Что такое диэлектрики и где они используются

Физические свойства диэлектриков

Чтобы оценить качество и степень пригодности диэлектрика, необходимо как-то описать его параметры. Если следить за этими параметрами, то можно вовремя предотвратить аварию, заменив элемент на новый с допустимыми параметрами. Этими параметрами выступают: поляризация, электропроводность, электрическая прочность и диэлектрические потери. Для каждого из этих параметров существует своя формула и постоянная величина, в сравнении с которой производится заключение о степени пригодности материала.

Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток)
Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.

Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих — тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток — поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.

Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ — угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.

Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.

Последние статьи

Самое популярное

Полезные сервисы

Поляризуемость.

Несложно оценить поляризуемость атома и его индуцированный дипольный момент.
Представим себе электронное облако с точечным положительным ядром с зарядом +q внутри.
Под действием внешнего поля ядро сместится на некоторое расстояние b (рис.13.4).
Внешнее поле должно быть уравновешено притяжением к центру точечного
заряда. Вспомнив поле шара внутри шара, можно записать

отсюда смещение

а дипольный момент молекулы

Сравнивая с (13.1), получаем, что поляризуемость молекулы .
Она имеет размерность объема и показывает насколько легко можно индуцировать дипольный
момент у молекулы. Наш расчет достаточно грубый, так как у электронного облака
нет резкой границы, да и плотность его вряд ли одинакова. Квантовый расчет для атома водорода дает формулу

— первый боровский радиус- 0,0528 нм.

Тогда поляризуемость для атома водорода b=0,67ּ10-30 м3.

Экспериментальные данные о поляризуемости некоторых веществ
приведены в таблице. Видно, что для водорода наблюдается просто замечательное
совпадение, что лишний раз подтверждает справедливость, как классической электродинамики,
так и теории атома
—

.

Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов

Электрический заряд – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Обозначение – ​\( q \)​, единица измерения в СИ – кулон (Кл).

Существуют два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Наименьший отрицательный заряд имеет электрон (–1,6·10-19 Кл), наименьший положительный заряд (1,6·10-19 Кл) – протон. Минимальный заряд, который может быть сообщен телу, равен заряду электрона (элементарный заряд). Если тело имеет избыточные (лишние) электроны, то тело заряжено отрицательно, если у тела недостаток электронов, то тело заряжено положительно.

Величина заряда тела будет равна

где ​\( N \)​ — число избыточных или недостающих электронов; ​\( e \)​ — элементарный заряд, равный 1,6·10-19 Кл.

Важно! Частица может не иметь заряда, но заряд без частицы не существует. Электрические заряды взаимодействуют:

Электрические заряды взаимодействуют:

заряды одного знака отталкиваются:

заряды противоположных знаков притягиваются:

Прибор для обнаружения электрического заряда называется электроскоп. Основная часть прибора – металлический стержень, на котором закреплены два листочка металлической фольги, помещенные в стеклянный сосуд. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электроскопа заряды распределяются между листочками фольги. Так как заряд листочков одинаков по знаку, они отталкиваются.

Для измерения зарядов можно использовать и электрометр. Основные части его – металлический стержень и стрелка, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в пластмассовой втулке и помещен в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. При соприкосновении заряженного тела со стержнем стержень и стрелка получают электрические заряды одного знака. Стрелка поворачивается на некоторый угол.

Неполярный диэлектрик

Неполярный диэлектрик — диэлектрик, не содержащий способные к переориентации во внешнем электрическом поле электрические диполи.
 

Неполярный диэлектрик — диэлектрик, не содержащий электрические диполи, способные к переориентации во внешнем электрическом поле.
 

Неполярные диэлектрики могут иметь молекулярное ( полиэтилен, фто-ропласт-4 и др.) или ионное кристаллическое ( слюда, кварц и др.) строение. Молекулярные диэлектрики состоят из электрически нейтральных молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Ионные кристаллические диэлектрики образованы парами ионов, причем каждая пара составляет нейтральную частицу. Ионы располагаются в узлах кристаллической решетки.
 

Если неполярный диэлектрик поместить в постоянное электрическое поле напряженностью Е, то его молекулы поляризуются, приобретая дипольный момент ца.
 

Если неполярный диэлектрик поместить в электрическое поле, то электронное облако его молекул сместится относительно ядра и образуется диполь, который исчезнет после снятия поля.
 

Если однородный неполярный диэлектрик внесен в однородное электрическое поле, вектор напряженности Е которого направлен, как показано на рис. II 1.1.13, то в молекулах диэлектрика произойдет смещение положительных и отрицательных зарядов. На поверхностях АВ и CD, ограничивающих диэлектрик, появятся электрические поверхностные связанные заряды. Возникновением поверхностных связанных зарядов на поверхностях диэлектрика, внесенного во внешнее электрическое поле, характеризуется явление поляризации.
 

Если однородный неполярный диэлектрик внесен в однородное электрическое поле, вектор напряженности Е которого направлен, как показано на рис. III. На поверхностях А В и CD, ограничивающих диэлектрик, появятся электрические поверхностные связанные заряды.
 

Различают полярные и неполярные диэлектрики.
 

У неполярных диэлектриков температура на процесс поляризации непосредственно не влияет; электронная поляризуемость а, молекул от температуры не зависит.
 

У неполярных диэлектриков температура на процесс поляризации непосредственно не влияет; электронная поляризуемость аэ молекул от температуры не зависит.
 

У неполярных диэлектриков на процесс электронной поляризации температура не влияет и электронная поляризуемость молекул от температуры не зависит.
 

Для неполярных диэлектриков характерна электронная поляризация, которая обусловлена упругим смещением и деформацией электронных оболочек относительно ядер в диэлектрике. Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков и сопровождает другие типы поляризации.
 

Для неполярных диэлектриков характерна электронная поляризация, которая обусловлена упругим смещением и деформацией электронных оболочек относительно ядер в диэлектрике.
 

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток. Диэлектриками являются стекло, фарфор, резина, дистиллированная вода, газы.

В диэлектриках нет свободных зарядов, все заряды связаны. В молекуле диэлектрика суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Различают полярные и неполярные диэлектрики.

В молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены так, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга. То есть молекулы представляют собой диполи независимо от наличия внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул диполи расположены хаотично, поэтому суммарная напряженность поля всех диполей диэлектрика равна нулю.

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то он называется неполярным. Пример такого диэлектрика – молекула водорода. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то направления векторов сил, действующих на положительные и отрицательные заряды, будут противоположными. В результате молекула деформируется и превращается в диполь. При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.

Поляризация диэлектрика – процесс смещения в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества в электрическом поле.

Если диэлектрик неполярный, то в его молекулах происходит смещение положительных и отрицательных зарядов. На поверхности диэлектрика появятся поверхностные связанные заряды. Связанными эти заряды называют потому, что они не могут свободно перемещаться отдельно друг от друга.

Внутри диэлектрика суммарный заряд равен нулю, а на поверхностях заряды не скомпенсированы и создают внутри диэлектрика поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Это значит, что внутри диэлектрика поле имеет меньшую напряженность, чем в вакууме.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к модулю напряженности электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества:

В полярном диэлектрике во внешнем электрическом поле происходит поворот диполей, и они выстраиваются вдоль линий напряженности.

Если внесенный в электрическое поле диэлектрик разрезать, то его части будут электрически нейтральны.

Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона — это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” — запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) — то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

В данной статье речь далее пойдет только о диэлектриках. И раз уж мы чуть углубились в науку, то поговорим далее о свойствах и величинах, которые характеризуют эти электротехнические материалы в общем.

Заземление

Благодаря своим огромным размерам Земля действует как резервуар зарядов, принимая и отдавая электроны. Когда мы поднесем к заземленному металлическому предмету отрицательно заряженный стержень, свободные электроны в металле будут отталкиваться и уходить в Землю. Если отсоединить стержень от этого предмета, на металле останется избыточный положительный заряд. Так мы зарядим тело положительным зарядом.

Различные стадии зарядки тела: а) приближая к шарику электроскопа отрицательно заряженный сургуч, мы вызываем на стержне электроскопа положительный заряд, а на его листках — отрицательный заряд; б) не убирая сургуча с отрицательным зарядом, прикасаемся рукой к шарику электроскопа и отводим часть отрицательного заряда электроскопа через свое тело в землю; листки электроскопа спадают; в) убрав палец, а затем убрав сургуч, мы оставляем на электроскопе только положительный заряд, который распределяется между шариком и листками электроскопа.

Диэлектрическая проницаемость

Таким образом, во всех диэлектриках, помещенных в электростатическое поле, происходит уменьшение напряженности этого поля. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика. Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводится особая величина, называемая диэлектрической проницаемостью.

Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля E0 в вакууме к модулю напряженности электростатического поля Ε внутри однородного диэлектрика

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ приведены в таблице 1.

Таблица 1.

В диэлектриках при расчете кулоновских сил, напряженностей и потенциалов полей необходимо учитывать ослабление электрического поля в ε раз. Например,

Вещества в электрическом поле

При помещении в электростатическое поле полярного диэлектрика, диполи переориентировываются таким образом, что внутреннего поля направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего поля E.

Поляризация приводит к ослаблению внешнего электрического поля в раз, где — диэлектрическая проницаемость

Аналогичным образом ведут себя кристаллические диэлектрики.

При помещении во внешнее поле неполярного диэлектрика у нейтральных молекул деформируются электронные облака, происходит электронная поляризация.

При помещении проводника все свободные заряды одного знака устремляются в одну сторону, заряды противоположного знака в противоположную сторону, это явление называется электростатической индукцией. Внутреннее поле, которое при этом образуется внутри проводника «гасит» внешнее поле.

Так как свободные заряды концентрируются по краям, а не во всем объеме вещества, как у диэлектриков, то внутри проводника отсутствует электростатическое поле. Напряженность внутри проводника равна нулю. Использование этого свойства называется электростатической защитой. Помещенные внутрь проводника тела не будут испытывать действие внешнего электростатического поля, проводник как бы ограждает.

Межмолекулярное взаимодействие

Основная статья: Межмолекулярное взаимодействие

Межмолекулярное взаимодействие — взаимодействие между электрически нейтральными молекулами в пространстве. В зависимости от полярности молекул характер межмолекулярного взаимодействия разный. Природа последнего оставалась неясной до создания квантовой механики.

Ориентационный тип межмолекулярного взаимодействия возникает между двумя полярными молекулами, то есть, такими, которые имеют собственный дипольный момент. Взаимодействие дипольных моментов и определяет результирующую силу — притяжения или отталкивания. В случае, если дипольные моменты молекул размещаются на одной линии, взаимодействие молекул будет интенсивней.

Индукционный тип межмолекулярного взаимодействия возникает между одной полярной и одной неполярной молекулами. При этом типе взаимодействия полярная молекула поляризует неполярную молекулу так, что заряд неполярной молекулы, противоположный действующему на неё заряда полярной молекулы, смещается до последнего: в общем, положительный заряд смещается по направлению электрического поля, которое создает полярная молекула, а отрицательный — против. Это обусловливает поляризацию неполярной молекулы, то есть явления смещения связанной электронной оболочки относительно центра положительного заряда.

Дисперсионный тип межмолекулярного взаимодействия возникает между двумя неполярными молекулами. В общем, дипольные моменты неполярных молекул равны нулю, однако в определенный момент времени, есть вероятность распределения электронов по всему объёму молекулы неравномерно. Вследствие этого возникает мгновенный дипольный момент. При этом, мгновенный диполь или поляризует соседние неполярные молекулы, или взаимодействует с мгновенным диполем другой нейтральной молекулы.