1. Диэлектрические материалы

1.1. Поляризация диэлектриков

При описании электрических явлений обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами, к которым подводится электрическое напряжение, т. е. некоторый участок изоляции. Таким участком может быть электрический конденсатор, изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т. п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его электрических параметров.

В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные - в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные - в обратном направлении.

В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp.

Образование индуцированного электрического момента р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Качественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

. (1.1)

Поляризованность - векторная величина: ее направление совпадает с направлением электрического момента - от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в [Кл× м], а объем -в [м3], то единицей модуля поляризованности будет [Кл/м2].

Существует несколько видов поляризации: электронная, ионная, дипольная и миграционная.

1.1.1. Электронная поляризация

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации.

Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля - порядка 10-14 - 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических.

При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки l, но и возрастает заряд ядра q.

1.1.2. Ионная поляризация

Ионная поляризация - смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. При этом центры положительных и отрицательных зарядов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние x в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях, вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент рu = qx.

Ионная поляризация устанавливается также за малое время (хотя и большее, чем электронная) - 10-13 - 10-14 с.

Ионная поляризуемость больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т. е. являются многовалентными.

1.1.3. Дипольная поляризация

Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Сущность этого метода поляризации заключается в повороте в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент.

Диэлектрики можно подразделить на полярные (содержащие постоянные диполи, способные к переориентации) и неполярные (не содержащие ориентирующихся диполей).

В молекулах любого вещества содержатся положительные и отрицательные электрические заряды. Алгебраическая сумма всех зарядов равна нулю, когда вещество не наэлектризовано, т. е. электрически нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в молекуле у каждоговещества различно. Если заменить все положительные заряды молекулы одним суммарным, считая его расположенным в центре тяжести отдельных положительных зарядов, и такое же суммирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные точечные заряды могут либо не совпадать в пространстве друг с другом, либо совпадать.

В первом случае молекула даже в отсутствие внешнего электрического поля будет представлять собой электрический диполь с отличным от нуля постоянным электрическим моментом рП = ql, где q — суммарный положительный (отрицательный) заряд молекулы; l — расстояние между суммарными зарядами, т. е. плечо диполя. В большинстве случаев постоянный электрический момент молекул полярных веществ рП = 10-30 - 10-29 [Кл× м].

Электрический момент молекулы - величина векторная, направленная от отрицательного заряда -q к положительному заряду +q. У неполярных веществ l = 0 и потому рП = 0.

Независимо от электрических свойств о полярности вещества можно судить по строению его молекул. Молекулы имеющие симметричное строение и центр симметрии, неполярны, так как центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы и l = 0 и рП = 0. Несимметричные молекулы полярны.

Более строго дипольную поляризацию можно объяснить как внесение внешним электрическим полем некоторой упорядоченности в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения. Следовательно, дипольная поляризация по своей природе связана с тепловым движением молекул, и на нее оказывает существенное влияние температура.

Дипольная поляризация в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и аморфных вязких веществах.

Процесс установления дипольной поляризации после включения диэлектрика под напряжение требует относительно большого времени. Поляризованность РД дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

(1.2)

Постоянную времени этого процесса t называют временем релаксации дипольной поляризации. Если период приложенного переменного напряжения меньше t , то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем. Так как τ обычно имеет порядок 10-6 - 10-10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах не ниже 106 - 1010 Гц.

При понижении температуры t сильно возрастает.

1.1.4. Миграционная поляризация

Миграционная поляризация наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела.

Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленные - секунды, минуты, часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.

1.2. Электропроводность диэлектриков

Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала r, тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции - объемный сквозной ток IV - очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности - поверхностный сквозной ток IS. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным:

. (1.3)

Следовательно проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = IV / U и поверхностной G = IS / U:

. (1.4)

Величины обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции - объемным RV и поверхностным RS. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений:

. (1.5)

Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики RS вводят понятие удельного поверхностного сопротивления r S.

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения Iсм, плотность которого Jсм = ∂D /∂t. Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник — образец, которое обычно мало. Однако ток продолжает изменяться и после этогочасто в течение минут и даже часов. Медленно меняющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика, называют током абсорбции Iабс.

Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей заряда встречает на своем пути дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все дефекты заполнятся носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток Iскв, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов:

(1.6)

Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика - дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным.

1.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых диэлектриков чаще всего носит не электронный а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках D W >> kT и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kT. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов по сравнению с подвижностью электронов, ионная проводимость оказывается больше электронной за счет большей концентрации свободных ионов:

(1.7)

Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше.

Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков, как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному закону:

. (1.8)

Однако зависимость g (Т) часто обусловлена не экспоненциальным ростом концентрации носителей, как в полупроводниках, а ростом подвижности.

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной и примесной.

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда r мало, и приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ.

Некоторые диэлектрики обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов.

В кристаллах удельное сопротивление зависит от направления. Вдоль оптической оси оно ниже, чем поперек этой оси.

1.2.2. Электропроводность жидкостей

Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрация ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону:

, (1.9)

где W- энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость:

. (1.10)

Здесь μ+ и μ - подвижности положительных и отрицательных ионов; q - заряд иона; n и А — константы.

Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. Ввиду того, что энергия диссоциации полярных жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная проводимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей (дистиллированная вода, этиловый спирт) r = 103 - 105, для слабо полярных (касторовое масло) r = 108 - 1010, для неполярных (бензол, трансформаторное масло) r > 1010 - 1013 Ом× м. В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена примесями, особенно полярных веществ.

В жидкостях с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые представляют собой тесную смесь двух веществ (фаз), причем одна фаза в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой. Наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии и суспензии. Стабильность эмульсий и суспензий объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов. Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде электрофореза.

1.2.3. Электропроводность газов

Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц в 1 м3 воздуха не превышает нескольких десятков миллионов.

Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами: радиоактивным излучением Земли; радиацией, проникающей из космического пространства; излучением Солнца; иногда тепловым движением молекул и т. п. При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон "прилипает" к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.

Заряженные ионы, так же как и окружающие их не имеющие электрического заряда молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация.

В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие при котором число положительных ионов в газе равно числу отрицательных ионов N+ = N, а число рекомбинирующих ионовпостоянно Nр = a N+ N, где a - коэффициент рекомбинации ионов газа [м3/с].

При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами со скоростями u + = m +E и u = m E, где m + и m - подвижности положительного и отрицательного ионов.

Если напряженность поля Е очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрации ионов в газе, плотность тока

. (1.11)

Принимая во внимание, что J = g Е, получаем выражение для удельной проводимости газа:

(1.12)

При малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда Nр, a , m + и m можно считать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т. е. в этих условиях соблюдается закон Ома.

Однако при дальнейшем возрастании напряженности поля закон Ома не выполняется. В этом случае все ионы будут уходить на электроды не рекомбинируя. Так как число ионов в газе при малых полях ограничена и не зависит от напряжения, то дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока. Этот ток называют током насыщения. Значение плотности тока насыщения в газах не превышает 10-16 — 10-14 А/м2.

При дальнейшем повышении Е до значений, близких к электрической прочности Епр, возникает возможность генерации заряженных частиц в электрическом поле из-за появления ударной ионизации. В предпробивных полях создаются условия для возникновения "лавин", и ток очень резко возрастает, пока при J = Епр не наступает пробой газа.

1.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков

Поверхностная электропроводность диэлектриков создается благодаря неизбежному увлажнению, окислению, загрязнению и т. д. поверхностных слоев электрической изоляции. Поэтому диэлектрик характеризуется значением удельного поверхностного сопротивления RS.

, (1.13)

где h - расстояние между параллельными друг другу кромками электродов, b - длина электродов.

У проводниковых материалов поверхностные токи исчезающе малы по сравнению с объемными, поэтому у этих материалов поверхностное сопротивление не учитывается. Не определяется поверхностное сопротивление и у жидких и газообразных диэлектриков. Не имеет смысла определение поверхностного сопротивления и у тонких слоев твердых диэлектриков так как в этом случае практически невозможно отделить поверхностные токи утечки от объемных.

Характер зависимости RS диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения R. Однако при изменениях влажности окружающей среды значения RS изменяются быстрее, чем значения R.

Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых - влаги. Кроме того, RS падает при загрязнении поверхности диэлектрика.

Для повышения поверхностного сопротивления электроизоляционных изделий их покрывают влагостойкими гидрофобными веществами с большим значением RS.

1.3. Потери в диэлектриках

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживаются сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивления. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозной электропроводимости, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике. Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также tg этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз j между I и U в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика I в такой цепи будет опережать вектор U на 90° , при этом угол d будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tg j .

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества.

Диэлектрические потери могут обуславливаться сквозным током или активными составляющими поляризационных токов. При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно изобразить это явление в виде кривых, представляющих зависимость электрического заряда на обкладках конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения. При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения и такой диэлектрик называется линейным (рис.1.1,а).

Рис.1.1. Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), с потерями (б)
Рис.1.1. Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), с потерями (б).

Если в линейном диэлектрике имеет место замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рис.1.1,б).

Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения U.

В случае нелинейного диэлектрика - сегнетоэлектрика, кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид петли такого же характера, как петля гистерезиса из магнитных материалов. В этом случае площадь петли пропорциональна потерям энергии за один период.

В технических электроизоляционных материалах, помимо потерь сквозной электропроводимости и потерь от замедленной поляризации, возникают электрические потери, которые сильно влияют на электрические свойства диэлектриков. Эти потери вызываются наличием изолированных друг от друга посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, окислов железа и т.д. и значительны даже при малом содержании таких примесей в электроизоляционном материале. В случае высоких U потери в диэлектрике возникают в следствии ионизации газовых включений внутри диэлектриков, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах.

Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями, находящемуся в цепи переменного U. Последовательная и параллельная схема представлены на рис.1.2, там же даны соответствующие диаграммы токов и напряжений.

Рис.1.2. Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика с потерями: а – последовательная; б – параллельная
Рис.1.2. Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика с потерями: а – последовательная; б – параллельная.

Обе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений z1 = z2 = z равны их активные и реактивные составляющие. Это условие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения j равны и значения активной мощности одинаковы.

Из теории переменных I известно, что:

. (1.14)

Выразим P для последовательной и параллельной схемы через Cs и Cp и угол d , который является дополнением угла j до 90° .

Для последовательной схемы (рис1.1,а), используя выражения Pa и соответствующую диаграмму имеем:

и (1.15)
tg d = wCsr . (1.16)

Для параллельной схемы (рис.1.1,б):

, (1.17)

. (1.18)

Приравнивая друг другу выражения, находим соотношения между Cp и Cs и между r и R:

, . (1.19)

Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg2d по сравнению с единицей в формуле и рассчитав Cp » Cs » C Выражение для Р, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут одинаковы для обеих схем:

Pa=U2wCtg d, (1.20)

где Ра измеряется в Вт, U - в В, w - в с-1, С - в фарадах.
R в параллельной схеме, как следует из выражения , во много раз больше r.
Выражение для удельных диэлектрических потерь, т.е. Р, рассматриваемой в единице объема диэлектрика, имеет вид:

, (1.21)

где p - удельные потери, Вт/м3;
w - 2p f - угловая частота, с-1;
Е - напряженность электрического поля, В/м.

Действительно, емкость между противоположными гранями куба со стороной 1 м будет С1 = e 0e , реактивная составляющая удельной проводимости:

; (1.22)

а активная составляющая . (1.23)

Следует отметить, что емкость диэлектрика с большими потерями становится совершенно условной величиной, зависящей от выбора той или иной эквивалентной схемы. Отсюда и диэлектрическая проницаемость материала с большими потерями при переменном U также условно. Угол диэлектрических потерь от выбора схемы не зависит.

Рассматривая формулы и можно видеть, что диэлектрические потери приобретают серьезное значение для материалов, используемых в установках высокого U, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных высокочастотных устройствах, поскольку величина диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику U и частоте поля. Материалы, предназначаемые для применения в указанных условиях, должны отличаться малым значением угла потерь и диэлектрической проницаемостью, т.к. в противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, может стать недопустимо большой.

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

  1. диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;
  2. диэлектрические потери сквозной электропроводности;
  3. ионизационные диэлектрические потери;
  4. диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Рассмотрим каждый вид диэлектрических потерь. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.

1.3.1. Релаксационные диэлектрические потери

Релаксационные диэлектрические потери вызываются нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля. Это нарушение приводит к рассеянию энергии и нагреву диэлектрика. В температурной зависимости tg угла релаксационных диэлектрических потерь наблюдается max при некоторой t° , характерной для данного вещества. При этой t° время релаксации частиц диэлектрика примерно совпадает с периодом изменения приложенного переменного I. Если t° такова, что время релаксации частиц значительно больше полупериода изменения приложенного переменного U, то тепловое движение частиц будет менее интенсивным, и потери уменьшатся; если t° такова, что время релаксации частиц значительно меньше полупериода изменения U, то интенсивность теплового движения будет больше, связь между частицами уменьшится, в результате чего потери также снизятся.

Диэлектрические потери, наблюдаемые в сегнетоэлектриках связаны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому потери в сегнетоэлектиках значительны при t° ниже точки Кюри, когда имеет место спонтанная поляризация. При t° выше точки Кюри потери уменьшаются. Электрическое старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым уменьшением потерь.

К диэлектрическим потерям, обусловленным поляризацией, следует отнести так называемые резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при световых частотах. Этот вид потерь с особой четкостью наблюдается в некоторых газах при строго определенной частоте и выражается в интенсивном поглощении энергии электрического поля. Так же эти потери возможны и в твердых веществах, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tgd характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае t на положение max не влияет.

1.3.2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Тангенс угла диэлектрических потерь в этом случае может быть вычислен по формуле:

, (1.24)

где f - в Гц и r - в Ом× м.

Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tgd уменьшается с частотой по гиперболическому закону.

Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с t по экспоненциальному закону: , где А, - постоянные материала, или в соответствии с приближенным выражением: , где Pt - потери при температуре t° С, Р0 - потери при температуре 0° С, d - постоянная материала, tgd в зависимости от температуры изменяется по тому же закону, который использован для аппроксимации температурной зависимости Р, т.к. температурным изменением емкости можно пренебречь.

1.3.3. Ионизационные диэлектрические потери

Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значения, соответствующие началу ионизации данного газа. Ионизационные потери могут быть вычислены по формуле: , где А1 - постоянный коэффициент, f - частота поля, U - приложенное напряжение, U0 - напряжение, соответствующее началу ионизации.

Формула справедлива при U > U0 и линейной зависимости tgd от Е. Ионизационное U0 зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда. С увеличением давления газа величина U0 возрастает.

1.3.4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры наблюдаются в слоистых диэлектриках из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике, в производных слюды - миканитах, микалексе и т.д. Ввиду разнообразия структуры однообразных неоднородных диэлектриков и особенностей, содержащихся в них компонентов, не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь в этом случае. Для наглядности основные сведения об особенностях различных видов диэлектрических потерь сведены в таблице 1.1

Таблица 1.1. Классификация потерь в диэлектриках.

Диэлектрические
потери

Главные особенности

Виды диэлектриков

1. Обусловленные
Поляризацией:

   

релаксационные (дипольные и ионные)

Наличие max tg угла потерь, зависящие от температуры и частоты.

Дипольные жидкие и твердые диэлектрики, ионные с неплотной упаковкой.

резонансные

Наличие резко Выраженного max при Некоторой частоте (выше 1015 Гц), положение которого не зависит от температуры.

Все виды диэлектриков.

Спонтанной поляризации

Велики: выше точки Кюри наблюдается резкое уменьшение.

Сегнето-электрики.

2. Обусловленные

электропроводностью

Независимость потерь от частоты (tg угла потерь с частотой снижается по геперболе) и заметное возрастание с t.

Жидкие и твердые диэлектрики
Жидкие и твердые диэлектрики с большой электро проводностью.

3. Ионизационные.

Наблюдаются при U выше ионизации.

Газообразные и твердые диэлектрики с газообразными включениями.

4. Обусловленные

Неоднородностью структуры.

Сложная зависимость потерь от компонентов, входящих в состав диэлектрика и случайных примесей.

Неоднородные диэлектрики.

1.3.5. Диэлектрические потери в газах

Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимо для развития ударной ионизации молекул газа, очень мала. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, т.к. ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями.

Как известно, все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и угол диэлектрических потерь в связи с этим будет мал, особенно при высоких частотах. Величина tgd может быть вычислена по формуле (1.24).

Удельное объемное сопротивление газов - порядка 1016 Ом×м, e » 1 и tgd при f = 50 Гц (в отсутствие ионизации) менее 4×10-8. При высоких U и неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превзойдет некоторые критические значения, молекулы газа ионизируется, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию. При U0 начинается ионизация газа в порах и tgd заметно возрастает. При U1, когда газ во включениях уже ионизирован и энергия на процесс ионизации не затрачивается, tgd уменьшается.

Кривую tgd = f (U) часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери в газах возрастают настолько, что явление может повести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает U0.

Возникновение ионизации газа, заполняющего закрытые поры в твердой изоляции, нередко приводит к такому же разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает химическое разложение органической изоляции, содержащей газовые включения.

На линиях электропередачи высокого U потери на изоляцию воздуха у поверхности проводов (явление короны) снижают КПД линии.

1.3.6. Диэлектрические потери в жидкостях

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами. Удельная проводимость нейтральных частот жидкостей чрезвычайно мала, благодаря чему малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло, tgd которого очень мал и может быть рассчитан по формуле: , где f - в Гц и r - в Ом× м.

Полярные жидкости в зависимости от условий (температура, частота) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь, обусловленных электропроводностью.

Применяемые в технике жидкие диэлектрики часто представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (например, масляно-канифольные компаунды) или являются полярными жидкостями (совол).

У жидких диэлектриков с полярными молекулами заметно проявляется зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Удельная проводимость таких жидкостей при комнатной температуре 10-10 - 10-11 См× м-1. Диэлектрические потери, наблюдаемые в полярных вязких жидкостях при переменном напряжении, значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери и называют дипольно-релаксационными. Объяснение природы потерь в полярных вязких жидкостях можно дать, основываясь на представлениях о механизме дипольно-релаксационной поляризации.

Потери возрастают с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и tgd падает, то потери Ра становятся постоянными в соответствии с формулой: Pa=U2wCtg d, где Ра - Вт, U - в В, w - в с-1, С - фарадах.

Таким образом, характер зависимости диэлектрических потерь Ра от частоты не соответствует характеру частотной зависимости tgd .

Дипольно-релаксационные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны могут быть меньше потерь сквозной электропроводности. Ниже для сравнения приведены значения e и tgd для неполярной и полярной жидкостей при частоте 50 Гц.

Трансформаторное масло e = 2,3; tgd = 0,001;
Совол e = 5; tgd = 0,02;

Как видно, tgd диэлектрических потерь неполярной жидкости - трансформаторного масла значительно меньше, чем полярной жидкости - совола.

1.3.7. Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые вещества обладают разнообразным составом и строением; в них возможны все виды диэлектрических потерь. Их можно подразделить на четыре группы:

  1. диэлектрики молекулярной структуры;
  2. диэлектрики ионной структуры;
  3. диэлектрики сегнетоэлектрики;
  4. диэлектрики неоднородной структуры.

Рассмотрим диэлектрики первой группы, т.е. молекулярной структуры. Эти потери зависят от вида молекул. В случае неполярных молекул, в веществах, не имеющих примесей, диэлектрические потери малы. К таким диэлектрикам относится сера, парафин; неполярные примеси - полиэтен, политетрафторэтилен, полистирол и другие. Указанные вещества, в связи с их весьма малыми потерями, находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков. Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами представляют собой, главным образом, органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат материалы на основе целлюлозы (бумага, картон и др.), полярные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полиамиды (картон и др.) и полиуританы, каучуковые материалы (эбонит), фенолоформальдегидные смолы (бакелит и др.), эфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза и др.) - и ряд других материалов. Все они из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями. Потери в этих диэлектриках существенно зависят от температуры; при некоторых температурах обнаруживаются max или min потерь; возрастание потерь после min объясняется увеличением потерь сквозной электропроводности. Такую зависимость можно отобразить в виде графика, в частном случае для бумаги.

Диэлектрики ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке. В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от сквозной электропроводности. К веществам этого типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамике, например, корунд (Al2O3), входящий в состав ультрафарфора. Примером такого соединения является каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко (на 2 -3 порядка) увеличивают диэлектрические потери.

Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры - неорганических стеклах - связаны с явлением поляризации и наличием электропроводности. Рассматривая механизм диэлектрических потерь в стеклах, следует различать:

а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте (tgd не зависит от частоты);

б) потери, заметно возрастающие с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависящие от частоты (tgd уменьшается с возрастанием частоты).

Потери первого вида обуславливаются релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Чисто кварцевое стекло обладает весьма малыми релаксационными потерями. Введение в плавленый кварц небольшого количества окислов вызывает заметное возрастание диэлектрических потерь из-за нарушения внутренней структуры стекла. Термическая обработка - отжиг или закалка - заметно влияют на угол диэлектрических потерь из-за нарушения внутренней структуры.

Таблица 1.2. Влияние термической обработки на tgd потерь стекол при 20° С и f = 1 МГц.

Способ обработки

tgd

Нормальный отжиг

0,0073

0,0012

Длительный отжиг при низкой t с последующим быстрым охлаждением

0,0081

0,0015

Кратковременный отжиг с быстрым охлаждением

0,010

0,0015

Закалка

0,125

0,0020

В таблице 1.2 показана зависимость tgd потерь некоторых стекол от способа их термической обработки. Потери второго вида вызываются передвижениями слабосвязанных ионов и должны рассматриваться как потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери проявляются обычно при t выше 50-100° С.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков. Особенностью сегнетодиэлектриков является наличие в них самопроизвольной поляризации, проявляющейся в определенном температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с t в области самопроизвольной поляризации и редко падают при t выше точки Кюри, когда сегнетоэлектрические свойства теряются и самопроизвольная поляризация исчезает.

Диэлектрические потери в твердых веществах неоднородной структуры, к ним относятся неоднородные диэлектрики, т.е. керамика. Любой керамический материал представляет собой сложную многофазную систему. В его составе различают кристаллическую фазу, стекловидную и газовую (газы в закрытых порах). Диэлектрические потери в керамике зависят от характера кристаллической и стекловидной фазы и количественного соотношения между ними. Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлектрических потерь при U поля вследствие развития ионизации.

В современной электроизоляционной технике применяется большое количество неоднородных диэлектриков. В одних случаях это определяется требованиями механической прочности (волокнистая основа), в других - удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (наполнители в пластмассах и резинах), в третьих - использованием ценных отходов (слюдяные материалы).

1.4. Пробой диэлектриков

1.4.1. Общая характеристика пробоя

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью пр). Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (Uпр) и измеряют чаще всего в киловольтах.

Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

Епр = Uпр/h, (1.25)
где h – толщина диэлектрика.

Пробой твердых диэлектриков и пробой газов и жидкостей отличаются друг от друга как по внешним признакам, так и по физике явления.

Пробой газа обуславливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизации тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них посторонних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля.

Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному и резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.

Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.

При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под действием электрического поля – электрохимический пробой.

Из изложенного следует, что пробой газов – явление чисто электрическое, а в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы.

1.4.2. Пробой газов

Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невысока по сравнению с прочностью большинства жидких и газообразных диэлектриков.

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получают добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию

W = q·Ul, (1.26)

где q – заряд, Ul – падение напряжения на длине свободного пробега l.

Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, то может произойти ионизация молекул газа. Условием, определяющим возможность ионизации, является:

W Wи. (1.27)

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и l постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью. Процесс быстрого распространения ионизации называется явлением стримера. Явление пробоя газа объясняется ударной ионизацией и сопутствующим явлением фотоионизации. Пробой газа наступает, когда весь газовый промежуток между электродами ионизирован. В ионизированном пространстве образуется два потока (стримера) – поток электронов и поток положительно заряженных ионов.

Внешне процесс ионизации проявляется свечением газа.

Напряжение, при котором наступает полная ионизация газового пространства между электродами, называется напряжением пробоя газа. Оно зависит от природы самого газа, его давления, влажности, температуры, в большой степени от формы электродов и расстояния между ними, однородности электрического поля, воздействующего на газ, а также от того, действует постоянное, переменное или импульсное напряжение.

Различные газы имеют различную электрическую прочность. С увеличением давления электрическая прочность газов увеличивается. Это объясняется тем, что при возрастании давления увеличивается число молекул в единице объема, отсюда сокращается длина свободного пробега электронов, они не успевают приобрести энергию, необходимую для ионизации молекул, и поэтому пробой наступает только при более высоком напряжении.

При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.

При малых расстояниях между электродами, порядка нескольких микрон, электрическая прочность газов сильно увеличивается. Это объясняется тем, что из-за малости расстояния процесс ионизации затруднен, и ионизация наступает при более высоком напряжении. Экспериментально установлено, что пробивное напряжение любого газа пропорционально произведению давления газа Р на расстояние между электродами h (при Т = const). Эта зависимость носит название закона Пашена и иллюстрируется графиком на рис.1.2.

Рис.1.2. Зависимость электрической прочности газа от давления
Рис.1.2. Зависимость электрической прочности газа от давления

В неоднородном поле наблюдаются значительные отклонения от этого закона. Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

1.4.3. Пробой жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.

Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков.

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости, который приводит к образованию газового канала между электродами. Влияние воды, не смешивающейся с трансформаторным маслом при нормальной температуре и держащейся в нем в виде отдельных мелких капелек. Под влиянием поля капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую прочность.

1.4.4. Пробой твердых диэлектриков

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

  1. электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;
  2. электрический пробой неоднородных диэлектриков;
  3. тепловой (электротепловой) пробой;
  4. электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10-7 – 10-8 с, и не обусловлен тепловой энергией.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижается электрическая прочность как в однородном, так и в неоднородном поле. Площадь электродов тоже влияет на прочность диэлектрика. Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности из-за уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью: мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика.

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений: слюда, стекла, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком.

Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала.

Для того, чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при данной температуре с поверхности изолятора:

U2wCtgd= sS(Tраб – T0), (1.28)

где U – напряжение, В; U2wC– реактивная мощность, В·А; w – угловая частота, с-1; С – емкость изолятора, Ф; tgd – тангенс угла потерь при рабочей температуре; s – коэффициент теплоотдачи , Вт/м2·К; S – площадь поверхности изолятора, м2; Tраб и T0 – температуры поверхности изолятора и окружающей среды, К.

Данное выражение с достаточной степенью точности позволяет рассчитать допустимое напряжение для изделий с известной электрической емкостью и хорошей теплопроводностью диэлектрика, обеспечивающей малый перепад температуры по сечению изделия.

Для более точных расчетов В.А.Фоком и Н.Н.Семеновым получено строгое аналитическое выражение для пробивного напряжения в случае теплового пробоя:

строгое аналитическое выражение для пробивного напряжения в случае теплового пробоя (1.29)

где g т – удельная электропроводность диэлектрика, Вт/м·К; f – частота, Гц; tgd0 – тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; atgd – температурный коэффициент tgd, 1/K; j(cs) – поправочная функция аргумента с, зависящая от теплопроводности металла электродов, коэффициента теплопередачи из диэлектрика в металл, толщины диэлектрика и электродов.

Электрохимический пробой имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивление изоляции.

Такое явление часто называют старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании. Это явление имеет место в органических (пропитанная бумага, резина и т.д.) и некоторых неорганических диэлектриках (титановая керамика).

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, т.к. он связан с явлением электропроводности, приводящем к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО2), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.

Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.

1.5. Химические свойства диэлектриков

При длительной работе диэлектрики не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающихся с ними металлов; не реагировать с различными веществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.

Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химико-технологическими способами: склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные – в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и др. смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой – весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.

1.6. Классификация диэлектрических материалов

По области применения все диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные и диэлектрики в электрических конденсаторах.

Первые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Вторые используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов.

По возможности управления электрическими свойствами диэлектрические материалы можно разделить на пассивные с постоянными свойствами и активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики,электреты и др.).

Диэлектрические материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды).

В соответствии с химической природой все диэлектрики делятся на органические и неорганические. Под органическим веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и др. металлы, кислород и т.п.

Количество диэлектрических материалов исчисляется многими тысячами. Поэтому здесь будут даны лишь общие представления об особенностях строения и свойств основных классов диэлектриков.

1.6.1. Органические полимеры

Среди диэлектриков особое значение имеют высокомолекулярные органические материалы. По своей природе они являются полимерами , т.е. веществами, молекулы которых представляют совокупность весьма большого числа имеющих одинаковое строение групп атомов, и получаются в результате объединения друг с другом молекул, сравнительно весьма простых по своему составу веществ, так называемых мономеров.

Реакция образования полимера из мономера носит название полимеризации. При полимеризации молекулярная масса, естественно, увеличивается; возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость; в процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости и далее в состояние твердого тела; уменьшается растворимость и т.д.

Простой пример: стирол – жидкий ненасыщенный углеводород, имеющий элементарный состав С8Н8 и строение молекулы

Благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами углерода обладает способностью легко полимеризоваться. Образующийся в результате полимеризации из стирола полимер стирола - так называемый полистирол - является уже твердым веществом; его молекула имеет строение

и может быть представлена как цепочка, состоящая из одинаковых повторяющихся звеньев, каждое из которых представляет собой одну молекулу мономера - стирола, но с измененным характером связей между атомами С (простая связь С - С, а не двойная С = С):

где n - степень полимеризации, т.е. число молекул мономера, объединившихся в одну молекулу полимера.

Для полистирола n может доходить до 6000; т.о., тогда как молекулярная масса стирола 12·8 + 1·8 = 104, молекулярная масса полистирола составляет уже 624000. Температура плавления стирола минус 33°С, а температура размягчения полистирола составляет плюс 70 - 85°C.

Процесс полимеризации протекает при различных условиях с различной скоростью. Например, стирол сохраняется на холоде и в темноте продолжительное время, однако повышение температуры, освещение, добавление катализаторов способны резко ускорить переход жидкого стирола в твердый полистирол. Т.о., скорость полимеризации можно регулировать, изменяя условия, в которых протекает процесс полимеризации.

При определенных условиях (сравнительно высокая температура, механическая обработка и др.) полимер может разлагаться на вещества с меньшей степенью полимеризации. Такой процесс, противоположный процессу полимеризации, называется деполимеризацией.

Могут существовать и более сложные случаи полимеризации. Такова, например, совместная полимеризация (сополимеризация) нескольких мономеров различного состава и поликонденсация, когда не все атомы мономерных молекул входят в состав образующихся полимерных молекул, а одновременно с образованием полимера выделяется вода или иные низкомолекулярные вещества.

Полимеры делятся на две группы: линейные и пространственные полимеры. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей (конечно, не прямых, а изогнутых и переплетенных друг с другом), так что отношение длины молекулы к ее поперечным размерам может быть порядка тысячи. Молекулы пространственных полимеров развиты в пространстве более равномерно, так что они имеют более компактную форму, приближаясь к форме шара.

В практике распространено разделение полимеров на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные материалы при достаточно низких температурах тверды, но при нагреве становятся мягкими и легко деформируются; они могут растворяться в соответствующих растворителях Характерной особенностью таких материалов является то, что нагрев до температуры, соответствующей их пластичному состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств.

В противоположность материалам этой группы термореактивные материалы (реактопласты) при нагреве претерпевают необратимое изменение свойств: как говорят, они запекаются, т.е. приобретают значительную механическую прочность и твердость, теряя при этом свойства растворимости и плавкости.

1.6.2. Смолы

При достаточно низких температурах смолы – аморфные стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы размягчаются, становясь пластичными, а затем и жидкими. Смолы большей частью нерастворимы в воде и мало гигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях.

Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластмасс, пленок, искусственных и синтетических волокнистых материалов. По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические.

Природные представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (щелак) или растений–смолоносов (канифоль). Сюда же относятся ископаемые смолы – копалы.

Наибольшее значение имеют синтетические смолы – полимеризационные и конденсационные. Общим недостатком конденсационных смол является то, что при их отверждении происходит выделение воды или др. низкомолекулярных веществ, ухудшающих свойства смолы. Типичные представители синтетических смол: поливинилхлорид, фторопласт-4 (зарубежные аналоги известны под названием тефлон, дайфлон), полиуретаны, бакелит, новолак, полиэтилентерефталат, эпоксидные смолы, силиконы.

1.6.3. Битумы

Битумы – аморфные материалы, представляющие собой смеси углеводородов и обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный или темно-коричневый цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах – легче ароматичных (бензол, толуол и др.), несколько труднее в бензине, немаслостойки. В спирте и воде битумы нерастворимы, они имеют малую гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы. Битумы термопластичны плотность их близка к 1 Мг/м3.

Различают битумы искусственные (нефтяные), представляющие собой тяжелые продукты перегонки нефти, и природные (ископаемые), называемые также асфальтами. Залежи асфальтов связаны с нефтяными месторождениями, т.к. в природных условиях асфальты также образовались из нефти.

1.6.4. Гибкие пленки

Особый вид изделий из органических полимеров – тонкие прозрачные гибкие пленки, выпускаемые в рулонах. Эти пленки, обладающие высокой электрической и механической прочностью, находят широкое применение в изоляции электрических машин, кабелей и обмоточных проводов и т.п.

Гибкие пленки могут быть изготовлены из линейных полимеров с достаточно высокой молекулярной массой, т.е. с большой длиной молекул.

Пленки из эфиров целлюлозы весьма распространены в технике и в быту; к ним относят фото- и кинопленки и упаковочные материалы (целлофан – пластифицированная глицерином пленка из материала, аналогичного по составу искусственному вискозному шелку).

Из полярных синтетических пленок большое значение имеют полиэтилентерефталатные пленки (майлар, мелинекс, хостафан и др.) толщиной от 0.04 до 0.35 мм. Они имеют хорошие механические и электроизоляционные свойства, химически стойки и нагревостойки; по короностойкости они превосходят как триацетатные, так и полиэтиленовые и полистирольные пленки.

Среди неполярных пленок большое значение имеют пленки из полиэтилена, полипропилена, полистирола (стирофлекса), политетрафторэтилена.

1.6.5. Волокнистые материалы

Это материалы, которые состоят преимущественно из частиц удлиненной формы – волокон. В текстильных материалах волокнистое строение совершенно очевидно. В дереве, бумаге, картоне волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении.

Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность (из-за наличия промежутка между волокнами, заполненного воздухом). Гигроскопичность более высокая, чем у массивного материала того же химического состава. Свойства волокнистых материалов могут быть значительно улучшены путем пропитки, поэтому такие материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.

Большая часть волокнистых материалов – органические вещества. Это материалы растительного (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр., состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химической переработки природного волокнистого сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синтетических полимеров.

1.6.6. Пластические массы

Пластмассы (пластики) характеризуются способностью под влиянием внешнего давления приобретать определенную форму, соответствующую очертаниям пресс-формы, используемой для прессования изделий.

В большинстве случаев пластмассы состоят из двух основных компонентов: связующего и наполнителя. Связующее – обычно органический полимер, обладающий способностью деформироваться под воздействием давления. Иногда применяется и неорганическое связующее, например, стекло в микалексе, цемент в асбоцементе. Наполнитель, прочно сцепляющийся со связующим веществом, может быть порошкообразным, волокнистым, листовым; наполнитель существенно удешевляет пластмассу и в то же время может улучшать ее механические характеристики. Гигроскопичность и электроизоляционные свойства из-за введения наполнителя могут иногда ухудшаться. Примеры пластиков: гетинакс (прессованная бумага, пропитанная бакелитом), текстолит (ткань, пропитанная бакелитом или эпоксидной смолой), текстогетинакс (комбинированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и наружными – с обеих сторон – слоями хлопчатобумажной ткани).

1.6.7. Эластомеры

Эластомеры – материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ.

Натуральный каучук получается из особых растений – каучуконосов. По химическому составу каучук представляет собой полимерный углеводород, имеющий состав (С5Н8)n и строение, характеризуемое наличием двойных связей:

химическое строение каучука

Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пониженных температур, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не употребляют. Для устранения этих недостатков каучук подвергают так называемой вулканизации, т.е. нагреву после введения в него серы. При вулканизации происходит частичный разрыв двойных связей цепочечных молекул и сшивание цепочек через атомы –S – с образованием пространственной структуры. При этом получаются резины – мягкая – с содержанием 1-3% серы, обладающая весьма высокой растяжимостью и упругостью и твердая (эбонит) при содержании серы 30-35% - твердый материал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам.

1.6.8. Стекла

Стекла – неорганические аморфные вещества – представляют собой сложные системы различных окислов. Кроме стеклообразующих окислов, т.е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO2, B2O3) в состав стекол входят и другие окислы: щелочные Na2O, K2O, щелочно-земельные CaO, BaO, а также PbO, Al2O3 и др. Основу большинства стекол составляет диоксид кремния; такие стекла называют силикатными.

Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и тепловой обработки.

При кристаллизации стекол специального состава получаются ситаллы. Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой, почему иногда называются стеклокерамикой. В отличие от стекол ситаллы непрозрачны, но многие из них в тонком слое заметно пропускают свет. Кроме хороших электроизоляционных свойств ситаллы обладают высокой механической прочностью, пониженной хрупкостью, широким диапазоном температурного коэффициента линейного расширения, высокой точностью размеров изделий.

Особую область применения имеют фотоситаллы: после воздействия на заготовки из светочувствительного стекла (возможно – по определенному рисунку, сквозь отверстия в трафарете) ультрафиолетового облучения и кристаллизации засвеченной заготовки последняя может подвергаться травлению в кислоте, причем менее кислотостойкая закристаллизовавшаяся часть изделия растворяется; таким образом получается изделие сложной формы, которое вновь подвергается всестороннему облучению и дополнительно кристаллизуется уже при более высокой температуре.

1.6.9. Керамические диэлектрические материалы

Керамикой называют неорганические материалы, из которых могут быть изготовлены изделия той или иной формы, подвергаемые в дальнейшем обжигу при высокой температуре; в результате обжига в керамической массе происходят сложные физико-химические процессы, благодаря которым готовое изделие приобретает нужные свойства. Ранее керамические материалы изготовлялись на основе глины, образующей в смеси с водой пластичную, способную формоваться массу и после обжига приобретать значительную механическую прочность. Сейчас появились и другие виды керамических материалов, в состав которых глина входит в очень малом количестве или же совсем не входит. Металлизация керамики (обычно нанесением серебра методом вжигания) обеспечивает возможность осуществления спайки с металлом, что имеет особое значение для создания герметизированных конструкций.

Химия радиоматериалов


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.