Диэлектрики и их свойства, поляризация и пробивная напряженность диэлектриков

Диэлектрики, или непроводники, представляют большой важный для практических целей класс веществ, применяющихся в электротехнике. Они служат для изоляции электрических цепей, а также для сообщения электрическим устройствам особых свойств, позволяющих более полно использовать объем и вес материалов, из которых они изготовлены.

Диэлектриками могут быть вещества во всех агрегатных состояниях: в газообразном, жидком и твердом. В качестве газообразных диэлектриков в практике используются воздух, углекислота, водород как в нормальном, так и в сжатом состояниях.

Все перечисленные газы имеют практически бесконечно большое сопротивление. Электрические свойства газов изотропны. Из жидких веществ свойствами диэлектрика обладают химически чистая вода, многие органические вещества, естественные и искусственные масла (трансформаторное масло, совол и т. д.).

Жидкие диэлектрики также имеют изотропные свойства. Высокие изоляционные качества этих веществ зависят от чистоты.

Например, изоляционные свойства трансформаторного масла при поглощении из воздуха влаги снижаются. Наиболее широко применяются в практике твердые диэлектрики. К ним относятся вещества неорганического (фарфор, кварц, мрамор, слюда, стекло и т. п.) и органического (бумага, янтарь, резина, различные искусственные органические вещества) происхождения.

Большинство из этих веществ отличаются высокими электрическими и механическими качествами и применяются для изоляции электротехнических устройств, рассчитанных на эксплуатацию внутри помещения и на открытом воздухе.

При некоторых условиях в диэлектриках происходит расщепление молекул на ионы (например, под действием высокой температуры или в сильном поле), в этом случае диэлектрики теряют свои изолирующие свойства и становятся проводниками.

Диэлектрики обладают свойством поляризоваться и в них возможно длительное существование электростатического поля.

Отличительной особенностью всех диэлектриков является не только большое сопротивление прохождению электрического тока, определяемое наличием в них небольшого числа электронов, свободно перемещающихся во всем объеме диэлектрика, но и изменение их свойств под действием электрического поля, которое называется поляризацией. Поляризация оказывает большое влияние на электрическое поле в диэлектрике.

Одним из основных примеров применения диэлектриков в электротехнической практике является изоляция элементов электрических устройств от земли и друг от друга, поэтому пробой изоляции нарушает нормальную работу электрических установок, приводит к авариям.
Чтобы избежать этого, при проектировании электрических машин и установок изоляцию отдельных элементов выбирают с таким расчетом, чтобы, с одной стороны, нигде в диэлектриках напряженность поля не превосходила их электрической прочности, и, с другой стороны, чтобы изоляция в отдельных звеньях устройств использовалась возможно более полно (без излишних запасов).
Для этого в первую очередь необходимо знать, как распределяется электрическое поле в устройстве. Тогда подбором соответствующих материалов и их толщины можно удовлетворительно решить указанную выше задачу.

Если электрическое поле создается в вакууме, то величина и направление вектора напряженности поля в данной точке зависят только от величины и места расположения зарядов, создающих поле. Если же поле создается в каком-либо диэлектрике, то в молекулах последнего, происходят физические процессы, оказывающие влияние на электрическое поле.

Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее получается результирующее поле, тем меньше становится его напряженность в каждой точке при тех же зарядах, создающих основное поле, а следовательно, диэлектрическая проницаемость такого диэлектрика больше.

Если диэлектрик находится в переменном электрическом поле, то смещение электронов становится также переменным. Этот процесс приводит к усилению движения частиц и, следовательно, к нагреванию диэлектрика.

Чем чаще изменяется электрическое поле, тем сильнее нагревается диэлектрик. На практике это явление используется для нагрева влажных материалов с целью их сушки или получения химических реакций, происходящих при повышенной температуре.

Полярные и неполярные диэлектрики

Хотя диэлектрики практически не проводят электричества, тем не менее под действием электрического поля они изменяют свои свойства. В зависимости от строения молекул и характера воздействия на них электрического поля диэлектрики делятся на два вида: неполярные и полярные (с электронной и ориентационной поляризацией).

В неполярных диэлектриках, если они не находятся в электрическом поле, электроны обращаются по орбитам, имеющим центр, совпадающий с центром ядра. Поэтому действие этих электронов можно рассматривать как действие отрицательных зарядов, находящихся в центре ядра. Поскольку в центре ядра сосредоточены и центры действия положительно заряженных частиц — протонов, то во внешнем пространстве атом воспринимается как электрически нейтральный.

В такой системе положительный заряд оказывается смещенным в направлении напряженности поля, отрицательный заряд — в противоположном направлении. Чем больше напряженность внешнего поля, тем больше и относительное смещение зарядов в каждой молекуле.

При исчезновении поля электроны возвращаются в исходные состояния движения относительно ядра атома и диэлектрик опять становится нейтральным. Указанное выше изменение свойств диэлектрика под влиянием поля называется электронной поляризацией.

В полярных диэлектриках молекулы представляют собой диполи. Находясь в хаотическом тепловом движении, дипольный момент все время меняет свое положение. Это приводит к компенсации полей диполей отдельных молекул и к тому, что вне диэлектрика, когда внешнего поля нет, макроскопическое поле отсутствует.

При воздействии на эти вещества внешнего электростатического поля диполи будут поворачиваться и располагаться осями вдоль поля. Этому полностью упорядоченному расположению будет препятствовать тепловое движение.

При небольшой напряженности поля происходит лишь поворот диполей на некоторый угол в направлении поля, определяемый равновесием между действием электрического поля и эффектом от теплового движения.

С возрастанием напряженности поля поворот молекул и соответственно степень поляризации возрастают. В таких случаях расстояние а между зарядами диполей определяется средним значением проекций осей диполей на направление напряженности поля. Кроме такого вида поляризации, которая называется ориентационной, в этих диэлектриках возникает также и электронная поляризация, вызываемая смещением зарядов.

Описанные выше картины поляризации являются основными для всех изолирующих веществ: газообразных, жидких и твердых. В жидких и твердых диэлектриках, в которых средние расстояния между молекулами меньше, чем в газах, явление поляризации усложняется, так как кроме смещения центра орбиты электронов относительно ядра или поворота полярных диполей наблюдается еще взаимодействие между молекулами.

Поскольку в массе диэлектрика отдельные атомы и молекулы лишь поляризуются, а не распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы, в каждом элементе объема поляризованного диэлектрика заряды обоих знаков равны. Поэтому диэлектрик во всем своем объеме остается электрически нейтральным.

Исключение представляют заряды полюсов молекул, находящихся у граничных поверхностей диэлектрика. Такие заряды образуют тонкие заряженные слои у этих поверхностей. В однородной среде явление поляризации можно представить как стройное расположение диполей.

Пробивная напряженность диэлектриков

При нормальных условиях диэлектрик обладает незначительной электропроводностью. Это свойство сохраняется, пока напряженность электрического поля не увеличится до некоторого предельного для каждого диэлектрика значения.

В сильном электрическом поле происходит расщепление молекул диэлектрика на ионы и тело, которое в слабом поле было диэлектриком, становится проводником.

Пробой происходит различно в газообразных, жидких и твердых веществах и зависит от ряда условий: от однородности диэлектрика, давления, температуры, влажности, толщины диэлектрика и т. д. Поэтому, указывая значение электрической прочности, обычно оговаривают эти условия.

Для материалов, работающих, например, в закрытых помещениях и не подвергающихся атмосферному влиянию, устанавливаются нормальные условия (например, температура +20° С, давление 760 мм). Нормируется также влажность, иногда частота и т. д.

Газы обладают сравнительно низкой электрической прочностью. Так, пробивной градиент воздуха при нормальных условиях составляет 30 кв/см. Преимущество газов заключается в том, что после пробоя быстро восстанавливаются их изолирующие свойства.

Жидкие диэлектрики отличаются несколько более высокой электрической прочностью. Отличительным свойством жидкостей является хороший отвод тепла от нагреваемых при прохождении тока по проводникам устройств. Наличие примесей, в частности воды, значительно снижает электрическую прочность жидких диэлектриков. В жидкостях, как и в газах, восстанавливаются их изолирующие свойства после пробоя.

Твердые диэлектрики представляют обширный класс изоляционных материалов как естественного, так и искусственного происхождения. Эти диэлектрики имеют самые различные электрические и механические свойства.

Применение того или другого материала зависит от требований, предъявляемых к изоляции данной установки и условий ее работы. Большой электрической прочностью отличаются слюда, стекло, парафин, эбонит, а также различные волокнистые и синтетические органические вещества, бакелит, гетинакс и т. п.

Если кроме требования высокого пробивного градиента к материалу предъявляется и требование большой механической прочности (например, в опорных и подвесных изоляторах, для защиты аппаратуры от механических воздействий), широко применяется электротехнический фарфор.

В таблице приведены значения пробивной напряженности (при нормальных условиях и в однородном постоянном ноле) некоторых наиболее распространенных диэлектриков.

Значения пробивной напряженности диэлектриков

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

4 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Как уже отмечалось, к диэлектрикам относятся материалы с шириной запрещенной зоны более
3 эВ.

4.1 Поляризация диэлектриков

► Сущность поляризации. Ее количественная оценка и влияние на свойства диэлектрика

Поляризацией называется состояние диэлектрика, при котором любой элемент его объема обладает электрическим моментом. Как правило, поляризация возникает под действием внешнего электрического поля, хотя в некоторых случаях возможна спонтанная поляризация. Иногда поляризация возникает под действием механических напряжений.

Кроме того, поляризацией называется сам процесс смещения и упорядочения связанных зарядов под действием внешнего поля.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε, которая является характеристикой интенсивности процесса поляризации в данном диэлектрике.

(4.1)

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества. В результате этого каждый элементарный объем dV диэлектрика приобретает индуцированный (наведенный) электрический момент dp; именно его образование является сущностью явления поляризации.

Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика – векторная физическая величина, равная отношению электрического момента элемента диэлектрика к объему этого элемента и выражаемая в Кл/м 2 :

(4.2)

Направление поляризованности совпадает с направлением электрического момента – от отрицательного заряда к положительному.

При описании любых явлений в диэлектрике, в том числе и поляризации, обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами для подвода электрического напряжения, т.е. некоторый участок изоляции. Рассмотрим простейший случай такого участка – плоский конденсатор с активным поперечным сечением диэлектрика (т.е. площадью каждого электрода, или обкладки) S и толщиной слоя диэлектрика (т.е. расстоянием между обкладками) h (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Расположение зарядов в поляризованном диэлектрике плоского конденсатора

Пусть поверхностная плотность связанных зарядов, выявившихся в результате поляризации на поверхностях диэлектрика, которые прилегают к обкладкам, равна σ. Поскольку в глубине диэлектрика, как видно из рисунка 4.1, положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируют друг друга, электрический момент всего объема диэлектрика определяется произведением заряда у каждой обкладки, равного σ·S, на расстояние между обкладками h. Объем диэлектрика можно найти как S·h, тогда поляризованность будет равна

(4.3)

где р_i – электрический момент i-той частицы в элементарном объеме ΔV;

N – количество частиц в ΔV.

Таким образом, поляризованность однородного плоского диэлектрика в равномерном электрическом поле численно равна поверхностной плотности связанных зарядов в нем.

У обычных линейных диэлектриков поляризованность пропорциональна напряженности внешнего поля Е:

(4.4)

Безразмерный параметр χ называется электрической восприимчивостью вещества.

В изотропных веществах направления векторов Р и Е совпадают. Для анизотропных диэлектриков (кристаллы, текстуры) направление Р образует с направлением Е некоторый угол.

Электрическая восприимчивость χ и относительная диэлектрическая проницаемость ε связаны между собой. Эту связь можно вывести через еще одну физическую характеристику поля – электрическое смещение D:

(4.5)

В то же время электрическое смещение может быть найдено через поляризованность Р:

(4.6)

Тогда, приравняв правые части формул (4.5) и (4.6), подставив вместо Р его выражение из (4.4) и сократив ε₀, получим искомую связь в виде

(4.7)

Для любого вещества ε > 1, т.к. χ – положительная величина. Только для вакуума χ = 0 и, следовательно, ε = 1. У газов, плотность которых мала и число поляризующихся частиц в единице объема незначительно, ε ≈ 1 (например, для воздуха при нормальных условиях давления и температуры ε = 1,00058). Для жидких и твердых тел ε составляет единицы, десятки и даже более того.

Значение ε характеризует способность диэлектрика образовывать электрическую емкость. Емкость участка изоляции:

(4.8)

где Λ – приведенная длина участка изоляции.

Для тела с постоянным по всей длине поперечным сечением S и длиной h (например, жила провода или кабеля, диэлектрик плоского конденсатора):

(4.9)

а для цилиндра с внешним и внутренним диаметрами D и d соответственно и осевой длиной l (например, диэлектрик цилиндрического конденсатора или изоляция коаксиального кабеля):

(4.10)

Поэтому относительную диэлектрическую проницаемость ε можно определить как число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора при заполнении его данным диэлектриком, а абсолютную диэлектрическую проницаемость ε_а – как удельную емкость конденсатора.

Параметр ε характеризует также способность вещества накапливать электростатическую энергию:

(4.11)

где С – емкость участка изоляции;

U – напряжение между электродами.

Кроме того, ε вместе с относительной магнитной проницаемостью μ, определяет условия распространения электромагнитных волн в различных средах. Скорость света (электромагнитной волны) в вакууме:

,

(4.12)

Скорость электромагнитной волны в веществе:

(4.13)

Отношение скоростей света в вакууме и в веществе с/v есть абсолютный показатель преломления n вещества; следовательно,

(4.14)

Большинство диэлектриков относится к немагнитным материалам, т.е. для них μ ≈ 1 и

(4.15)

Таким образом, при одном и том же периоде колебаний Т, волна распространяется в веществе медленнее, чем в вакууме, а ее длина λ в веществе меньше, чем в пустоте λ₀:

(4.16)

Волновое сопротивление диэлектрика Z₀, т.е. отношение модулей напряженностей электрического поля Е и магнитного поля Н электромагнитной волны в диэлектрике, определяется выражением:

(4.17)

Если рассматривать не макроскопический (т.е. содержащий весьма большое число молекул) объем диэлектрика, а отдельную молекулу или другую способную поляризоваться частицу, то для линейных диэлектриков индуцированный электрический момент частицы р_и определяется как

(4.18)

где α – поляризуемость частицы.

Если в единице объема диэлектрика содержится N частиц с поляризуемостью α каждая, то поляризованность будет определяться как

(4.19)

что при сопоставлении с выражением (4.4) дает

(4.20)

или, с учетом (4.7), относительная диэлектрическая проницаемость будет равна

(4.21)

т. е. она зависит от поляризуемости частиц и их содержания в единице объема вещества.

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Источник

поляризация диэлектриков

Полезное

Смотреть что такое «поляризация диэлектриков» в других словарях:

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ — 1) смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием приложенного электрического поля. Может осуществляться благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек отдельных атомов, молекул, ионов либо ориентации… … Большой Энциклопедический словарь

Поляризация диэлектриков — У этого термина существуют и другие значения, см. Поляризация. Поляризация диэлектриков явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего… … Википедия

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ — процесс образования электрич. дипольного момента в диэлектрике. Различают П. д. во внеш. электрпч. поле и самопроизвольную (спонтанную) поляризацию сегнетоэлектриков. П. д. во внеш. электрич. поле возникает гл. обр. вследствие: а) упругого… … Большой энциклопедический политехнический словарь

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ — смещение электрич. зарядов под действием приложенного электрич. поля и, как следствие, образование в диэлектрике электрич. дипольного момента. Может осуществляться благодаря сдвигу ионов относительно друг друга, деформации электронных оболочек… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Поляризация диэлектриков — 1) смещение положительных и отрицательных электрических зарядов в диэлектриках (См. Диэлектрики) в противоположные стороны. П. д. происходит под действием электрического поля или некоторых др. внешних факторов, например механических… … Большая советская энциклопедия

Поляризация диэлектрика — Поляризация диэлектриков явление, связанное с поляризацией связанных зарядов в диэлектрике и поворотом электрических диполей под воздействием внешнего электрического поля. Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации.… … Википедия

Поляризация — (франц. polarisation, первоисточник: греч. pólos ось, полюс) процессы и состояния, связанные с разделением каких либо объектов, преимущественно в пространстве. Поляризация вакуума Поляризация волн Поляризация электромагнитных волн… … Википедия

ПОЛЯРИЗАЦИЯ — (1) атомов, молекул, ионов деформация электронной оболочки и ядер атомов, молекул или ионов друг относительно друга под действием внешнего электрического поля. Приводит к увеличению их дипольного (см.). П. хим. связей заключается в смещении… … Большая политехническая энциклопедия

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА — выделение из неполяризованного (естественного) света плоскополяризсванного (см. Поляризация волн. Плоскость поляризации). П. с. осуществляется с помощью поляризац. приборов (поляризац. призмы, поляроиды), осн. на П. с. при отражении и преломлении … Большой энциклопедический политехнический словарь

Поляризации — Поляризация (франц. polarisation, первоисточник: греч. pólos ось, полюс) процессы и состояния, связанные с разделением каких либо объектов, преимущественно в пространстве. Поляризация вакуума Поляризация волн Поляризация диэлектриков Поляризация… … Википедия

Источник