Все известные в природе вещества, в соответствии с их способностью проводить электрический ток, делятся на три основных класса: диэлектрики, полупроводники и проводники. Если удельное сопротивление у проводников равно , то у диэлектриков , а полупроводники занимают промежуточную область

В идеальном диэлектрике свободных зарядов, то есть способных перемещаться на значительные расстояния (превосходящие расстояния между атомами), нет. Но это не значит, что диэлектрик, помещенный в электростатическое поле, не реагирует на него, что в нем ничего не происходит.

Любое вещество состоит из атомов, образованных положительными ядрами и отрицательными электронами. Поэтому в диэлектриках происходит поляризация.

Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией.Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков.

Видов поляризации много.

Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную, ионную и ориентационную (дипольную). Рис. 4.1 иллюстрирует механизм этих видов поляризуемости.

Электронная поляризуемость обусловлена смещением электронной оболочки атома относительно ядра. Ионная поляризуемость вызвана смещением заряженных ионов по отношению к другим ионам. Ориентационная (дипольная) поляризуемость возникает, когда вещество состоит из молекул, обладающих постоянными электрическими дипольными моментами, которые могут более или менее свободно изменять свою ориентацию во внешнем электрическом поле.

Есть и другие виды поляризации. Главное в поляризации – смещение зарядов в электростатическом поле. В результате, каждая молекула или атом образует электрический момент p (рис. 4.2):

Ясно, что электрический момент p пропорционален напряженности Е – напряженности электростатического поля в месте нахождения молекулы, то есть внутри вещества.

К чему приводит поляризация? Рассмотрим рис. 4.3.

Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друг друга. Но на внешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются заряды противоположного знака (поверхностно связанные заряды).

Обозначим – электростатическое поле связанных зарядов. Оно направлено всегда против внешнего поля . Следовательно, результирующее электростатическое поле внутри диэлектрика

Итак, электростатическое поле внутри диэлектрика всегда меньше внешнего поля. Во сколько раз?

Рассмотрим некоторые количественные соотношения.

Поместим диэлектрик в виде параллелепипеда в электростатическое поле (рис. 4.4).

Электрический момент тела, можно найти по формуле:

где – поверхностная плотность связанных зарядов.

Введем новое понятие – вектор поляризации – электрический момент единичного объема.

где n – концентрация молекул в единице объема, – электрический момент одной молекулы.

С учетом этого обстоятельства,

(т.к. – объем параллелепипеда).

Приравняем (4.1.3.) и (4.1.5) и учтем, что – проекция на направление – вектора нормали, тогда

Поверхностная плотность поляризационных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации в данной точке поверхности.

Отсюда следует, что индуцированное в диэлектрике электростатическое поле E’ будет влиять только на нормальную составляющую вектора напряженности электростатического поля .

Вектор поляризации можно представить так:

где α – поляризуемость молекул, – диэлектрическая восприимчивость – макроскопическая безразмерная величина, характеризующая поляризацию единицы объема.

Следовательно, и у результирующего поля изменяется, по сравнению с ,только нормальная составляющая. Тангенциальная составляющая поля остается без изменения.

В векторной форме результирующее поле можно представить так:

Результирующая электростатического поля в диэлектрике равно внешнему полю, деленному на диэлектрическую проницаемость среды ε:

Величина характеризует электрические свойства диэлектрика. Физический смысл диэлектрической проницаемости среды ε – величина, показывающая во сколько раз электростатическое поле внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме:

С учетом этого обстоятельства, при наличии диэлектрической среды мы должны поправить все полученные нами в прошлых разделах формулы: например, теорема Гаусса:

или закон Кулона:

График зависимости напряженности поля шара от радиуса, с учетом диэлектрической проницаемости двух сред ( и ), показан на рисунке 4.5.

Как видно из рисунка, напряженность поля изменяется скачком

при переходе из одной среды в другую

Источник

Процесс поляризации диэлектриков: описание, типы

Если конденсатор помещается в сильное электрическое поле, диэлектрический материал, из которого он изготовлен, интенсивно поляризуется. Данное явление заключается в том, что отрицательные заряды располагаются по направлению положительных, а последние сдвигаются в направлении негативно заряженных. Такой физический эффект приобрёл название «поляризация диэлектриков». Возможностью свободного перемещения заряженные частицы, однако, не обладают, что сохраняет запас энергии, который накапливается конденсатором.

С улучшением условий для протекания поляризационных процессов, число заряженных частиц, которые находятся на обкладках конденсатора, возрастает. Подобное качество постепенного накопления энергии получило название диэлектрической проницаемости K или относительной диэлектрической проницаемости вещества ε_r.

Что такое поляризация

Явление возникает тогда, когда в изоляционном материале из-за наличия внешнего электрического поля образуется дипольный момент. Когда ток взаимодействует с диэлектрическим (изолирующим) материалом, последний реагирует сдвигом в распределении заряженных частиц, при этом позитивно заряженные частицы выстраиваются в направлении существующего поля, а негативно заряженные – в обратном направлении. Схема размещения зарядов не зависит от конструкции конденсатора.

Поляризация диэлектриков является термином, который применяется для описания поведения материала с подобными свойствами, располагающегося во внешнем поле. Существующие частицы взаимодействуют с электрическим полем, имеющемся на пластинах конденсатора, в результате чего образуются электрически связанные частицы. Они формируются вследствие контакта конденсаторных пластин конденсатора, а свободные заряды в это же время получают возможность свободного передвижения. Используя модель конденсатора, представляется возможным определить значение диэлектрической проницаемости. Для этого вычисляют показатель относительной проницаемости, используя значение ёмкости так называемого эталонного конденсатора. Эта ёмкость обычно соотносится с показателем диэлектрической проницаемости вакуума.

Интенсивность поляризационных процессов Р, протекающих в любом диэлектрике, является отношением суммарного дипольного момента к единице объёма конденсатора:

Итоговая интенсивность поляризационных процессов, которые протекают в диэлектриках, представляет собой векторную сумму нескольких источников: смещения электронов P_э, смещения ионов P_и, переориентации диполей P_д, и смещения заряда в пространстве P_п:

Поэтому важно знать, в какой мере виды поляризации диэлектриков влияют на их значение в действующих электрических полях разной мощности.

Типы поляризации диэлектриков

Для каждой разновидности поляризационных процессов характерны собственные характеристики времени, которые зависят от показателя частоты имеющегося электрического поля. Быстрее всего реализуется механизм электронного смещения, что чаще всего и случается в высокочастотных полях. Ионная и, тем более, дипольная поляризация возникают при меньшей частотности, поэтому диэлектрическая проницаемость не относится к числу электрофизических констант. Однако при возрастании частоты показатель диэлектрической проницаемости, как правило, снижается, а механизмы её действия теряют первоначальную интенсивность.

Влияние частоты обуславливается сдвигом по фазе на 90 градусов параметров напряжения и тока на идеальном конденсаторе в цепях переменного тока. Фактические материалы-диэлектрики, которые имеются в распоряжении инженеров, характеризуются различного рода дефектами, наличие которые обуславливает дополнительные диэлектрические потери. В частности, значение угла запаздывания, который определяет расхождение между реальным и идеальным токами в конденсаторе получило название тангенса потерь (tg δ) или коэффициента рассеяния. С ростом характеристик диэлектрических констант фактические значения тангенса потерь обычно увеличиваются.

Частота, на которой используется диэлектрик, определяет влияние механизмов поляризации, отображаемое его материалом. При постоянном мониторинге за сменой показателей электрического поля в переменном контуре возможны три варианта:

Таким образом эффективность диэлектрика минимальна тогда, когда фактический период релаксации не зависит от характеристик поля. Эти свойством обладают, в частности, диэлектрические композиции из керамических материалов, которые практически всегда являются поликристаллами. В электростатических системах повышенной и высокой частоты такой показатель называют Q-фактором; он считается величиной, которая обратна показателю тангенса потерь.

Электронная

Возникает одновременно при активном воздействии электрического поля. В этом случае ядро атома вместе с его электронным облаком движутся во взаимно противоположных направлениях. В результате они удаляются друг от друга, а образующийся диполь обладает крайне малыми размерами. Соответственно эффект поляризации, если и возникает, то имеет весьма незначительные объём и влияние.

Рассматриваемый вид поляризации характеризуется небольшим относительным сдвигом позитивного и негативного заряда, которые перемещаются во взаимно обратных направлениях. Электронная поляризация активна, если имеющееся электрическое поле деформирует область негативно заряженных электронов, которые расположены у позитивно заряженных ядер. Существуют материалы, молекулы которых находятся в состоянии перманентной поляризации. Причина этого явления – наличие сильных и постоянных химических связей. Например, в воде электронный тип поляризации обусловлен молекулами, которые непрерывно вращаются под влиянием сильного электрического поля. В данном случае явление поляризации диэлектриков вызывает э дипольный момент, равный промежутку между центрами смещения негативных и позитивных зарядов, умноженному на их количество. Значение показателя электронной поляризации Р может быть вычислено как величина дипольного момента p, которая отнесена к единице объёма V поляризованного материала

Ионная

В некоторых твёрдых веществах-диэлектриках, например, в керамике, ионы в кристаллической решетке размещаются симметрично, естественно, что в таком случае поляризация отсутствует. Но, если ввести в такое электрическое поле некоторое количество положительно и отрицательно заряженных частиц, то их притягивание будет осуществляться в разных направлениях. Этим вызывается ионная поляризация, вызывающая изменения диэлектрических констант.

Всегда имеется некоторое расстояние между смежными ядрами в молекуле твёрдого тела-диэлектрика, поэтому в молекуле всегда наличествует дипольный момент, который не зависит от характеристик внешнего электрического поля. внешнего электрического поля. Как известно, молекулы поваренной соли имеют только два иона, поэтому в каждой молекуле появляется свой дипольный момент, направление которого – от негативно до позитивно заряженного иона.

Дипольная

Существует много ионных соединений, у которых более двух атомов. В этих случаях количество ионных связей, и, следовательно, моментов, также увеличивается. Результирующий параметр (который заключается в разделении позитивно и негативно заряженных частиц в структуре отдельной молекулы) будет являться векторной суммой отдельных дипольных моментов.

В том случае, когда молекула имеет центр симметрии, равнодействующий дипольный момент молекулы равен нулю. Чистый дипольный момент молекулы присутствует только в асимметричных молекулярных структурах. Эту величину называют постоянным дипольным моментом, поскольку он присутствует там даже тогда, когда внешнее поле отсутствует.

Некоторые твёрдые тела обладают постоянными молекулярными диполями. Они вращаются, создавая при этом средний дипольный момент, который направлен в направлении приложенного поля. Дипольная ориентация часто встречается в полимерных материалах, атомная структура которых допускает подобную переориентацию.

Самопроизвольная

Выше характерной температуры, называемой температурой точки Кюри, явление сегнетоэлектричества исчезает, потому что тепло интенсивно встряхивает диполи и тем самым преодолевает силы, самопроизвольно выравнивающие их.

Механизмы поляризации диэлектриков, кроме описанных, реализуются и в форме межфазной поляризации. В керамических материалах это явление возникает из-за посторонних зарядов, которые возникают из-за загрязнений или неправильной геометрии на границах раздела поликристаллических твердых тел. Эти заряды частично подвижны, поэтому перемещаются под действием приложенного поля.

Источник

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

• ← Что такое реферальный счет
• Что такое деление уголком →