Изоляционные материалы предназначены для ограничения конструкций и отдельных элементов от контакта с теми или иными средами. По этому принципу работают строительные водо-, паро- и теплоизоляционные материалы. В сферах, где используются электротехнические проводники, требуется изоляция другого рода - в виде диэлектриков. Их задача заключается в исключении контактов между активными эксплуатируемыми проводниками тока и материалами, которые не рассчитываются на обеспечение данной функции. В качестве целевых объектов могут выступать технические средства, прибора, строительные конструкции и даже декоративные покрытия. В свою очередь, электроизоляционные материалы создают барьер для прохождения электрического тока независимо от того, переменный он или постоянный.

Классификации изоляторов

Электроизоляторы различаются по своему происхождению и агрегатному состоянию. Что касается происхождения, то в качестве признаков выделяют принадлежность к органическим и неорганическим материалам, а также к натуральному и синтетическому сырью. К природным материалам можно отнести слюду, которая характеризуется прочностью, гибкостью и способностью к расщеплению. Это неорганический диэлектрик естественного происхождения. И напротив, в группе синтетических органических материалов можно отметить химические высокомолекулярные соединения. В готовом к использованию виде они предлагаются как пластмассы и эластомеры. Основные эксплуатационные различия определяет классификация электроизоляционных материалов по агрегатному состоянию. Выделяются твердые и жидкостные, а также газообразные диэлектрики.

Свойства изоляторов тока

Основная задача диэлектрика заключается в обеспечении изоляционной функции. Поэтому в качестве базовых эксплуатационных свойств можно отметить повышенное удельное сопротивление, небольшой тангенс потерь диэлектрика и высокое пробивное напряжение - уже упомянутый пробой. Сопротивление определяет, насколько материал сможет препятствовать проводимости тока при разных параметрах контактирующей электрической цепи. Потери диэлектрика, в свою очередь, указывают на влияние изолятора на показатели активного проводника - нормативно это значение должно стремиться к нулю, но чаще всего высокая сопротивляемость как раз приводит и к повышению потерь в основной цепи. Немаловажны и пробивные свойства электроизоляционных материалов, которые определяются напряжением. В данном случае можно говорить о непосредственной проницаемости целевого материала. При этом все перечисленные свойства фиксируются лишь в том случае, если была отмечена стабильность их «работы» во времени и при заданной температуре. Иногда в качестве параметра стабильности при испытаниях указывается и частота электрического поля.

Характеристики электроизоляторов

Одной из главных характеристик диэлектриков является поверхностное сопротивление. Это сопротивление, которое возникает в момент прохождения тока по поверхности материала. Следующей по значимости характеристикой можно назвать диэлектрическую проницаемость. Как уже говорилось, проницаемость напрямую связана с пробиваемостью целевого материала. И отдельного внимания заслуживают физико-химические характеристики. В их числе отмечают водопоглощаемость, вязкость и кислотность. Водопоглощаемость указывает на степень пористости материала и присутствие в нем водорастворимых элементов. Чем выше это значение, тем выше эффективность материала как диэлектрика. В свою очередь, вязкость характеризуется текучестью, что важно для определения взаимодействия материала с жидкостными или расплавленными диэлектриками. Кислотным числом обычно характеризуются жидкие диэлектрики. Например, основные особенности электроизоляционных материалов сводятся к способности нейтрализовать свободные кислоты, содержащиеся в 1 г материала. Присутствие свободных кислот понижает электроизоляционные качества электроизоляторов.

Газообразные изоляторы

Практически все газообразные электроизоляционные материалы обеспечивают диэлектрическую проницаемость, в коэффициенте равную 1. К плюсам таких изделий можно отнести небольшую долю диэлектрических потерь, хотя и степень пробоя тоже невелика. Как правило, основной газообразной средой с функцией электрического изолятора выступает воздух, дополненный специальными включениями. Но к сегодняшнему дню получил широкое распространение и элегаз, который применяется в качестве диэлектрической основы. Газообразные виды электроизоляционных материалов базируются на гексафториде серы, что обеспечивает более высокую защиту в показателе пробоя, а в некоторых случаях наблюдается и дугогасительная способность. Когда речь идет о сложных условиях эксплуатации целевого объекта защиты, газовая среда может дополняться органическими изоляторами.

Твердые диэлектрики

Традиционно под изоляторами данного типа понимаются такие материалы, как стекло, кварц, фарфор, пластики и резина. Их происхождение может быть натуральным и синтетическим. В тонких слоях изоляторов могут быть повышенные показатели удельного сопротивления и напряжения пробоя - эти значения зависят от диэлектрической проницаемости и электрической прочности структуры. Увеличение разности потенциалов по отношению к твердому или жидкому диэлектрику будет повышать ток, проходящий целевой объект. В итоге это явление способствует формированию вблизи катода положительного пространственного заряда на фоне отрыва электронов. Электрический пробой можно будет рассматривать как результат искажения заряженного поля в структуре самого изолятора. Твердотельные электроизоляционные материалы подвергаются поляризации, поэтому их диэлектрическая постоянная превышает единицу. Также в момент приложения переменных электрических полей поляризация способствует образованию диэлектрических потерь. В этом контексте стоит выделить материалы, которые даже в высокочастотных полях имеют минимальные диэлектрические потери. К таким можно отнести полиэтилен и кварц.

Жидкие диэлектрики

К жидким изоляторам относятся синтетические жидкости, масла, пасты, лаки и смолы. Особенно распространены минеральные масла, являющиеся продуктом нефтяной переработки и представляющие собой комбинацию жидких углеводородов. Они используются в масляных выключателях, небольших трансформаторах, конденсаторах и кабелях. Популярна и жидкая электроизоляция в виде пропитки. Ее часто применяют при подготовке кабелей и тех же конденсаторов к работе. Материал представляет собой бумажную изоляцию, в которой бумага является носителем, а пропитка - активной защитной средой.

Гильзовая электроизоляция

Это материал из группы механических защитных устройств, который обеспечивает внешнюю физическую защиту. Обычно используются гибкие гильзы, которыми защищаются проводники силовых агрегатов, трансформаторы и кабели. По этому же принципу работает традиционная изоляционная лента, задача которой заключается в создании физической преграды. Гильзы также выступают прослойкой, никак не взаимодействующей с на электрохимическом уровне. Однако среди недостатков этого материала отмечается быстрый износ.

Конденсаторы

Электрическая изоляция является важным условием полноценной работоспособности конденсаторов. В некоторых случая сам конденсатор выступает как диэлектрик в составе сложной электротехнической цепи. Такие приборы имеют разное применение, в том числе выделяется нейтрализация индукционных эффектов в линиях с переменным током, накопление заряда, а также получение токовых импульсов для всевозможных приложений. Для использования конденсатора в качестве изоляционной точки необходимо иметь представление о требуемой емкости. В приборах она рассчитывается исходя из характеристик системы или посредством вычисления размера заряда на обкладке. В самой конструкции для обеспечения защитной функции могут применяться электроизоляционные материалы в виде лаков и масел. В зависимости от типа конденсатора определяется и набор вторичных функций - например, учитывается горючесть, влагостойкость, износостойкость и т.д.

Вакуум как изолятор

Газовая среда при крайне низком давлении может создавать условия, когда газ просто не сможет образовывать заметный ток в межэлектродном зазоре. Такие условия называют изоляционным вакуумом. При столкновении с электронами или положительными ионами, которые вылетают из электродов, ионизация молекул газа под низким давлением происходит очень редко. Так называемый высокий вакуум при условии постоянного напряжения до 20 кВ на поверхности катода может обойтись без пробоя при напряженности поля порядка 5 МВ/см. Если речь идет об аноде, то напряженность должна быть в разы выше. И все же заметное увеличение напряжения способствует тому, что вакуумные электроизоляционные материалы утрачивают свой защитный потенциал. Пробой в данном случае может наступать в результате обмена заряженными частицами в связке катод-анод. Диэлектрики такого типа чаще используются в электронике. Их применяют и в целях ускорения электронов в обычных приборах, и в рентгеновских аппаратах для обеспечения высоковольтных приложений.

Компаунд как основной диэлектрик в радиотехнике

Довольно практичный в использовании и недорогой способ диэлектрической защиты. Компаунд наносится на рабочую зону, после чего застывает, в полной мере обретая свои основные функциональные качества. При этом нельзя сказать, что компаунды - это обязательно твердые электроизоляционные материалы, так как встречаются и разновидности жидкостного типа. Даже в рабочем состоянии они не отвердевают. Также существуют заливочные и пропиточные виды данного материала. Отличительной чертой всех компаундов является полное отсутствие растворителей в составе. Это дает возможность обеспечивать деликатную пропитку сложных электромеханических деталей и аппаратов.

Современные электроизоляционные материалы

К электроизоляторам нового поколения относится широкая группа полимерных материалов. В основном это пленочные изделия, которые обеспечивают эффект диэлектрика путем создания соответствующей оболочки. Пленка производится в формате рулонов, толщина которых варьируется от 5 до 250 мкм. Помимо основных электроизоляционных свойств, такие пленки характеризуются гибкостью, эластичностью, прочностью и стойкостью на разрыв. Удобна в применении и полимерная изоляционная лента, которая имеет толщину 0,2-0,3 мм. Такие материалы проигрывают многим традиционным диэлектрикам лишь в одном качестве - экологической безопасности. Это не самый безобидный материал в плане токсической угрозы, поэтому его используют по большей части в промышленности, хотя бывают и исключения.

Сферы применения электроизоляторов

Практически все сферы, в которых задействуется электропроводка, в том или ином виде применяют и диэлектрические средства. Базовым примером можно назвать кабели, которые получают несколько слоев изоляции - как электрической, так и механической. Приборостроение можно назвать второй по популярности сферой использования данной изоляции. От воздействия токов ограничивают как отдельные детали аппаратной части, так и технологические узлы в электротехнических машинах. В строительстве также востребованы средства изоляции от тока. Например, в прокладке домашней и уличной проводки тоже задействуются электроизоляционные материалы. Применение диэлектриков позволяет сохранить материалы, которые находятся рядом с токопроводящим контуром. В некоторых случаях подобная изоляция себя оправдывает и как средство понижения потерь в напряжении основной линии.

Заключение

Спектр вариантов электрической изоляции довольно широк, что дает возможность целенаправленно подобрать материал специально под конкретные нужды. Например, в быту распространены твердотельные виды электроизоляционных материалов, а также диэлектрики в форме деталей. В промышленности и строительстве могут применяться газовые и жидкостные среды. Коммунальная же сфера охватывает практически весь диапазон электрической изоляции, поскольку условия защиты могут быть очень разными.

Относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10 −5 Ом·м, а к диэлектрикам - материалы, у которых ρ > 10 8 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10 −8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10 16 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10 −5 -10 8 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков - возбуждённым.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты , пьезоэлектрики , пироэлектрики , сегнетоэластики, сегнетоэлектрики , релаксоры и сегнетомагнетики.

Использование

При применении диэлектриков - одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов - довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы .

Пассивные свойства диэлектриков

Активные свойства диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Диэлектрик" в других словарях:

Диэлектрик … Орфографический словарь-справочник

ДИЭЛЕКТРИК, материал, не проводящий электричество, например, изоляция, разделяющая два проводника в КОНДЕНСАТОРЕ. У этих материалов имеется такой показатель, как ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ, определяющий, до какой степени материал может… … Научно-технический энциклопедический словарь

Пироэлектрик, электрет, полиизобутилен, полипропилен, изолятор, полиэтилентерефталат, поликарбонат, синоксаль, политрифторхлорэтилен, политетрафторэтилен, полиарилат Словарь русских синонимов. диэлектрик сущ., кол во синонимов: 11 изолятор (21) … Словарь синонимов

диэлектрик - Вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле. [ГОСТ Р 52002 2003] диэлектрик Материал, не проводящий электрический ток. Тематики электротехника, основные … Справочник технического переводчика

ДИЭЛЕКТРИК, диэлектрика, муж. (физ.). Диэлектрическое тело, вещество, напр. стекло. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

ДИЭЛЕКТРИК, а, муж. (спец.). Вещество, плохо проводящее электрический ток, непроводник. | прил. диэлектрический, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

Вещество, слабо проводящее электр. ток. Д. являются: стекло, фарфор, слюда, мрамор, каучук, эбонит, сухое дерево, шелк, асбест, трансформаторное масло, воздух и т. д. Д. применяются для изоляции частей, находящихся под напряжением, для изоляции… … Технический железнодорожный словарь

Диэлектрик - вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле... Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ. ГОСТ Р 52002 2003 (утв. Постановлением Госстандарта РФ от… … Официальная терминология

диэлектрик - диэлектрик; отрасл. изолятор Вещество, основным электрическим свойством которого является способность к поляризации и в котором возможно существование электростатического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

Диэлектрик - – вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле. [ГОСТ 19880 74] Рубрика термина: Энергетическое оборудование Рубрики энциклопедии: Абразивное оборудование, Абразивы, Автодороги … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Книги

• Граничные эффекты в элементах бортовой аппаратуры космических аппаратов при действии ионизирующего , Шилобреев Борис Алексеевич, Лазурик Валентин Тимофеевич, Яковлев Михаил Викторович. Представлены основные представления и методы расчетного и экспериментального определения приграничных распределений поглощенной энергии и объемного заряда в конструкционных материалах…

Лекция 1.3.1. Поляризация диэлектриков

Диэлектрические материалы

Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. Это широкий класс электротехнических материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и интетических, органических, неорганических и элементоорганических. По выполняемым функциям они делятся на пассивные и активные. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов. В активных диэлектриках (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), электрические свойства зависят от управляющих сигналов, способных изменять характеристики электротехнических устройств и приборов.

По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из неполярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные диэлектрики состоят из несимметричных молекул (диполей). Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом – р.

В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивается в виде тепла. Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики.

Основные электрические свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 3.

Таблица 3 - Электрические свойства диэлектриков и их характеристики

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние.

Различают два вида поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без выделения энергии рассеяния, т.е. без выделения тепла, за время 10 -15 – 10 -13 с; поляризация не совершается мгновенно, а нарастает или убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревает - это релаксационная поляризация за время от 10 -8 до 10 2 с.

К первому виду относятся электронная и ионная поляризации.

Электронная поляризация (C э, Q э) – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за время 10 -15 с. Наблюдается такая поляризация для всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n 2 .

Ионная поляризация (C и, Q и) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10 -13 с. С повышением температуры смещение усиливается и в результате ослабления упругих сил между ионами, а температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.

Ко второму виду относят все релаксационные поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация (C др, r др, Q др) связана с тепловым движением диполей при полярной связи между молекулами. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, выделения энергии в виде тепла (r др). Время релаксации здесь порядка 10 -8 – 10 -6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация (C ир, r ир, Q ир) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений получают избыточные набросы в направлении поля и смещаются по силовой линии его. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации, энергия активации и частота собственных колебаний происходит в течение 10 -6 – 10 -4 с и связано законом

где f – частота собственных колебаний частиц; v - энергия активации; k –постоянная Больцмана (8,63 10 -5 ЭВ/град); T – абсолютная температура по К 0 .

Электронно - релаксационная поляризация (C эр, r эр, Q эр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10 -8 – 10 -6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, Са+2, Ва+2, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах наличие максимума в температурной зависимости e (диэлектрической проницаемости). e для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты.

Структурные поляризации различают:

Миграционная поляризация (C м, r м, Q м) протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 10 2 с.Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в при электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации. Для сегнетоэлектриков различают спонтанную или самопроизвольную поляризацию,(C сп, r сп, Q сп), когда идет значительное рассеяние энергии или выделение тепла за счет доменов (отдельные области, вращающихся электронных оболочек) , смещающихся в электрическом поле, т. е. еще в отсутствии электрического поля в веществе есть электрические моменты, а при некоторой напряженности внешнего поля наступает насыщение и наблюдается возрастание поляризации.

Классификация диэлектриков по виду поляризации.

Первая группа – диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенной поляризациями. Структура таких материалов состоит из нейтральных молекул, может быть слабополярной и характерна для твердых кристаллических и аморфных материалов таких, как парафин, сера, полистирол, а также жидкие и газообразные материалы как бензол водород и др.

Вторая группа – диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями – это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества как маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и т.п. материалы.

Третья группа – диэлектрики твердые неорганические, которые делятся на две подгруппы, отличающиеся по электрическим характеристикам – а) диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями, такие как кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил; б) диэлектрики с электронной и ионной релаксационными поляризациями – это стекла, материалы со стекловидной фазой (фарфор, микалекс и т.п.) и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов.

Четвертая группа – это диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенными и структурной поляризациями, что свойственно многим позиционным, сложным, слоистым и сегнетоэлектрикам материалам.

низкочастотными. В качестве высокочастотныхиспользуются неполярные диэлектрики.

3.1. Основные электрические свойства диэлектриков

Основные электрические свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 12.

Таблица 12

Электрические свойства диэлектриков и их характеристики

3.1.1. Поляризация диэлектриков

Поляризация - это упругое смещение связанных зарядов или ориентация молекул диэлектрика в электрическом поле. Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектрика связанных электрических зарядов.

Способность диэлектрика к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью

где С - емкость конденсатора с диэлектриком;С 0 - емкость конденсатора без диэлектрика (в вакууме).

Различают следующие виды поляризации:

электронная поляризация - упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов под действием внешнего поля (рис. 13,а). Она свойственна всем веществам, но играет определяющую роль в неполярных диэлектриках (газообразных,

жидких и твердых). Такая поляризация протекает почти мгновенно (τ = 10-15 с), без потерь энергии, ее величина не зависит от частоты поля;

Рис. 13. Схема возникновения поляризации: а - электронной, б - ионной, в - ди-

польно-релаксационной, г - спонтанной (самопроизвольной)

ионная поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов в пределах межатомного расстояния (рис. 13,б). Она характерна для веществ с ионным строением, время поляризации невелико (τ = 10-13 с), происходит практически без потерь энергии;

дипольно-релаксационная поляризациязаключается в ори-

ентации дипольных молекул под действием сил поля (рис. 13,в).

Она присуща полярным диэлектрикам, протекает во времени (τ = 10-2 с) и сопровождается потерями энергии;

самопроизвольная (спонтанная) поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков. Это вещества, состоящие из наэлектризованных областей - доменов, обладающих электрическим моментом. В отсутствие внешнего поля домены расположены произвольно, и суммарный момент равен нулю. Во внешнем поле происходит переориентация доменов и создается эффект сильной поляризации (рис. 13,г): относительная диэлектриче-

ская проницаемость достигает ε = 105 .

Влияние температуры на поляризацию диэлектриков

Изменение относительной диэлектрической проницаемости при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом

При электронной поляризации относительная диэлектрическая проницаемость несколько уменьшается с повышением температуры вследствие уменьшения плотности вещества (αε <0) (кривая 1 на рис. 14). При ионной поляризации ε с увеличением температуры несколько повышается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении (αε >0) (кривая 2 на рис. 14). Дипольнорелаксационная поляризация сильно зависит от температуры среды. С увеличением температуры силы межмолекулярного взаимодействия ослабевают, и дипольные молекулы легче ориентируются во внешнем поле - ε растет. При дальнейшем повышении температуры интенсивное тепловое движение молекул ослабляет ориентирующее влияние поля - ε уменьшается (кривая 3 на рис. 14). При самопроизвольной поляризации ее величина растет до определенной температуры (Т к - точка Кюри), выше которой сегнотоэлектрик теряет свои специфические свойства (кривая 4 на рис. 14).

Рис. 14. Температурные зависимости относительной диэлектрической прони-

цаемости при поляризации: 1 - электронной, 2 - ионной, 3 - дипольнорелаксационной, 4 - спонтанной

Влияние напряженности электрического поля на поляризацию диэлектриков

По влиянию напряженности электрического поля на относительную диэлектрическую проницаемость различают диэлектрики линейные и нелинейные. Емкость конденсатора с линейным диэлектриком зависит только от его геометрических размеров, и ε не зависит от напряженности внешнего поля (рис. 15,а).

К линейным диэлектрикам относится подавляющее число диэлектриков:

неполярные диэлектрики с электронной поляризацией - газы, жидкости, твердые вещества кристаллические и аморфные (бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.);

полярные диэлектрики с дипольно-релаксационной и электронной поляризацией - органические жидкие и твердые вещества (хлорированные углеводороды, большинство органических соединений на основе полимеров и др.);

неорганические ионные соединения с ионной и электронной поляризацией - кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, корунд - Al 2 O3 , рутил - TiO2 и др.);

Все жидкие и твердые вещества по характеру действия на них электростатического поля делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Диэлектрики (изоляторы) – вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток. К диэлектрикам относят воздух, некоторые газы, стекло, пластмассы, различные смолы, многие виды резины.

Если поместить в электрическое поле нейтральные тела из таких материалов, как стекло, эбонит, можно наблюдать их притяжение как к положительно заряженным, так и к отрицательно заряженным телам, но значительно более слабое. Однако при разделении таких тел в электрическом поле их части оказываются нейтральными, как и всё тело в целом.

Следовательно, в таких телах нет свободных электрически заряженных частиц, способных перемещаться в теле под действием внешнего электрического поля. Вещества, не содержащие свободных электрически заряженных частиц, называют диэлектриками или изоляторами .

Притяжение незаряженных тел из диэлектриков к заряженным телам объясняется их способностью к поляризации.

Поляризация – явление смещения связанных электрических зарядов внутри атомов, молекул или внутри кристаллов под действием внешнего электрического поля. Самый простой пример поляризации – действие внешнего электрического поля на нейтральный атом. Во внешнем электрическом поле сила, действующая на отрицательно заряженную оболочку, направлена противоположно силе, которая действует на положительное ядро. Под действием этих сил электронная оболочка несколько смещается относительно ядра и деформируется. Атом остаётся в целом нейтральным, но центры положительного и отрицательного заряда в нём уже не совпадают. Такой атом можно рассматривать как систему из двух равных по модулю точечных зарядов противоположного знака, которую называют диполем.

Если поместить пластину из диэлектрика между двумя металлическими пластинами с зарядами противоположного знака, все диполи в диэлектрике под действием внешнего электрического поля оказываются обращёнными положительными зарядами к отрицательной пластине и отрицательными зарядами к положительно заряженной пластине. Пластина диэлектрика остаётся в целом нейтральной, но её поверхности покрыты противоположными по знаку связанными зарядами.

В электрическом поле поляризационные заряды на поверхности диэлектрика создают электрическое поле, противоположно направленное внешнему электрическому полю. В результате этого напряжённость электрического поля в диэлектрике уменьшается, но не становиться равной нулю.

Отношение модуля напряжённости E 0 электрического поля в вакууме к модулю напряжённости Е электрического поля в однородном диэлектрике называется диэлектрической проницаемостью ɛ вещества:

ɛ = Е 0 / Е

При взаимодействии двух точечных электрических зарядов в среде с диэлектрической проницаемостью ɛ в результате уменьшения напряжённости поля в ɛ раз кулоновская сила также убывает в ɛ раз:

F э = k (q 1 · q 2 / ɛr 2)

Диэлектрики способны ослаблять внешнее электрическое поле. Это их свойство применяется в конденсаторах.

Конденсаторы – это электрические приборы для накопления электрических зарядов. Простейший конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин, разделённым слоем диэлектрика. При сообщении пластинам равных по модулю и противоположных по знаку зарядов +q и –q между пластинами создаётся электрическое поле с напряжённостью Е . Вне пластин действие электрических полей, направленное противоположно заряженных пластин, взаимно компенсируется, напряжённость поля равна нулю. Напряжение U между пластинами прямо пропорционально заряду на одной пластине, поэтому отношение заряда q к напряжению U

C = q / U

является для конденсатора величиной постоянной при любых значениях заряда q. Это отношение С называется электроёмкостью конденсатора.

Остались вопросы? Не знаете, что такое диэлектрики?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.