ДИЕЛЕКТРИКИ, супстанции кои слабо го спроведуваат електрицитетот. Терминот „диелектрик“ беше воведен од М. Фарадеј за да означи супстанции во кои продира електростатско поле. Кога се ставаат во електрично поле од која било супстанција, електроните и атомски јадраискусните сили од ова поле. Како резултат на тоа, некои од полнежите се движат во насока, создавајќи електрична струја. Останатите полнежи се прераспределуваат така што „тежиштето“ на позитивните и негативните полнежи се поместуваат еден во однос на друг. Во вториот случај зборуваме за поларизација на супстанцијата. Во зависност од тоа кој од овие два процеса (поларизација или електрична спроводливост) преовладува, супстанциите се делат на диелектрици (сите нејонизирани гасови, некои течности и цврсти материи) и проводници (метали, електролити, плазма).

Електричната спроводливост на диелектриците е многу мала во споредба со металите. Електричната отпорност на диелектриците е 10 8 -10 17 Ohm cm, металите - 10 -6 -10 -4 Ohm cm.

Квантитативна разлика во електричната спроводливост на диелектриците и металите класична физикасе обиде да објасни со фактот дека во металите има слободни електрони, додека кај диелектриците сите електрони се врзани (припаѓаат на поединечни атоми) и електричното поле не ги откинува, туку само малку ги поместува.

Квантна теорија солиднаја објаснува разликата електрични својстваметали и диелектрици со различна дистрибуција на електрони низ енергетските нивоа. Во диелектриците, горниот дел е исполнет со електрони. ниво на енергијасе совпаѓа со горната граница на една од дозволените ленти (кај металите лежи во дозволената лента), а најблиските слободни нивоа се одделени од пополнетите со забранета лента, која електроните не можат да ја надминат под влијание на не премногу силен електричен полиња (види теорија на опсег). Акција електрично полесе сведува на прераспределба на густината на електроните, што доведува до поларизација на диелектрикот.

Поларизација на диелектриците.Механизмите за поларизација на диелектриците зависат од природата на хемиската врска, т.е. од распределбата на густината на електроните во диелектриците. Во јонските кристали (на пример, NaCl), поларизацијата е резултат на поместување на јоните еден во однос на друг (јонска поларизација), како и деформација електронски обвивкипоединечни јони (електронска поларизација), т.е. збир на јонски и електронски поларизации. Во кристали со ковалентна врска(на пример, дијамант), каде што густината на електроните е рамномерно распределена помеѓу атомите, поларизацијата се должи главно на поместувањето на електроните кои вршат хемиска врска. Во таканаречените поларни диелектрици (на пример, цврст H 2 S), групите атоми претставуваат електрични диполи, кои се случајно ориентирани во отсуство на електрично поле, а во полето тие добиваат преференцијална ориентација. Оваа ориентациона поларизација е типична за многу течности и гасови. Сличен механизам за поларизација е поврзан со „скок“ под влијание на електричното поле на поединечни јони од една позиција на рамнотежа во решетката до друга. Овој механизам особено често се забележува кај супстанции со водородни врски (на пример, мраз), каде што атомите на водород имаат неколку рамнотежни позиции.

Поларизацијата на диелектриците се карактеризира со векторот на поларизација P, кој го претставува електричниот диполен момент по единица волумен на диелектрикот:

каде што p i се диполните моменти на честичките (атоми, јони, молекули), N е бројот на честички по единица волумен. Векторот P зависи од јачината на електричното поле E. Во слабите полиња Ρ = ε 0 ϰΕ. Коефициентот на пропорционалност ϰ се нарекува диелектрична осетливост. Често, наместо векторот P, се користи векторот на електрична индукција (1)

каде ε е диелектричната константа, ε 0 е електричната константа. Количините ϰ и ε се главните карактеристики на диелектрикот. Во анизотропните диелектрици (на пример, во некубни кристали), насоката P се одредува не само од насоката на полето E, туку и од насоката на оските на симетријата на кристалот. Затоа, векторот P ќе прави различни агли со векторот Е во зависност од ориентацијата на E во однос на оските на симетријата на кристалот. Во овој случај, векторот D ќе се определи преку векторот Е користејќи не една вредност ε, туку неколку (во општиот случај шест) формирајќи го тензорот на диелектричната константа.

Диелектриците во наизменично поле.Ако полето E се промени со времето t, тогаш поларизацијата на диелектрикот нема време да ја следи, бидејќи поместувањата на полнежот не можат да се појават веднаш. Бидејќи секое наизменично поле може да се претстави како збир на полиња што се менуваат според хармонискиот закон, доволно е да се проучи однесувањето на диелектрикот во полето E = E 0 sinωt, каде што ω е фреквенцијата на наизменичното поле, E 0 е амплитудата на јачината на полето. Под влијание на ова поле, D и P исто така ќе осцилираат хармонично и со иста фреквенција. Сепак, се појавува фазна разлика δ помеѓу осцилациите на P и E, што е предизвикано од заостанувањето на поларизацијата P од полето E. Хармоничкиот закон може да се претстави во сложена форма E = E 0 e iωt, потоа D = D 0 e iωt, и D 0 = ε(ω) Ε 0. Диелектричната константа во овој случај е сложена величина: ε(ω) = ε’ + iε’’, ε’ и ε’’ зависат од фреквенцијата на наизменичното електрично поле ω. Абсолутна вредност

ја одредува амплитудата на осцилацијата D, а односот ε'/ε" = tanδ е фазна разлика помеѓу осцилациите D и E. Вредноста δ се нарекува агол на диелектрична загуба. Во постојано електрично поле ω = 0, ε" = 0 , ε' = ε.

Во наизменичните електрични полиња со високи фреквенции, својствата на диелектрикот се карактеризираат со индекс на рефракција n и индекс на апсорпција k (наместо ε’ и ε"). Прво еднаков на односотбрзини на ширење на електромагнетни бранови во диелектрик и во вакуум. Индексот на апсорпција k го карактеризира слабеењето на електромагнетните бранови во диелектрик. Големините n, k, ε’ и ε" се поврзани со релација (2)

Поларизација на диелектриците во отсуство на електрично поле.Во голем број цврсти диелектрици (пироелектрици, фероелектрици, пиезоелектрици, електрети), поларизацијата може да постои без електрично поле, односно може да биде предизвикана од други причини. Така, во пироелектриката, полнежите се распоредени толку асиметрично што центрите на гравитација на полнежи со спротивни знаци не се совпаѓаат, т.е. диелектрикот е спонтано поларизиран. Сепак, поларизацијата кај пироелектриците се појавува само кога температурата се менува, кога се компензира со поларизација електрични полнежиНемаат време да се предомислат. Еден вид пироелектрици се фероелектриците, чија спонтана поларизација може значително да се промени под влијание на надворешни влијанија (температура, електрично поле). Во пиезоелектриката, поларизацијата настанува кога кристалот е деформиран, што се должи на особеностите на нивните кристална структура. Поларизација во отсуство на поле може да се забележи и кај одредени супстанции како што се смоли и очила, наречени електрети.

Електричната спроводливост на диелектриците е мала, но секогаш различна од нула. Мобилните носители на полнеж во диелектриците можат да бидат електрони и јони. Во нормални услови, електронската спроводливост на диелектриците е мала во споредба со јонската спроводливост. Јонската спроводливост може да биде предизвикана од движењето и на внатрешните јони и на јоните на нечистотијата. Можноста за движење на јони низ кристал е поврзана со присуството на дефекти во кристалите. Ако, на пример, има празно место во кристал, тогаш под влијание на поле соседен јон може да го окупира, следниот јон може да се пресели во новоформираното слободно место итн. Како резултат на тоа, се јавува движење на празни места, што доведува до пренос на полнеж низ целиот кристал. Движењето на јоните се јавува и како резултат на нивните скокови долж интерстиците. Како што се зголемува температурата, јонската спроводливост се зголемува. Површинската спроводливост може да даде забележителен придонес во електричната спроводливост на диелектрикот (видете Површински феномени).

Распаѓање на диелектриците.Густина електрична струја j низ диелектрикот е пропорционален на јачината на електричното поле E (закон на Ом): j = ςE, каде ς е електричната спроводливост на диелектрикот. Меѓутоа, во доволно силни полиња, струјата се зголемува побрзо отколку според законот на Ом. При одредена критична вредност на E pr, настанува електричен дефект на диелектрикот. Вредноста E pr се нарекува диелектрична јачина на диелектрикот. За време на дефект, речиси целата струја тече низ тесен канал (види Тековен кабел). Во овој канал, j достигнува големи вредности, што може да доведе до уништување на диелектрикот: се формира проодна дупка или диелектрикот се топи низ каналот. Каналот може да протече хемиски реакции; на пример, јаглеродот се депонира во органските диелектрици, металот се депонира во јонските кристали (метализација на каналот), итн. Распаѓањето е олеснето со нехомогености кои се секогаш присутни во диелектрикот, бидејќи на местата на нехомогеност полето Е може локално да се зголемува.

Во цврсти диелектрици, се разликуваат топлински и електрични дефекти. При термичко распаѓање, како што се зголемува j, се зголемува количината на топлина ослободена во диелектрикот и, следствено, температурата на диелектрикот се зголемува, што доведува до зголемување на бројот на носителите на полнеж n и намалување на специфичната електричен отпорρ. За време на електричен дефект, како што полето се зголемува, создавањето на носителите на полнеж под влијание на полето се зголемува, а ρ исто така се намалува.

Електричната јачина на течните диелектрици силно зависи од чистотата на течноста. Присуството на нечистотии и загадувачи значително го намалува Epr За чисти хомогени течни диелектрици, Epr е блиску до Epr на цврсти диелектрици. Дефектот во гасот е поврзан со јонизација на ударот и се манифестира во форма на електрично празнење.

Нелинеарни својства на диелектриците. Линеарна зависност P = ε 0 ϰE важи само за полиња E кои се значително пониски од интракристалните полиња E cr (E cr од редот на 10 8 V/cm). Бидејќи E pr<< Е кр, то в большинстве диэлектриков не удаётся наблюдать нелинейную зависимость Р(Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, в которых в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость Р(Е). При высоких частотах электрическая прочность диэлектрика повышается, поэтому нелинейные свойства любых диэлектриков проявляются в ВЧ-полях больших амплитуд. В частности, в луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённостью порядка 10 8 В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства диэлектрика, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная оптика).

Примена на диелектрици.Диелектриците се користат првенствено како електрични изолациски материјали. Пиезоелектриците се користат за претворање на механички сигнали (поместувања, деформации, звучни вибрации) во електрични и обратно (види Пиезоелектричен трансдуцер); пироелектрика - како термички детектори на различни зрачења, особено IR зрачење; Фероелектриците, кои се исто така пиезоелектрици и пироелектрици, се користат и како кондензаторски материјали (поради нивната висока диелектрична константа), како и нелинеарни елементи и мемориски елементи во различни уреди. Повеќето оптички материјали се диелектрици.

Лит.: Фрелих Г. Теорија на диелектриците. М., 1960; Хипел А.Р. Диелектрици и бранови. М., 1960; Feynman R., Layton R., Sands M. Feynman предавања по физика. М., 1966. Број. 5: Електрична енергија и магнетизам; Калашников С.Г. Електрична енергија. 5-ти ед. М., 1985 година.

А.П. Левањук, Д.Г. Саников.

Предавање 1.3.1. Поларизација на диелектриците

Диелектрични материјали

Диелектриците се супстанции кои можат да се поларизираат и да одржуваат електростатско поле. Ова е широка класа на електрични материјали: гасовити, течни и цврсти, природни и синтетички, органски, неоргански и органоелементи. Според функциите што ги извршуваат се делат на пасивни и активни. Како електрични изолациски материјали се користат пасивни диелектрици. Во активните диелектрици (фероелектрици, пиезоелектрици, итн.), Електричните својства зависат од контролните сигнали кои можат да ги променат карактеристиките на електричните уреди и инструменти.

Врз основа на електричната структура на молекулите, се разликуваат неполарни и поларни диелектрици. Неполарните диелектрици се состојат од неполарни (симетрични) молекули во кои центрите на позитивни и негативни полнежи се совпаѓаат. Поларните диелектрици се состојат од асиметрични молекули (диполи). Диполна молекула се карактеризира со диполен момент - стр.

За време на работата на електричните уреди, диелектрикот се загрева, бидејќи дел од електричната енергија во него се троши во форма на топлина. Диелектричните загуби силно зависат од фреквенцијата на струјата, особено за поларните диелектрици, така што тие се нискофреквентни. Неполарните диелектрици се користат како високофреквентни.

Главните електрични својства на диелектриците и нивните карактеристики се дадени во табелата. 3.

Табела 3 - Електрични својства на диелектриците и нивните карактеристики

Поларизацијата е ограниченото поместување на врзаните полнежи или ориентацијата на диполните молекули во електричното поле. Под влијание на линиите на електричното поле, полнежите на диелектрикот се поместуваат во насока на дејствувачките сили, во зависност од големината на интензитетот. Во отсуство на електрично поле, полнежите се враќаат во претходната состојба.

Постојат два вида на поларизација: моментална поларизација, целосно еластична, без ослободување на енергија на расејување, т.е. без создавање топлина, за време од 10 -15 – 10 -13 s; поларизацијата не се јавува моментално, туку полека се зголемува или намалува и е придружена со дисипација на енергија во диелектрикот, т.е. се загрева со поларизација на релаксација за време од 10 -8 до 10 2 s.

Првиот тип вклучува електронска и јонска поларизација.



Електронска поларизација (C e, Q e)– еластично поместување и деформација на електронските обвивки на атомите и јоните за време од 10 -15 с. Таквата поларизација е забележана за сите видови диелектрици и не е поврзана со загуба на енергија, а диелектричната константа на супстанцијата е нумерички еднаква на квадратот на индексот на прекршување на светлината n 2.

Јонска поларизација (C и, Q и)е карактеристично за цврсти материи со јонска структура и е предизвикан од поместувањето (осцилацијата) на еластично врзаните јони на јазлите на кристалната решетка за време од 10 -13 s. Со зголемување на температурата, поместувањето се зголемува и како резултат на слабеењето на еластичните сили помеѓу јоните, а температурниот коефициент на диелектричната константа на јонските диелектрици се покажува позитивен.

Вториот тип ги вклучува сите поларизации за релаксација.

Поларизација на дипол-релаксација (C dr, r dr, Q dr)поврзани со термичкото движење на диполите за време на поларните врски помеѓу молекулите. Ротирањето на диполите во насока на електричното поле бара надминување на одреден отпор и ослободување на енергија во форма на топлина (r dr). Времето на релаксација овде е од редот на 10 -8 – 10 -6 s - ова е временски период во кој редоследот на диполите ориентирани од електричното поле по отстранувањето на полето ќе се намали поради присуството на термички движења за 2,7 пати од почетната вредност.

Поларизација на јонска релаксација (C ir, r ir, Q ir)забележано во неоргански чаши и во некои супстанции со лабаво пакување на јони. Лабаво врзаните јони на супстанцијата под влијание на надворешно електрично поле при хаотични термички движења добиваат вишок бранови во насока на полето и се поместуваат по линијата на нејзиното поле. По отстранувањето на електричното поле, ориентацијата на јоните слабее според експоненцијален закон. Времето на релаксација, енергијата на активирање и фреквенцијата на природните осцилации се случуваат во рок од 10 -6 - 10 -4 секунди и се поврзани со закон

каде што f е фреквенцијата на природните вибрации на честичките; v - енергија за активирање; k – Болцманова константа (8,63 10 -5 EV/deg); Т – апсолутна температура според К0.

Електронска поларизација на релаксација (C er, r er, Q er)се јавува поради возбудените топлински енергии на вишок, неисправни електрони или „дупки“ во време од 10 -8 – 10 -6 с. Типично е за диелектрици со високи индекси на рефракција, големо внатрешно поле и електронска електрична спроводливост: титаниум диоксид со нечистотии, Ca+2, Ba+2, голем број соединенија на база на метални оксиди со променлива валентна - титаниум, ниобиум, бизмут. Со оваа поларизација, постои висока диелектрична константа и при негативни температури има максимум во температурната зависност од e (диелектрична константа). e за керамиката што содржи титаниум се намалува со зголемување на фреквенцијата.

Структурни поларизацииразликуваат:

Поларизација на миграцијата (C m, r m, Q m)се јавува во цврсти материи со нехомогена структура со макроскопски нехомогености, слоеви, интерфејси или присуство на нечистотии во време од редот на 10 2 s. Оваа поларизација се манифестира на ниски фреквенции и е поврзана со значителна дисипација на енергија. Причините за таквата поларизација се спроводливи и полупроводнички подмножества во технички, сложени диелектрици, присуство на слоеви со различна спроводливост итн. На интерфејсите помеѓу слоевите во слоевите на диелектрикот и електродата, се акумулираат полнежи на бавно подвижни јони - ова е ефектот на меѓуслојната или структурната високонапонска поларизација. За фероелектрика има спонтана или спонтана поларизација, (C sp, r sp, Q sp),кога има значителна дисипација на енергија или ослободување на топлина поради домени (одвоени региони, ротирачки електронски обвивки) кои се поместуваат во електричното поле, т.е., дури и во отсуство на електрично поле, постојат електрични моменти во супстанцијата и на одредено надворешно поле сила сатурација се случува и забележани зголемување на поларизација.

Класификација на диелектриците по тип на поларизација.

Првата група се диелектрици со електронска и јонска моментална поларизација. Структурата на таквите материјали се состои од неутрални молекули, може да биде слабо поларна и е карактеристична за цврсти кристални и аморфни материјали како парафин, сулфур, полистирен, како и течни и гасовити материјали како бензен, водород итн.

Втората група се диелектрици со електронски и дипол-релаксирачки поларизации - тоа се поларни органски течности, полутечни, цврсти материи како што се соединенија на маслени колофони, епоксидни смоли, целулоза, хлорирани јаглеводороди итн. материјали.

Третата група се цврсти неоргански диелектрици, кои се поделени во две подгрупи кои се разликуваат по електричните карактеристики - а) диелектрици со електронски и диполо-релаксирачки поларизации, како што се кварц, мика, камена сол, корунд, рутил; б) диелектрици со електронски и јонски релаксирачки поларизации - тоа се чаши, материјали со стаклена фаза (порцелан, микалекс итн.) и кристални диелектрици со лабаво пакување на јони.

Четвртата група се диелектриците кои имаат електронски и јонски моментални и структурни поларизации, што е карактеристично за многу позициони, сложени, слоевити и фероелектрични материјали.

Диелектричните материјали во електронската опрема се одвојуваат електрично, додека цврстите материјали се одвојуваат механички со спроводници кои се под различни електрични потенцијали. Се користат за електрична изолација на елементите на опремата, за складирање на енергија на електричното поле (кондензатори), за производство на структурни делови, како и во форма на облоги на површината на делови, за лепење делови.

Диелектрични својства на материјалите

Главното својство на диелектрикот е да не спроведува електрична струја. СПЕЦИФИЧНИОТ ОТПОР НА ВОЛУМЕНТ на диелектриците е висок: од 108 до 1018 Ом, бидејќи во нив речиси и да нема бесплатни носители на електрично полнење. Одредена спроводливост е предизвикана од нечистотии и структурни дефекти.

Секогаш има повеќе нечистотии и дефекти на површината на кое било тело, затоа, за диелектриците се воведува концептот на површинска спроводливост и параметарот ПОВРШИНСКИ ОТПОР s, дефиниран како отпор измерен помеѓу два линеарни проводници долги по 1 m, лоцирани паралелно со едни со други на растојание од 1 m на површината на диелектрикот . Вредноста на s силно зависи од начинот на добивање (обработка) на површината и нејзината состојба (прашина, влага и сл.). Бидејќи површинската електрична спроводливост обично значително ја надминува волуметриската спроводливост, се преземаат мерки за нејзино намалување.

Диелектрикот е изолатор само во однос на директниот напон. Во наизменично електрично поле, струјата тече низ диелектрикот поради неговата поларизација.

ПОЛАРИЗАЦИЈА е процес на поместување на врзаните полнежи на ограничено растојание под влијание на надворешно електрично поле.

Електроните на атомите се поместуваат кон позитивниот пол, јадрата на атомите - кон негативниот. Истото се случува со јоните во јонските кристали, со молекули или делови од молекули со нерамномерна распределба на наелектризираните честички во волуменот што го зафаќаат. Како резултат на поларизацијата, во диелектрикот се формира сопствено внатрешно поле, неговиот вектор е помал по големина и спротивен во насока на векторот на надворешното поле. Електричниот капацитет помеѓу електродите со диелектрик е поголем отколку помеѓу истите електроди без диелектрик за фактор од, каде е РЕЛАТИВНИОТ ДИЕЛЕКТРИЧЕН КОНТИНУИТЕТ НА ДИЕЛЕКТРИКОТ.

При ЕЛЕКТРОНСКА ПОЛАРИЗАЦИЈА, под влијание на надворешно електрично поле, електронските обвивки на атомите на супстанцијата се деформираат. Се карактеризира со кратко (околу 10-15 секунди) време на смирување и затоа е без инерција за радиофреквенции, не зависи од фреквенцијата, слабо зависи од температурата и се јавува практично без загуби. Супстанциите со претежно електронска поларизација (слабо поларни диелектрици) имаат ниска диелектрична константа: од 1,8 до 2,5. Овој тип на поларизација е својствен за сите супстанции.

ЈОНСКА ПОЛАРИЗАЦИЈА се јавува кај јонски цврсти материи, има време на таложење од редот на 10-13 секунди, па затоа практично не зависи од фреквенцијата на полето и слабо зависи од температурата. Вредноста за повеќето материјали со јонска поларизација е од 5 до 10.

ДИПОЛСКА (ОРИЕНТАЦИЈА) ПОЛАРИЗАЦИЈА се манифестира како ориентација под влијание на поле од поларни молекули или групи на атоми. На пример, молекулите на водата се поларни, во кои атомите на водородот се наоѓаат асиметрично во однос на атомот на кислород, или винил хлорид (мономер поливинил хлорид) H2C-CHCl. За да се надмине интеракцијата на молекулите и силите на триење, се троши енергија на полето, која се претвора во топлинска енергија; затоа, диполската поларизација е нееластична, релаксирачка по природа. Поради големите димензии и маси на диполите вклучени во диполската поларизација, нејзината инерција е значајна и се манифестира во форма на силна зависност на диелектричната константа и загубите на енергија од фреквенцијата.

ПОЛАРИЗАЦИЈАТА НА МИГРАЦИЈАТА е предизвикана од нееластични движења на слабо врзани нечистотии јони на кратки растојанија. Во однос на последиците (загуба на енергија, зависност од фреквенција), оваа поларизација е слична на дипол.

Загубите на енергија во диелектрик за време на поларизација се проценуваат со ТАНГЕНА НА ЗАГУБЕН АГОЛ tg. Диелектрик со загуби во електрично коло е претставен како еквивалентно коло: идеален кондензатор и отпорност на загуби поврзани паралелно со него. Аголот го надополнува до 90o аголот на поместување помеѓу струјата и напонот во векторскиот дијаграм на таквата мрежа со два терминали. Добрите (слабо поларни) диелектрици имаат tg10-3, што е малку зависно од фреквенцијата. Сиромашните диелектрици имаат tg мерено во десетини од единството или уште повеќе, силно зависно од фреквенцијата.

Посебни типови се формираат со поларизација под влијание на механички напрегања, забележани во ПИЕЗОЕЛЕКТРИКАТА, како и СПОНТАНА ПОЛАРИЗАЦИЈА кај ПИРОЕЛЕКТРИКАТА и ФЕРОЕЛЕКТРИКАТА. Таквите диелектрици се нарекуваат АКТИВНИ и се користат во специјални уреди: резонатори, филтри, пиезоелектрични генератори и трансформатори, конвертори на зрачење, кондензатори со голем специфичен капацитет итн.

ЕЛЕКТРИЧНА ЈАКА - способност на диелектрикот да одржува висока отпорност во високонапонските кола. Се проценува според јачината на полето на распаѓање Epr = Upr/d, каде што Upr е напонот што го предизвикува дефектот, d е дебелината на диелектрикот. Димензија Epr - V/m. За различни диелектрици, Epr = 10...1000 MV/m, па дури и за еден материјал оваа вредност варира во голема мера во зависност од дебелината, обликот на електродите, температурата и голем број други фактори. Причината за ова е разновидноста на процесите за време на дефект. ЕЛЕКТРИЧНИОТ ПОЧИТ е предизвикан од тунелирањето на електроните во проводниот појас од валентниот појас, од нивоата на нечистотии или металните електроди, како и од нивната лавинска репродукција поради јонизација на ударот во полиња со висок интензитет. ЕЛЕКТРОТЕРМАЛНИОТ ПОЧИТ е предизвикан од експоненцијално зголемување на електричната спроводливост на диелектрикот со зголемување на температурата. Во исто време, струјата на истекување се зголемува, уште повеќе го загрева диелектрикот, се формира проводен канал во неговата дебелина, отпорот нагло паѓа, а во зоната на термички удар се случува топење, испарување и уништување на материјалот. ЕЛЕКТРОХЕМИСКИ ПОЧИТУВАЊЕ е предизвикан од појавите на електролиза, миграција на јони и, како резултат на тоа, промени во составот на материјалот. ЈОНИЗАЦИСКО РАСПОЛНУВАЊЕ се јавува поради делумни празнења во диелектрик што содржи воздушни подмножества. Електричната јачина на воздухот е помала, а јачината на полето во овие подмножества е поголема отколку кај густ диелектрик. Овој тип на дефект е типичен за порозни материјали. ПОВРШИНАТА ПОВРШИНА (FLASHUP) на диелектрикот се јавува поради неприфатливо големи површински струи. Со доволна моќност на тековниот извор, површинскиот дефект се развива низ воздухот и се претвора во лак. Услови погодни за овој дефект: пукнатини, други неправилности и контаминација на површината на диелектрикот, влажност, прашина, низок атмосферски воздушен притисок.

За сигурна работа на кој било електричен уред, работниот напон на неговата изолација Uwork мора да биде значително помал од дефектниот напон Ubreak. Односот Upr/Urab се нарекува БЕЗБЕДНОСЕН ФАКТОР НА СИЛАТА НА ЕЛЕКТРИЧНА ИЗОЛАЦИЈА.

Сите течни и цврсти материи, според природата на дејството на електростатското поле врз нив, се делат на спроводници, полупроводници и диелектрици.

Диелектрици (изолатори)– супстанции кои слабо или воопшто не го спроведуваат електрицитетот. Диелектриците вклучуваат воздух, некои гасови, стакло, пластика, разни смоли и многу видови гума.

Ако поставите неутрални тела направени од материјали како стакло или ебонит во електрично поле, можете да ја набљудувате нивната привлечност и кон позитивно наелектризираните и негативно наелектризираните тела, но многу послаби. Меѓутоа, кога таквите тела се одвоени во електрично поле, нивните делови се неутрални, како и целото тело како целина.

Оттука, во такви тела нема слободни електрично наелектризирани честички,способен да се движи во телото под влијание на надворешно електрично поле. Супстанциите кои не содржат слободни електрично наелектризирани честички се нарекуваат диелектрици или изолатори.

Привлечноста на ненаполнетите диелектрични тела кон наелектризираните тела се објаснува со нивната способност да поларизација.

Поларизација– феноменот на поместување на врзаните електрични полнежи во атомите, молекулите или внатре во кристалите под влијание на надворешно електрично поле. Наједноставно пример на поларизација– дејство на надворешно електрично поле на неутрален атом. Во надворешно електрично поле, силата што делува на негативно наелектризираната обвивка е насочена спротивно на силата што делува на позитивното јадро. Под влијание на овие сили, електронската обвивка е малку поместена во однос на јадрото и е деформирана. Атомот останува генерално неутрален, но центрите на позитивно и негативно полнење во него повеќе не се совпаѓаат. Таквиот атом може да се смета како систем од два еднакви по големина точки на обвиненија со спротивен знак, што се нарекува дипол.

Ако поставите диелектрична плоча помеѓу две метални плочи со полнења со спротивни знаци, сите диполи во диелектрикот под влијание на надворешно електрично поле излегуваат дека имаат позитивни полнежи свртени кон негативната плоча и негативни полнежи свртени кон позитивно наелектризираната плоча. Диелектричната плоча останува генерално неутрална,но неговите површини се покриени со врзани полнежи од спротивни знаци.

Во електричното поле, поларизациските полнежи на површината на диелектрикот создаваат електрично поле во спротивна насока од надворешното електрично поле. Како резултат на тоа, јачината на електричното поле во диелектрикот се намалува, но не станува нула.

Односот на модулот на интензитет E 0 на електричното поле во вакуум до модулот на интензитет E на електричното поле во хомоген диелектрик се нарекува диелектрична константа ɛ на супстанцијата:

ɛ = Е 0 / Е

Кога две точки електрични полнежи комуницираат во средина со диелектрична константа ɛ, како резултат на намалување на јачината на полето за ɛ пати, Кулоновата сила исто така се намалува за ɛ пати:

F e = k (q 1 q 2 / ɛr 2)

Диелектриците се способни да го ослабат надворешното електрично поле. Овој имот се користи во кондензатори.

Кондензатори- Станува збор за електрични уреди за складирање на електрични полнежи. Наједноставниот кондензатор се состои од две паралелни метални плочи одделени со диелектричен слој. Кога се даваат полнежи со еднаква големина и спротивен знак на плочите +q и –qпомеѓу плочите се создава електрично поле со интензитет Е. Надвор од плочите, дејството на електричните полиња насочени во спротивно наелектризираните плочи меѓусебно се компензира, јачината на полето е нула. Напон Упомеѓу плочите е директно пропорционален на полнењето на една плоча, така што односот на полнење qна напон У

C=q/U

е константна вредност за кондензаторот при која било вредност на полнење q.Тоа е став СОсе нарекува капацитивност на кондензаторот.

Сè уште имате прашања? Не знаете што се диелектрици?
За да добиете помош од учител, регистрирајте се.
Првата лекција е бесплатна!

веб-страница, при копирање на материјал во целост или делумно, потребна е врска до изворот.

Класификација по молекуларна структура

Класификација по хемиски состав

Класификација по метод на производство

Класификација по состојба на агрегација

Активни и пасивни диелектрици

Дефиниција на диелектрични материјали

Класификација и области на употреба на диелектрични материјали

Диелектриците се супстанции чие главно електрично својство е способноста да се поларизираат во електрично поле.

Електрични изолациони материјали се диелектрични материјали наменети за создавање електрична изолација на живи делови од електрични инсталации.

Изолатор е производ направен од електричен изолационен материјал, чија цел е да ги прицврстува и изолира еден од друг проводници на различни потенцијали (на пример, изолатори на надземни далноводи).

Електрична изолација е систем за електрична изолација на специфичен електричен производ, направен од еден или повеќе електрични изолациски материјали.

Диелектриците што се користат како електрични изолациски материјали се нарекуваат пасивни диелектрици. Во моментов, широко се користат таканаречените активни диелектрици, чии параметри може да се прилагодат со промена на јачината на електричното поле, температурата, механичкиот стрес и другите параметри на факторите што влијаат на нив.

На пример, кондензатор, чиј диелектричен материјал е пиезоелектрик, под влијание на применетиот наизменичен напон ги менува своите линеарни димензии и станува генератор на ултразвучни вибрации. Капацитетот на електричен кондензатор направен од нелинеарен диелектрик – фероелектрик – варира во зависност од јачината на електричното поле; ако таков капацитет е вклучен во осцилаторно LC коло, тогаш неговата фреквенција на подесување исто така се менува.

Диелектричните материјали се класифицирани:

По состојба на агрегација: гасовити, течни и цврсти;

По метод на производство: природни и синтетички;

По хемиски состав: органски и неоргански;

Според структурата на молекулите: неутрални и поларни.

ГАСЕНИ ДИЕЛЕКТРИКИ

Гасните диелектрици вклучуваат: воздух, азот, водород, јаглерод диоксид, гас SF6, фреон (фреон), аргон, неон, хелиум итн. Тие се користат во производството на електрични уреди (воздух и SF6 гасни прекинувачи, одводници)


Воздухот е најкористениот електроизолационен материјал. Воздухот содржи: водена пареа и гасови: азот (78%), кислород (20,99%), јаглерод диоксид (0,03%), водород (0,01%), аргон (0,9325%), неон (0,0018%), како и хелиум, криптон и ксенон, кои вкупно изнесуваат десет илјадити проценти од волуменот.

Важни својства на гасовите се нивната способност да ја вратат електричната јачина, ниската диелектрична константа, високата отпорност, практично нема стареење, инертноста на одреден број гасови во однос на цврстите и течните материјали, нетоксичноста, нивната способност да работат на ниски температури и високи притисок и незапаливост.

ТЕЧНИ ДИЕЛЕКТРИКИ

Течните диелектрици се дизајнирани да ја отстрануваат топлината од намотките и магнетните кола во трансформаторите, да ги гасат лаците во прекинувачите за масло, да ја зајакнат цврстата изолација во трансформаторите, чаурите наполнети со масло, кондензаторите, каблите натопени со масло и наполнети со масло.

Течните диелектрици се поделени во две групи:

Нафтени масла (трансформатор, кондензатор, кабел);

Синтетички масла (Sovtol, течен органосилициум и органофлуорни соединенија).

4.1.7 Области на употреба на диелектриците како ETM

Примена во електроенергетската индустрија:

- линеарна и трафостаница изолација- тоа се порцелан, стакло и силиконска гума во надземни изолатори на надземни водови, порцелан во потпорни и чаурни изолатори, фиберглас како носечки елементи, полиетилен, хартија во високонапонски чаури, хартија, полимери во енергетски кабли;

- изолација на електрични уреди- хартија, гетинакс, фиберглас, полимери, материјали од мика;

- машини, уреди- хартија, картон, лакови, соединенија, полимери;

- различни типови на кондензатори- полимерни филмови, хартија, оксиди, нитриди.

Од практична гледна точка, во секој случај на избор на електроизолационен материјал, треба да се анализираат работните услови и да се избере изолациониот материјал во согласност со збир на барања. За ориентација, препорачливо е главните диелектрични материјали да се поделат во групи според условите за примена.

1. Електрична изолација отпорна на топлина.Ова се првенствено производи направени од материјали од мика, од кои некои се способни да работат до температури од 700 ° C. Стакло и материјали врз основа на нив (стаклени ткаенини, стаклена мика). Органосиликатни и металофосфатни облоги. Керамички материјали, особено бор нитрид. Органосилициумски композиции со врзивно средство отпорно на топлина. Од полимерите, полиимидот и флуоропластиката имаат висока отпорност на топлина.

2. Електрична изолација отпорна на влага.Овие материјали мора да бидат хидрофобни (не навлажнети со вода) и нехигроскопни. Истакнат претставник на оваа класа е флуоропластика. Во принцип, хидрофобизацијата е можна со создавање заштитни облоги.

3. Изолација отпорна на зрачење.Тоа се, пред сè, неоргански филмови, керамика, фиберглас, мика материјали и некои видови полимери (полиимиди, полиетилен).

4. Тропски отпорна изолација.Материјалот мора да биде хидрофобен за да работи во услови на висока влажност и температура. Покрај тоа, таа мора да биде отпорна на мувла габи. Најдобри материјали: флуоропластика, некои други полимери, најлошото - хартија, картон.

5. Изолација отпорна на мраз.Ова барање е типично главно за гуми, бидејќи Кога температурата паѓа, сите гуми ја губат својата еластичност. Органосилициумска гума со фенилни групи е најотпорна на мраз (до -90°C).

6. Изолација за работа во вакуум (простор, вакуум уреди).За овие услови потребно е да се користат материјали што не се вакуумски. Некои специјално подготвени керамички материјали се погодни, полимерите се од мала корист.

Електричен картон се користи како диелектрични разделувачи, подлошки, дистајнери, како изолација на магнетни кола, жлебна изолација на ротирачки машини итн. Картонот обично се користи по импрегнација со трансформаторско масло. Електричната јачина на импрегнираниот картон достигнува 40-50 kV/mm. Бидејќи е повисока од јачината на трансформаторското масло, за да се зголеми електричната јачина на трансформаторите, често се поставуваат специјални бариери направени од картон во околината за масло. Изолацијата на бариерата за масло обично има јачина од E = 300-400 kV/cm. Недостаток на картонот е неговата хигроскопност; како резултат на навлегување на влага, механичката сила се намалува, а електричната сила нагло се намалува (за 4 или повеќе пати).

Неодамна, производството на изолатори за надземни водови врз основа на силиконска гума. Овој материјал припаѓа на гуми, чија главна сопственост е еластичноста. Ова овозможува да се произведуваат не само изолатори од гума, туку и флексибилни кабли. Во енергетскиот сектор се користат различни видови гуми: природни гуми, бутадиен гуми, стирен бутадиен гуми, етилен пропилен гуми и органосилициум гуми.

Електричен порцелане вештачки минерал формиран од глинени минерали, фелдспат и кварц како резултат на термичка обработка со помош на керамичка технологија. Меѓу неговите највредни својства се високата отпорност на атмосферски влијанија, позитивни и негативни температури, на ефектите на хемиските реагенси, високата механичка и електрична сила и ниската цена на стартните компоненти. Ова ја определи широката употреба на порцелан за производство на изолатори.

Електрично стаклокако материјал за изолатори има одредени предности во однос на порцеланот. Особено, има постабилна база на суровини, поедноставна технологија која овозможува поголема автоматизација и можност за визуелно следење на неисправните изолатори.

Микае основа на голема група електрични изолациски производи. Главната предност на мика е неговата висока отпорност на топлина заедно со прилично високи електрични изолациски карактеристики. Мика е природен минерал со сложен состав. Во електротехниката се користат два вида мика: московит KAl 2 (AlSi 3 O 10) (OH) 2 и флогопит KMg 3 (AlSi 3 O 10 (OH) 2. Високите електрични изолациски карактеристики на миката се должат на неговите необични структура, имено слоевитост. Плочите од мика може да се поделат на рамни плочи до подмикронски големини. Напрегањето на кршење при одвојување на еден слој од друг слој е приближно 0,1 MPa, додека кога се растегнуваат долж слојот е 200-300 MPa. Меѓу другите својства на мика, забележуваме ниска tg, помала од 10 -2; висока отпорност, повеќе од 10 12 Ohm m; прилично висока електрична јачина, повеќе од 100 kV/mm; отпорност на топлина, точка на топење повеќе од 1200 ° C.

Мика се користи како електрична изолација, или во форма на искубени тенки плочи, вкл. залепени заедно (миканити), и во форма на хартии од мика, вкл. импрегнирани со разни врзива (мика или мика пластика). Хартијата од мика се произведува со технологија блиска до онаа на обичната хартија. Миката се дроби, пулпата се подготвува, а на машините за правење хартија се тркалаат листови хартија.

Миканијци имаат подобри механички карактеристики и отпорност на влага, но се поскапи и помалку технолошки напредни. Примена: изолација на слот и вртење на електрични машини.

Слудинити - листови материјали направени од мика хартија врз основа на московит. Понекогаш тие се комбинираат со подлога направена од фиберглас (стакло-лудинит) или полимерен филм (филм-мудинит). Хартиите импрегнирани со лак или други врзива имаат подобри механички и електрични карактеристики од неимпрегнираните, но нивната отпорност на топлина е обично помала, бидејќи се определува со својствата на врзивното средство за импрегнација.

Мика пластика - лимови изработени од мика хартија на база на флогопит и импрегнирани со врзива. Како мика, тие исто така се комбинираат со други материјали. Во споредба со мика, тие имаат малку полоши електрофизички карактеристики, но се поевтини. Употребата на мика и мика пластика е изолација на електрични машини, отпорна на топлина изолација на електрични уреди.

Воздухот е најкористениот гас во енергетскиот сектор. Ова се должи на ниската цена и општата достапност на воздух, леснотијата на создавање, одржување и поправка на системи за електрична изолација на воздухот и можноста за визуелна проверка. Објекти кои користат воздух како електрична изолација - далноводи, отворени разводни уреди, прекинувачи за воздух итн.

Од електронегативните гасови со висока електрична јачина, најмногу се користат SF6 гас.. Името го добил од кратенката „електричен гас“. Уникатните својства на гасот SF6 беа откриени во Русија, а неговата употреба започна и во Русија. Во 30-тите години, познатиот научник Б.М. Гокберг ги проучувал електричните својства на голем број гасови и го привлекол вниманието на некои својства на сулфур хексафлуорид SF6. Електричната јачина при атмосферски притисок и јаз од 1 cm е E = 89 kV/cm. Молекуларната тежина е 146, се карактеризира со многу голем коефициент на термичка експанзија и висока густина. Ова е важно за електрани во кои се ладат кој било дел од уредот, бидејќи со голем коефициент на термичка експанзија, лесно се формира конвективен проток, однесувајќи ја топлината. Од термофизички својства: точка на топење = -50 ° C на 2 atm, точка на вриење (сублимација) = -63 ° C, што значи дека може да се користи на ниски температури.

Меѓу другите корисни својства, го забележуваме следново: хемиска инертност, нетоксичност, незапаливост, отпорност на топлина (до 800 ° C), безбедност од експлозија, слабо распаѓање во испуштањата, ниска температура на втечнување. Во отсуство на нечистотии, гасот SF6 е целосно безопасен за луѓето. Сепак, производите на распаѓање на гасот SF6 како резултат на празнења (на пример, во празнина или прекинувач) се токсични и хемиски активни. Сложените својства на гасот SF6 обезбедија прилично широка употреба на изолацијата SF6. Кај уредите, гасот SF6 обично се користи под притисок на неколку атмосфери за поголема компактност на електраните, бидејќи електричната сила се зголемува со зголемување на притисокот. Голем број на електрични уреди се создадени и работат врз основа на изолацијата SF6, вклучувајќи кабли, кондензатори, прекинувачи и компактни разводни уреди (затворена разводна опрема).

Најчестиот течен диелектрик во енергетскиот сектор е трансформаторското масло.

Трансформаторско масло- прочистена фракција на масло добиена при дестилација, која се вари на температура од 300 ° C до 400 ° C. Во зависност од потеклото на маслото, тие имаат различни својства и овие карактеристични својства на суровина се рефлектираат во својствата на маслото. Има сложен јаглеводороден состав со просечна молекуларна тежина од 220-340 a.u. и ги содржи следните главни компоненти.

Меѓу течните диелектрици поврзани со трансформаторското масло по својства и примена, вреди да се забележат масла за кондензатори и кабел.

Масла за кондензатори. Овој термин комбинира група на различни диелектрици кои се користат за импрегнација на изолација на хартија-масло и хартија-филм на кондензатори. Најчесто масло за кондензаторспоред ГОСТ 5775-68, тие се произведуваат од трансформаторско масло преку подлабоко прочистување. Се разликува од конвенционалните масла по поголема проѕирност, помала вредност tg  (повеќе од десет пати). Рицинусово маслорастително потекло, се добива од семки од рицинус. Главната област на употреба е импрегнација на кондензатори за хартија за работа под импулсни услови.
Густината на рицинусово масло е 0,95-0,97 t/m3, точката на истурање е од -10 ° C до -18 ° C. Неговата диелектрична константа на 20 ° C е 4,0 - 4,5, а на 90 ° C -  = 3,5 - 4.0; tg  на 20° C е еднакво на 0,01-0,03, а на 100° C tg  = 0,2-0,8; Epr на 20°C е 15-20 MV/m. Рицинусовото масло не се раствора во бензин, но се раствора во етил алкохол. За разлика од нафтените масла, рицинусовото масло не предизвикува отекување на обичната гума. Овој диелектрик припаѓа на слабо поларни течни диелектрици; неговата отпорност во нормални услови е 108 - 1010 Ohm m.

Масла за каблинаменета за импрегнација на хартиена изолација на енергетските кабли. Тие исто така се базираат на нафтени масла. Тие се разликуваат од трансформаторското масло со зголемен вискозитет, зголемена точка на палење и намалени диелектрични загуби. Од марките на нафта, забележуваме MN-4 (низок вискозитет, за полнење кабли со низок притисок), S-220 (висок вискозитет, за полнење кабли со висок притисок), KM-25 (највискозен).

Вториот тип на течни диелектрици се ниско-запаливи и незапаливи течности. Има доста течни диелектрици со такви својства. Најраспространети во енергетиката и електротехниката се хлоробифенили. Во странската литература се нарекуваат хлоробифенили. Тоа се супстанции кои содржат двоен бензен прстен, т.н. ди(би)фенил прстен и еден или повеќе атоми на хлор прикачени на него. Во Русија, диелектриците од оваа група се користат во форма на мешавини, главно мешавини на пентахлоробифенил и трихлоробифенил. Комерцијалните имиња на некои од нив се „совол“, „совтол“, „калории-2“.

Диелектричните материјали се класифицираат и според голем број интраспецифични карактеристики, кои се одредуваат според нивните главни карактеристики: електрични, механички, физичко-хемиски, термички.

4.2.1 Електричните карактеристики на диелектричните материјали вклучуваат:

Специфичен волуметриски електричен отпор ρ, Ohm*m или специфична волуметриска спроводливост σ, S/m;

Специфичен површински електричен отпор ρ s, Ohm, или специфична површинска спроводливост σ s cm;

Температурен коефициент на електрична отпорност TK ρ, ˚С -1;

Диелектрична константа ε;

Температурен коефициент на диелектрична константа TKε;

Тангента на диелектрична загуба δ;

Електрична јачина на материјалот E pr, MV/m.

4.2.2 Термичките карактеристики ги одредуваат топлинските својства на диелектриците.

Термичките карактеристики вклучуваат:

Топлински капацитет;

Температура на топење;

Точка на омекнување;

Точка на паѓање;

Отпорност на топлина;

Отпорност на топлина;

Отпорност на студ - способност на диелектриците да издржат ниски температури додека одржуваат електрични изолациски својства;

Тропска отпорност – отпорност на диелектриците на комплекс од надворешни влијанија во тропските клими (остри температурни промени, висока влажност, сончево зрачење);

Термоеластичност;

Точка на палење на пареа на електрични изолациски течности.

Отпорноста на топлина е една од најважните карактеристики на диелектриците. Во согласност со ГОСТ 21515-76, отпорност на топлина е способноста на диелектрикот да издржи изложеност на покачени температури долго време, споредлив со периодот на нормална работа, без неприфатливо влошување на неговите својства.

Класи на отпорност на топлина. Само седум. Тие се карактеризираат со температурен индекс TI. Ова е температурата на која работниот век на материјалот е 20 илјади часа.

4.2.3 Влажност на диелектриците

Отпорност на влага е доверливост на изолацијата кога е во атмосфера на водена пареа блиску до заситеност. Отпорноста на влага се проценува со промени во електричните, механичките и другите физички својства откако материјалот е во атмосфера со висока и висока влажност; на влага и водопропустливост; на влага и апсорпција на вода.

Пропустливоста на влагата е способност на материјалот да пренесува пареа од влага во присуство на разлика во релативната влажност на воздухот од двете страни на материјалот.

Апсорпцијата на влага е способност на материјалот да апсорбира вода при продолжено изложување на влажна атмосфера блиску до состојба на заситеност.

Апсорпцијата на вода е способност на материјалот да апсорбира вода кога е долго потопен во вода.

Тропска отпорност и тропализација на опремата – заштита на електричната опрема од влага, мувла, глодари.

4.2.4 Механичките својства на диелектриците се одредуваат според следните карактеристики:

Кршење на стресот под статична напнатост;

Напрегање на прекин при статичка компресија;

Напрегање на прекин при статичко свиткување;

Цврстина;

Јачина на удар;

Отпор на разделување;

Отпорност на кинење (за флексибилни материјали);

Флексибилност во бројот на двојни свиоци;

Пластоеластични својства.

Механичките карактеристики на диелектриците се одредуваат со релевантните ГОСТ стандарди.

4.2.5 Физичко-хемиски карактеристики:

Киселински број, кој ја одредува количината на слободни киселини во диелектрикот, што ги влошува диелектричните својства на течните диелектрици, соединенија и лакови;

Кинематичен и условен вискозитет;

Апсорпција на вода;

Отпорност на вода;

Отпорност на влага;

Отпорност на лак;

Отпор на следење;

Отпорност на зрачење итн.