинает разлагаться с выделением
ядовитых газов. Твердость по Бринеллю
составляет 30 – 40 МПа, а удельная ударная
вязкость до 100 кД/м²
– это полимер молочно-белого цвета,
отечественное название – фторопласт-4,
а за рубежом – тефлон.

ПТФЭ негорюч, не
растворяется ни в каких растворителях,
негигроскопичен и не смачивается водой,
имеет высокую стойкость к кислотам и
щелочам. На него не действует даже НNО₃
и HCl (царская водка).

ПТФЭ – хороший
диэлектрик, его электрические свойства
не меняются в пределах от – 60 до +200С
и в широком интервале частот вплоть до
СВЧ включительно. Из него изготавливают
пленки различной толщины, использующиеся
в качестве ВЧ – изоляции, в производстве
термо- и влагостойких электрических
конденсаторов и кабелей. Применяют для
изготовления сплошной, тонкой (эмалевой)
изоляции проводов, пластин, дисков,
прокладок и других уплотнительных
деталей.

Полярные
термопласты
характеризуются повышенными значениями
диэлектрической проницаемости и большими
диэлектрическими потерями, которые
зависят от температуры и частоты
напряжения. Удельное сопротивление и
электрическая прочность у них ниже,
чем у неполярных материалов.

Политрифторхлорэтилен
(ПТФХЭ) – слабополярный диэлектрик,
практически негорюч, отечественное
название – фторопласт-3. В сравнении с
фторопластом-4 имеет более высокую
эластичность и удельную ударную вязкость.
Применяется ПТФХЭ в кабельной технике
и конденсаторостроении, для изготовления
сложных по форме радиоэлектротехнических
деталей.

Поливинилхлорид
(ПВХ) – практически негорюч, стоек к
действию воды, щелочей, разбавленных
кислот, масел, бензина и спирта. Выпускается
под названием «винипласт». Это листовой
или трубчатый материал, легко сваривается
или склеивается, в том числе с металлами.
Используется для изоляции проводов,
защитной оболочки кабелей и т. п.

Полиакрилаты
(ПАК) – представляют собой термопластичный,
аморфный, прозрачный и бесцветный
материал, имеющий хорошую холодо-, масло-
и щелочестойкость. Наиболее распространенным
из этой группы материалов является
полиметилметакрили
(ПММА), известный под названием органическое
стекло (плексиглас).

Блочный ПММА
поддается формованию и вытяжке при
температуре 120С
и выше. Его используют в приборостроении
обычно в качестве вспомогательного
конструкционного материала либо
электроизоляционного, но при низких
частотах и в слабых полях. ПММА используют
в переключателях и разрядниках высокого
напряжения. Применяют для изготовления
шкал приборов и линз, пленок, клеев и
лаков. Выпускают в виде листов различной
толщины, стержней, листовых блоков и т.
п. Он растворяется в дихлоэтане и ацетоне.
ПММА горит, при горении потрескивает.

3.2.2.2. Реактопласты,
или термореактивные
полимеры
(смолы) – это такие материалы, которые
при нагревании претерпевают необратимые
изменение свойств. Материал при этом
отверждается – переходит из расплавленного
состояния в твердое. При повторном
нагревании он уже не плавится, в
растворителях не растворяется. Отверждение
происходит при помощи специальных
веществ – отвердителей, вводимых в
материал. Электрические свойства их
примерно такие же, что и у полярных
термопластов.

Эпоксидные смолы
(ЭП) – полярный диэлектрик, это очень
большая группа материалов. Все ЭП смолы
в исходном состоянии растворяются в
ацетоне и ряде других растворителей.
Они могут длительное время храниться
без изменения свойств. Если к ним добавить
отвердитель (1:10), то произойдет отверждение.
Отверждение происходит за счет процессов
полимеризации без выделения побочных
продуктов.

В зависимости от
типа отвердителя ЭП смолы могут
отверждаться при комнатной температуре
«холодное отверждение», либо при
нагревании до 80 – 150С
«горячее отверждение». Отвердители
горячего отверждения дают возможность
получить полимеры с более высокими
электрическими и механическими
характеристиками и с большей
нагревостойкостью.

ЭП смолы широко
применяют в электро- и радиотехнике в
качестве электроизоляционных и
герметизирующих материалов. Они обладают
высокой адгезией к различным материалам
(металлам, органическим стеклам, керамике,
пластмассам и т. п.). Их используют для
изготовления клеев, лаков и различных
компаундов. Пленки из ЭП смол отличаются
высокой механической прочностью,
химической стойкостью и стойкостью к
атмосферным воздействиям.

3.2.2.3. Резины
–
вулканизированная многокомпонентная
система на основе каучуков. Из-за своей
высокой эластичности резины относятся
к классу эластомеров.
Отличительной особенностью эластомеров
является высокая эластичность. К ним
принадлежат такие материалы как
полиуретаны, некоторые виды
кремнийорганических полимеров и др.
Вулканизация каучуков протекает при
температуре 138 – 200С.
Каучуки вулканизируют, чтобы устранить
их пластичность и повысить эластичность
(упругость). У технических резин
относительное удлинение при разрыве
составляет 150 – 500 % и сохраняется при
температуре от – 40 до – 60С.

При изготовлении
резины в ее состав, кроме каучука, вводят
вулканизирующие агенты (серу или тиурам,
а чаще их смесь), ускорители вулканизации,
наполнители (мел, тальк, каолин, окись
цинка и др.), которые улучшают механические
свойства и удешевляют резину (наполнители
дешевле каучуков в 20 –70 раз), а также
мягчители (стеарин, парафин) – для
улучшения технологических свойств,
антиокислители, красители и другие
ингредиенты, которые составляют вместе
до 65% и более, а остальное каучук.

В зависимости от
количества серы, вводимой в каучук,
различают резину мягкую и твердую.
Мягкая резина содержит 1 – 3 % серы и
обладает высокой эластичностью, твердая
резина – «эбонит» содержит 30 – 35% серы
– это твердый материал с высокой
стойкостью к ударным нагрузкам, но
низким относительным удлинением при
разрыве (2 – 5 %).

Резина широко
используется в производстве проводов
и кабелей, диэлектрических перчаток,
галош и т. п. Ее существенный недостаток
– низкая стойкость к действию озона,
кислорода, света (особенно ультрафиолетового),
тепла, электрических разрядов. Под
действием этих факторов резина стареет,
становится хрупкой и растрескивается.
Если старение резины вызвано
термоокислительной деструкцией, то она
размягчается и становится липкой. При
непосредственном контакте резины с
медью сера взаимодействует с ней образуя
сернистую медь. В таких случаях жила
провода покрывается слоем оловянно –
свинцового припоя. В кабельной технике
используют также резины содержащие
сажу. Они имеют черный цвет и стойки к
действию солнечного света, обладают
хорошими механическими свойствами, но
очень низкими электроизоляционными.
Такие резины используют только в качестве
шланговой изоляции кабелей.

3.2.2.4. Пластические
массы. Пластмассы – это композиционные
материалы, состоящие из связующего
полимера, наполнителей и других
ингредиентов. При эксплуатации они
находятся в стеклообразном или
кристаллическом состоянии. Основными
их компонентами являются связующее и
наполнители.

Связующее
образует матрицу, которая объединяет
в единое целое все составные части
пластмассы и в значительной мере
обуславливает комплекс ее свойств.

В качестве связующего
используют органические смолы
синтетические или природные, термопластичные
или термореактивные, способные при
нагреве и одновременном воздействии
давления формоваться и приобретать
заданную форму.

Наполнители
образуют прерывистую фазу, прочно
сцепленную связующим. По своей природе
они разделяются на органические и
неорганические, которые бывают
порошкообразные, волокнистые и листовые.

К органическим
порошкообразным наполнителям относятся
древесная мука, лигнин и другие дисперсные
материалы. К волокнистым – хлопковые
и льняные очесы, синтетические волокна,
текстильная и бумажная крошка. К листовым
– бумага, ткань.

К неорганическим
порошкообразным наполнителям относятся
молотые слюда и горные породы, тальк,
каолин, кальций, кварцевая мука и др. К
волокнистым – стекловолокно,
длинноволокнистый асбест. К листовым
– слюда, стеклоткань. Наполнители
улучшают механические характеристики
пластмасс и удешевляют их. В пластмассы,
от которых требуются высокие
электроизоляционные свойства, наполнители
обычно не вводят.

Кроме наполнителя,
в пластмассы для придания им тех или
иных свойств вводят пластификаторы,
отвердители, смазывающие вещества и
другие специальные добавки. Таким
образом, пластмасса является
многокомпонентной системой.

Слоистые пластики
– пластмассы, в которых наполнителем
является листовой волокнистый материал:
бумага, ткань, нетканый материал с
параллельно расположенными слоями, что
определяет анизотропию их свойств.
Производят слоистые пластики листового
строения, профильные и в виде трубок и
цилиндров. Последние называют намотанными
изделиями. В зависимости от химической
природы связующего и наполнителя
электрические свойства электроизоляционных
слоистых пластиков могут изменяться в
широких пределах.

Наиболее
распространенные виды этого материла:
гетинакс и текстолит.

Гетинакс
слоистый пластик полученный прессованием
бумаги в несколько слоев, пропитанной
феноло- или крезолоформальдегидными
смолами, или их смесями. Его прессуют
при температуре 150 – 160С,
при которой алигомер расплавляется,
заполняет поры между листами и волокнами
и затвердевает.

Гетинакс на основе
полиэтилентерафталатной бумаги и
эпоксидной смолы имеет высокую
влагостойкость механические и
электрические свойства.

Текстолит
– слоистый пластик изготовленный из
нескольких слоев ткани, предварительно
пропитанной каким-либо реактопластом.
В качестве наполнителя используются
ткани: хлопчатобумажная, стеклянная
(стеклотекстолит), полиэтилентерефталатная
(лавсановый текстолит), асбестовая
(асботекстолит), а также нетканые
материалы.

Наиболее распространен
текстолит на основе хлопчатобумажной
ткани. У него более высокие значения
удельной ударной вязкости, стойкости
к истиранию, чем у гетинакса. Электрические
свойства у них одинаковы. Стоимость
текстолита в несколько раз выше; поэтому
его целесообразно использовать для
изделий подвергающихся ударным нагрузкам
и истиранию (детали переключателей и
т. п.). У стеклотекстолита электрическая
прочность в три раза выше, чем у текстолита
из хлопчатобумажной ткани.

3.2.2.5. Керамические
диэлектрики.
Керамикой называют неорганические
материалы, полученные путем спекания
измельченных и тщательно перемешанных
различных минералов и окислов металлов.
Необходимым компонентом большинства
видов керамики являются глинистые
вещества.

Изменяя состав
исходных компонентов керамики и
технологию ее производства, получают
материалы с разнообразными электрическими
и механическими свойствами и различного
назначения: керамику конденсаторную и
установочную (изоляторную), низкочастотную
и высокочастотную, низковольтную и
высоковольтную, высокой нагревостойкости
и т. п.

Низкочастотная
установочная керамика
применяется для изготовления разнообразных
низковольтных и высоковольтных изоляторов
(переменного тока до напряжения 1150 кВ
и постоянного – до напряжения 1500 кВ):
штыревых и подвесных, опорных и проходных.
Эта керамика обладает более низкими
электрическими и механическими
свойствами, но из нее можно изготавливать
изделия сложной конфигурации.

Основным
представителем этой керамики является
электротехнический фарфор. В его состав
входят: глина – 50 %, кварц – 25 % и полевой
шпат – 25 %. С повышением температуры
электрические и механические свойства
электрофарфора значительно снижаются
после длительного воздействия постоянного
напряжения. У подвесных изоляторов ЛЭП
переменного тока, проработавших 20 – 30
лет, наблюдается потускнение глазури
и краев шапки и появление на глазури
микротрещин.

К низкочастотной
установочной керамики относится
высоковольтная стеатитовая керамика,
изготовленная на основе минерала талька,
глинистых веществ и окиси бария. Эта
керамика в сравнении с электротехническим
фарфором, имеет повышенные электрические
и механические свойства. Она применяется
там, где необходима повышенная механическая
прочность, а также при изготовлении
высокочастотных высоковольтных
изоляторов.

Кроме электротехнического
фарфора и стеатитовой керамики к этой
группе материалов относится термодугостойкая
керамика, способная многократно
выдерживать большие термоудары. Она
используется для изготовления специальных
изоляторов электронагревательных
устройств, высоковольтных выключателей
и т. п.

Этими сведениями
не ограничивается группа диэлектрических
материалов. Эти материалы, их составы
и свойства рассматриваются более
подробно при изучении специальных
электротехнических дисциплин.

Виды, характеристики и где применяются

Все вещества по-разному проводят электрический ток. Это объясняется тем, что у каждого вещества свои свойства, свой набор атомов и соответственно молекул. Это влияет на плотность вещества, количество валентных электронов и энергетических уровней.

Электрические диэлектрики. Какие они?

Как нас учили в школе, некоторые вещества плохо проводят электрический ток, а некоторые хорошо. Например, дерево очень плохо проводит, а вот алюминий проводит в разы лучше. Так вот, если вспомнить терминологию, то вещества, проводящие электричество хорошо, называются проводниками, а те, что его проводят плохо, называются… Ну как же их? Ах да, они называются электрическими диэлектриками.

Конечно мы не говорим о том, что они совсем ток не проводят, нет. Они, конечно же являются проводниками, просто сравнительно довольно плохими. Диэлектрики с другой стороны еще и вещества, которые могут довольно долго хранить в себе электрическое поле, причем на это не нужна будет внешняя энергия.

Что будет, если воздействовать извне?

Если приложить к электрическому диэлектрику внешнее электрическое поле, то свободные заряды диэлектрика начнут постепенно нейтрализовывать его. Причем, это будет происходить до тех пор, пока не закончатся электроны или результирующее поле не станет равным нулю.

Чтобы понять то какие вещества вообще могут взаимодействовать с электрическими полями, нам нужно разобраться в таком термине, как электропроводность. Если говорить простым языком, то для взаимодействия с электрическим полем у вещества должна быть довольно низкая электропроводность.

Если мы будем говорить точнее, то удельное сопротивление должно быть сравнимо с 1010 Q-см или даже сильно превосходило это значение.

А откуда берется низкая электропроводность?

Как мы знаем из базовой программы по физике, все вещества состоят из атомов. И эти атомы очень активно взаимодействуют друг с другом. У каждого из них есть свой заряд, и благодаря зарядам атомы так или иначе взаимодействуют.

Однако, как же создается такая низкая электропроводность? Вроде же есть атомы, они как-то там взаимодействуют и ток по ним мог бы идти, но не все так просто. Залогом того, чтобы проводимость вещества была низкой, выступает очень важный факт.

Если при наложении поля электроны, ионы и другие частицы не смогут свободно перемещаться или будут это делать очень плохо, то и электропроводность будет низкая, ведь все будет стоять на своих местах и свободным электронам будет просто некуда деться.

Кристаллическая решетка поможет разобраться

Сейчас в познании электрических диэлектриков нам поможет разобраться кристаллическая решетка. Для того, чтобы термины не казались нам непонятными, давайте их освежим в своей голове. Кристаллическая решетка — это группа таких точек, которые образуются в веществах (а точнее в кристаллах) под воздействием сдвигов (они, кстати, могут происходить из-за воздействия электрического поля. Отлично, вспомнили. Давайте теперь разбираться.

Как мы помним, в атоме, который в данный момент изолирован, энергия электронов не может принимать какие угодно значения. В таком состоянии энергия будет принимать четко обозначенные значение W1, W2, W3 и т.д. Вот, взгляните на график:

Конечно же, каждый из этих уровней будет немного смещен после того, как атомы войдут в состав твердой кристаллической решетки. В итоге зона, в которой будет концентрировать вся энергия будет общей для всей решетки.

Итак, в кристаллической решетке энергия электронов лежит в пределах четко определенных зон и все значения, которые находятся вне этой зоны, запрещены. Это мы поняли. Двигаемся дальше. По принципу Паули каждая зона может вместить в себя ограниченное количество электронов. Сначала электроны будут заполнять нижние уровни, а когда эти ряды заполняться полностью, они будут заполнять верхние ряды.

И вот теперь ключевая мысль, которую нужно понять, чтобы разобраться в том, почему те или иные вещества проводят электрический ток. Раз электроны постепенно заполняют ряды от нижнего к верхнему, то на самом верхнем ряду они либо заполнят этот ряд полностью, либо только частично.

Так вот, при частичном заполнении ряда электроны смогут свободно по нему перемещаться, а значит и будут проводить ток. Бинго! А вот в случае, если электроны все-таки заполнят верхний уровень, то при воздействии электрического поля никаких сдвигов не произойдет и, соответственно, такое вещество можно назвать диэлектриком.

Очень похожая ситуация происходит и с аморфными твердыми телами (ну например янтарь или полиэтилен). По определению, у таких веществ расположение атомов очень случайно, а зоны, общие для всего кристалла просто не могут существовать, а значит они тоже электрические диэлектрики.

Ионы

Точно, кроме электронов же еще есть ионы, и они тоже могут повлиять на конечную ситуацию. Их тепловое движение состоит в том, что они колеблются где-то около положения равновесия. Однако интересно то, что некоторые из них все же способны вырваться и преодолеть то, что их сдерживает.

Такие ионы можно условно называть свободными. Они перемещаются в места, где потенциальная энергия их будет очень мала. Если мы говорим об электрических диэлектриках (а мы все еще о них говорим), то такие места в плотной кристаллической решетке для них — это узлы.

Так вот, согласно теории Вальтера Шоттки, такое может происходить только тогда, когда некоторое количество узлов в решетке уже занято ионами. В физике часто называют такие узлы “дырками”. Тогда тепловое движение будет сводиться к беспорядочному перескакиванию ионов с одного узла на другой.

Диэлектрик раз и навсегда?

Когда мы называем то или иное вещество диэлектриком, мы должны понимать, что это название довольно-таки условное, ведь при определенном воздействии на вещество оно уже может потерять свойства диэлектрика. Почему так происходит?

Дело в том, что электрический ток воздействует на вещество лишь очень короткий отрезок времени, из-за чего поле в нем тоже возникает ненадолго. Поэтому, даже вещества с очень низким удельным сопротивлением можно тоже считать диэлектриком при определенных условиях.

Хорошим примером будет дистиллированная вода. А вот если напряжение будет очень долго воздействовать на вещество, то его уже можно смело называть проводником. Вот такая магия.

Аморфные диэлектрики. Какие они?

Чем особенны аморфные диэлектрики? Главное, что отличает их от других — это довольно рыхлая структура, а значит очень много пустот внутри и большое пространство, где ионы могут находится в состоянии равновесия. При этом, при переходе от одного равновесного состояния до другого энергия, расходуемая ионом будет всегда разной. В некоторых переходах ион не будет полностью высвобождаться от сдерживающих его сил, поэтому можно его условно охарактеризовать как наполовину связанный этими силами.

Такие переходы будут тратить очень небольшое количество энергии, и перемещаться ион при таких переходах сможет лишь на очень небольшое расстояние. В результате теплового перемещения такие переходы внутри аморфных тел будут встречаться гораздо чаще, ведь они требуют гораздо меньше энергии, чем другие.

Однако, небольшое количество ионов, которые содержат в себе большие запасы энергии, смогут таки преодолевать связывающие их силы и будут перемещаться на сравнительно большие расстояния.

Если провести аналогию с кристаллической решеткой, то как раз эти ионы и можно назвать свободными. Как мы с вами теперь выяснили, в целом такая обстановка при движении ионов в аморфных телах идентична твердым, но с небольшими оговорками.

Помещаем в постоянное поле

Теперь давайте немного отойдем от того, какие вещества могут быть диэлектриками и какие не могут ими быть, тем более что мы уже достаточно хорошо разобрались в этом вопросе.

Давайте попробуем сейчас ответить на такой интересный вопрос: что же будет, если диэлектрик поместить в постоянное электрическое поле? Сначала давайте дадим краткий ответ, а потом уже разберемся в этом вопросе более подробно. Так вот, если поместить диэлектрик в электрическое поле, то заряды диэлектрика, из которых он состоит будут под воздействием некоторых сил, которые будут:

• смещать связанные заряды (это только электроны и ионы)
• накладывать на беспорядочное движение тепла поля, которое будет это движение упорядочивать (положительные заряды будут идти в одну сторону с полем, а отрицательные — в обратную)

Что будет давать упорядоченное перемещение

При упорядочивании зарядов диэлектрика есть целых два варианта развития событий:

• новое равновесное состояние с другим распределением зарядов, причем движение сразу прекращается при достижении равновесия
• пока поле будет действовать, упорядочивание может длится, пока в нем еще останутся свободные электроны или свободные ионы, о которых мы поговорили выше

Поговорим о поляризации

Следующий важный термин, о котором пришло время узнать — это поляризация диэлектриков. Дело в том, что процессы смещения зарядов диэлектрика протекают с разной скоростью. Как мы уже сказали ранее, для связанных зарядов время смещения гораздо меньше, а вот другие процессы протекают очень медленно.

При смещении зарядов диэлектрика образуется еще одно поле. Оно как раз и делает главное (внешнее) поле слабее. Как раз явление образования нового поля и называется поляризацией диэлектрика. Теперь давайте углубимся в этот процесс, ведь тут очень много интересных подробностей.

Для начала давайте поймем, почему новое поле появляется именно при смещении. Тут как раз все просто, ведь теперь из беспорядочного состояния диэлектрик становится более упорядоченным — отрицательные заряды теперь расположены левее своих положительных зарядов. Как раз это и создает новое поле.

Проницаемость диэлектрика

А как же измерить, насколько внутреннее поле ослабевает внешнее? Что-ж, здесь все очень просто. Такая мера называется электрическая проницаемость или проницаемость диэлектрика (наверняка вы уже слышали такой термин). Обычно говорят, что проницаемость диэлектрика это постоянная, но на самом деле в связи с тем, что поляризация протекает довольно долго, будем говорить, что эта величина зависит от времени действия внешнего поля.

Как на проницаемость диэлектрика влияет температура?

Но только ли время влияет на электрическую проницаемость. Выясняется, что не только. Оказывается, если увеличить температура, то вместе с этим еще и увеличивается интенсивность теплового движения, а это, как вы понимаете, напрямую влияет на проницаемость диэлектрика. Почему? Все просто: переход в устойчивое состояние становится более сложным, а поэтому диэлектрическая проницаемость с увеличением температуры становится все меньше.

Пробой диэлектрика

Помните мы в данной статье уже говорили о том, что у каждого диэлектрика есть свой предел и что нельзя однозначно называть вещество диэлектриком и нужно рассматривать его в динамике. Так вот, давайте вернемся к этой теме и немного углубимся в нее. Знаете ли вы, что происходит при поляризации?

Дело в том, что при этом явлении начинается такое состояние, называемое стационарным или же квазистанционырным, если воздействие напряжения извне переменное. Такое состояние отличается от обычного тем, что значения поляризации могут очень долго держаться на одном уровне. Вместе с ними стабилизируется и электропроводность.

Если сразу же начать увеличивать напряженность в таком поле, то можно будет очень точно определить тот предел, при котором эта самая стабильность будет резко нарушаться. Сразу же увеличиться ток, электропроводность, а это уже прямой путь из диэлектрика в проводники. Действительно, после этого вещество уже нельзя охарактеризовать, как диэлектрик. Такой процесс перехода диэлектрика в проводники называется пробоем диэлектрика.

Когда мы поняли, что такое пробой, давайте теперь поймем, как можно легко определить, в какой момент пробой диэлектрика происходит. Как мы можем понять, временной порог пробоя может зависеть от температуры, агрегатного состояния вещества и многих других факторов, тут важно другое. Давайте разберем основные случаи пробоя, их всего лишь два, поэтому не пугайтесь:

• тепловые явления, при которых возрастающая электропроводность обуславливается тем, что диэлектрик очень быстро нагревается, из-за чего стационарным тепловое состояние уже быть не может
• электрические явления, которые происходят из-за увеличения количества свободных электронов и ионов. Это тоже происходит в двух случаях. Либо появление свободных зарядов обусловлено сбитием их другими движущимися зарядами, либо сбитием полем.

Поле в диэлектрике

Как мы уже поняли, поле в диэлектрике направлено ровно против внешнего электрического поля. Но этих знаний нам не хватит, чтобы хорошо разбираться в диэлектриках.

Поэтому давайте немного углубимся в эту тему. Напомним, что поляризация диэлектрика — это когда заряды перенаправляются так, что минусы смотря в одну сторону, а плюсы — в другую. Так вот, давайте же разберемся в видах поляризации.

Деформационная (или же электронная)

Этот вид поляризации интересует нас больше всего. Стоит отметить, что такая поляризация характерна для веществ, состоящих из неполярных молекул, то есть у которых нет дипольных моментов. Что происходит? Все просто — главное, что нужно понять, это то, что смещаются электронные оболочки. При этом, положительно заряженные атомные ядра смещаются по направлению к внешнему полю, а отрицательно заряженные электронные оболочки — против поля.

Дипольная (или же ориентационная)

Это один из наиболее распространенных видов поляризации. Однако здесь все с точностью до наоборот. Здесь уже меняют ориентацию диполи. Здесь все еще просто — когда поле снаружи не воздействует на вещество, порядок у диполей абсолютно хаотичен, но когда внешнее поле начинает воздействовать на вещество, то абсолютно все диполи разворачиваются положительной стороной к полю, которое на него воздействует. Как мы уже разбирались выше, стабильность положения диполей определяется напряженностью поля и температурой вещества.

Ионная

Да, этот вид поляризации мы тоже не забыли. Здесь речь идет о смещении положительной решетки ионов. Они расположатся вдоль поля, а отрицательные — против.

Так почему же в самом начале мы сказали, что нас больше всего будет интересовать именно первый вид поляризации, если мы будет рассматривать положительные заряды? Все просто. Положительные заряды играют какую-то роль только при таком воздействии внешнего поля на вещество. Поэтому можете считать, что вы уже знаете о них все, что нужно.

Плоский диэлектрик

Почему-то многие иногда называют диэлектрик внутри плоского конденсатора. Быть может, так его называть просто удобнее. На самом деле, плоский конденсатор — это очень интересное устройство, поэтому поговорим о нем и о его диэлектрике (плоском диэлектрике раз уж на то пошло).

Раз уж мы говорим о конденсаторе, то давайте сразу же научимся определять его емкость (или же емкость диэлектрика). Для этого воспользуемся этой прекрасной формулой:

Давайте поймем, что здесь означает каждая из букв. S — это, очевидно, площадь обкладок данного плоского конденсатора. Буква d обозначает расстояние между обкладками, а остальные две переменные — это диэлектрическая проницаемость диэлектрика (плоского диэлектрика) и электрическая постоянная (если кто-то из вас подзабыл, 8,854 пФ/м)

Странно, но сейчас плоские конденсаторы встречаются очень редко. Возможно, это связано с пленочными технологии, которые настолько микроскопически, что делать их довольно сложно и дорого.

Почему плоский с конденсатор с диэлектриком не могут друг без друга?

Ответ на этот вопрос не так уж сложен. Все дело в том, что от диэлектрика зависит самый важный и основной элемент в плоском конденсаторе — его емкость. Давайте поговорим о том, как это работает. Как мы знаем, аморфное вещество состоит из диполей, которые, в свою очередь, укреплены на своих местах и хаотично ориентированы.

Когда поле извне воздействует на это самое аморфное вещество, диполи разворачиваются вдоль силовых линий это внешнего поля. При этом, поле ослабевает, а заряд постепенно накапливается, пока поле не перестанет действовать. И так длится цикл за циклом. Именно поэтому плоский конденсатор с диэлектриком можно рассматривать только вместе.

Как не путать проводники и диэлектрики

До этого мы с вами очень подробно рассмотрели диэлектрики, узнали, как они работают, как устроены внутри. Теперь же давайте узнаем, как они используются в реальной жизни и как не спутать их с проводниками.

Где применяются диэлектрики

Диэлектрики применяются во многих сферах жизни, а именно в тех, где нужен электрический ток.

Особенно активно их используют в сельском хозяйстве, промышленности и приборостроении.

Твердые диэлектрики

Диэлектрики бывают разные. Например, твердые диэлектрики могут обеспечивать безопасность приборов, работающий на электричестве. Они являются хорошими изоляторами тока, а значит очень сильно влияют на долговечность этих приборов. Одним из примеров можно назвать диэлектрические перчатки.

Жидкие диэлектрики

А вот диэлектрики жидкие нужны немного для другого. Они то используются в конденсаторах, кабелях, системах охлаждения с циркуляцией воздуха и во многих других приборах.

Газообразные диэлектрики

Также существуют и газообразные диэлектрики, хоть они и не так популярны в наши дни. Эти диэлектрики создала сама природа. Например, водород используется для мощных генераторов, у которых просто запредельная теплоемкость, а вот азот помогает по максимуму сократить окислительные процессы. Самым же простым примером газообразного диэлектрика мы считаем воздух. Да-да, это тоже диэлектрик, причем еще и тепло может отводить.

Какие бывают диэлектрические материалы?

Когда дело доходит до выбора правильного решения по изоляции для электрических приложений, важно понимать диэлектрические свойства и свойства используемого материала или материалов.

Диэлектрический материал плохо проводит электричество, но может поддерживать электростатические поля. Это означает, что если на материал воздействует внешнее электрическое поле, вещество поляризуется. Это позволяет ему накапливать электрический заряд, что делает его плохим проводником, но хорошим носителем информации.

Еще одним важным свойством диэлектриков является их способность поддерживать электростатическое поле, которое рассеивает минимальную тепловую энергию – чем ниже диэлектрические потери (количество тепла, рассеиваемого при зарядке), тем эффективнее будет материал в качестве диэлектрика. Также важным свойством является диэлектрическая проницаемость, иногда называемая относительной диэлектрической проницаемостью. Это означает отношение количества электрической энергии, хранящейся в материале при приложенном напряжении, к энергии, хранящейся в вакууме.

Желательна более низкая диэлектрическая проницаемость, поскольку вещества с высокой диэлектрической проницаемостью имеют тенденцию легче разрушаться при воздействии интенсивных электрических полей, поэтому материалы с низкой и средней электрической проницаемостью обычно используются в устройствах с высоким напряжением.

Диэлектрические материалы делятся на типы в зависимости от их состояния – твердые, жидкие или газообразные. Каждый тип имеет разные диэлектрические свойства и, в зависимости от его состояния, разные области применения.

 

Твердые диэлектрики

На практике большинство диэлектрических материалов имеют тенденцию быть твердыми. Они используются в качестве изоляции в конденсаторах, высоковольтных трансформаторах и переключателях, воздушных линиях и кабелях. Твердые диэлектрики имеют умеренную диэлектрическую проницаемость. К твердым диэлектрическим материалам относятся:

• Неорганические материалы, такие как керамика и стекло
• Пластиковые пленки (например, каптон)
• Жесткие ламинаты, армированные волокном
• Смолы, лаки и силиконы 
• Вулканизированные клейкие ленты
• Слюда
• Текстиль и волокна (например, номекс)
• Эластомеры и резиноподобные материалы (например, ПВХ, MDPE, XLPE)

Каждый тип твердого диэлектрического материала имеет свои физические, электрические и термические свойства, которые делают его пригодным для различных применений. Одни заведомо более гибкие, прочные, впитывают больше или меньше влаги, обладают другими теплоизоляционными свойствами.

Жидкие диэлектрики

Одним из наиболее распространенных применений жидких диэлектриков является изоляция и охлаждение трансформаторов, реакторов, конденсаторов и реостатов (переменные резисторы, используемые для управления токами). Диэлектрики в жидкой форме используются для предотвращения или замедления электрических разрядов. Основным недостатком многих жидких диэлектриков является то, что они легко воспламеняются. Хотя были испытаны альтернативы минеральному маслу, такие как полихлорированные бифенилы (ПХБ), они очень токсичны и были запрещены в 1970-х годах. Другие жидкие диэлектрики, такие как силиконовые и фторуглеродные масла, очень дороги.

Примеры жидких диэлектрических материалов включают:

• Углеводороды минерального масла
• Силиконовые жидкости
• Синтетические сложные эфиры

 

Газовые диэлектрики

Газовые диэлектрики обычно используются в герметизированных трансформаторах, линиях с элегазовой изоляцией (ГИЛ), распределительных устройствах напряжения, автоматических выключателях и трансформаторах с элегазовой изоляцией (ГИТ). Наиболее распространенный изолирующий газ, гексафторид серы, содержит большое количество фтора, который отлично гасит разряд и обладает хорошими охлаждающими свойствами. Однако при разложении может образовываться декафторид дисеры, который очень токсичен.

Некоторые газовые диэлектрики включают:

• Гексафторид серы
• Азот
• Воздух
• Углекислый газ
• Водород

Слюда в качестве диэлектрика

Московитская слюда имеет диэлектрическую прочность около 2000 В на миллиметр. Это означает, что миллиметр слюды может выдержать 2000 В, прежде чем он сломается и начнет проводить электричество. Высокая диэлектрическая прочность и относительно низкая диэлектрическая проницаемость делают его идеальным выбором для высоковольтных устройств, таких как конденсаторы, трансформаторы и переключатели.

Слюда также обладает такими преимуществами, как устойчивость к высоким температурам, гибкость, долговечность, незначительное впитывание влаги или ее полное отсутствие, а также экономичность.

Если вы хотите узнать больше о том, как мы можем использовать слюду для разработки и решения ваших проблем с изоляцией высокого напряжения, свяжитесь с нами сегодня.

Опубликовано в блогах

Свойства диэлектриков — материалы, типы, примеры и применение

Диэлектрический материал является плохим проводником электричества, т. е. изолятором, что означает, что при приложении напряжения через материал не может проходить ток. Однако на атомном уровне происходят определенные корректировки. Он поляризован, когда к поверхности диэлектрика приложено напряжение. Поскольку атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, поляризация — это эффект, который слегка смещает электроны в сторону положительного напряжения. Они не перемещаются достаточно далеко, чтобы генерировать ток через материал — сдвиг микроскопический, но имеет очень важное значение, особенно при работе с конденсаторами.

 

При удалении источника напряжения из материала он либо возвращается в исходное неполяризованное состояние, либо остается поляризованным, если молекулярные связи материала слабы. Различие между диэлектрическими и изоляторными терминами не очень хорошо известно. Полностью диэлектрические материалы являются изоляторами, но те, которые легко поляризуются, являются хорошим диэлектриком.

 

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

 

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость — это способность объекта удерживать столько энергии в форме электрического поля, сколько вещество концентрирует электрический поток. Его также можно рассматривать как отношение диэлектрической проницаемости объекта к диэлектрической проницаемости свободного пространства.

Типы диэлектрических материалов

Диэлектрики сгруппированы в соответствии с типом молекул, присутствующих в материале. Существует два типа диэлектриков – неполярный диэлектрик и полярный диэлектрик.

Полярный диэлектрик

Центр масс положительных частиц в полярных диэлектриках не совпадает с центром масс отрицательных частиц. Здесь присутствует дипольный момент. Форма молекул асимметрична. При приложении электрического поля молекулы выравниваются с электрическим полем. Случайный дипольный момент наблюдается, когда электрическое поле снимается, и суммарный дипольный момент в молекулах становится равным нулю.

 

Пример: H ₂ O, HCl.

 

Неполярный диэлектрик

Центр масс положительных и отрицательных частиц совпадает внутри неполярных диэлектриков. Эти молекулы не обладают дипольным моментом. Эти молекулы имеют форму симметрии.

 

Пример: H ₂ , O ₂ , N ₂ .

 

Пример диэлектрического материала

Диэлектрическим материалом может быть вакуум, твердые тела, жидкости и газы.

• Керамика, бумага, слюда, стекло и т. д. являются некоторыми примерами твердых диэлектрических материалов.

• Дистиллированная вода, трансформаторное масло и т. д. являются жидкими диэлектрическими материалами.

• Диэлектрические газы — это азот, сухой воздух, гелий, различные оксиды металлов и т. д. Идеальный вакуум также является диэлектриком.

Применение диэлектрических материалов

• Диэлектрики используются в конденсаторах для хранения энергии.

• Керамический диэлектрик используется в диэлектрическом резонаторе генератора.

• Диэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью используются для улучшения характеристик полупроводниковых устройств.

• Минеральные масла используются в качестве диэлектрической жидкости в электрических трансформаторах и способствуют процессу охлаждения.

• Электреты, специально обработанный диэлектрический материал, служат электростатическим эквивалентом магнитов.

• Пластиковые пленки использовались в качестве пленок в различных областях, таких как изоляция конденсаторов между фольгой и изоляция щелей во вращающихся электрических машинах.

• В настоящее время жидкие диэлектрики, в основном углеводородные минеральные масла, в основном используются в качестве изолирующей и охлаждающей среды для трансформаторов, заземляющих реакторов, шунтирующих реакторов, реостатов и т. д.

Что такое диэлектрические свойства?

Подобно идеальному конденсатору, диэлектрик хранит и рассеивает электрическую энергию. Основные свойства диэлектрического материала включают электрическую восприимчивость, диэлектрическую поляризацию, диэлектрическую дисперсию, диэлектрическую релаксацию, настраиваемость и т. д.

 

Электрическая восприимчивость: Электрическая восприимчивость измеряет, насколько легко диэлектрический материал поляризуется при воздействии электрического поля. Эта величина также определяет электрическую проницаемость материала.

 

Диэлектрическая поляризация: Электрический дипольный момент является мерой разделения отрицательного и положительного зарядов в системе. Связь между моментом диполя (M) и электрическим полем (E) определяет диэлектрические свойства. Когда приложенное электрическое поле снимается, атом возвращается в исходное состояние. Это происходит в экспоненциальном порядке затухания. Время, за которое атом достигает исходного состояния, называется временем релаксации.

 

Пробой диэлектрика: при приложении более высоких электрических полей изолятор начинает проводить и действовать как проводник.