Электротехнические материалы Теория конструктивных материалов

По агрегатному состоянию диэлектрики бывают газообразными, жидкими и твердыми. Самой большой является группа твердых диэлектриков. Электрические свойства электроизоляционных материалов оценивают с помощью величин, называемых электрическими характеристиками.

Ионные соединения

Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны, кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации.

Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций - электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризацию.

Только быстрые виды поляризаций (электронная и ионная) наблюдаются в кристаллических веществах с плотной упаковкой ионов. К таким веществам относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд, двуоки титана (рутил) и др. Ко второй группе относятся кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке - неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.

Электронная поляризация

Электронная поляризация - смещение электронного облака относительно центра ядра атома или иона в результате чего возникает электрический момент, исчезающий после окончания действия электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектриках. Единственным видом поляризации она является в неполярных диэлектриках. Время протекания поляризации 10-14 - 10-15с. Так как после снятия поля деформированные электронные оболочки возвращаются прежнее положение, то энергия, затраченная на поляризацию, возвращается источнику электрической энергии, поэтому эта поляризация происходит без потерь энергии. Электронная поляризация вместе ионной составляют группу "упругих" или быстрых видов поляризаций.

Электрический момент P, приходящийся на одну частицу (атом или ион) для не слишком больших полей пропорционален напряженности поля

P = . E ; (10)

Коэффициент называется электронной поляризуемостью.

Для многих диэлектриков, таких как газы, неполярные жидкости можно легко установить взаимосвязь между макроскопическим параметром диэлектрической проницаемостью [Epsilon] и микроскопическим параметром - поляризуемостью , используя (9):

P =nE=(-1)E, откуда

=1+ n/. (11)

частиц от температуры не зависит, но диэлектрическая проницаемость, как видно из последней формулы, зависит от числа частиц в единице объема n, которое уменьшается с повышением температуры изза теплового расширения диэлектрика.

 

[Неполярные соединения]

В температурной зависимости диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков резкое уменьшение [Epsilon] с температурой наблюдается при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное состояние, как показано на рисунке.

Состояния: 1 - твердое, 2 - жидкое, 3 - газообразное

Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков близка к квадрату лучепреломления диэлектрика (следствие уравнения Максвела).

[POL13B]

Так как время установления поляризации у таких диэлектриков очень мало по сравнению с полупериодом приложенного напряжения, их диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот, порядка 1014 - 1016 Гц. При таких частотах будет наблюдаться резонансная поляризация.

 

[POL14A]

На рисунке представлена зависимость [Epsilon] от частоты (частота в Гц) для неполярных диэлектриков.

Большие отличия [Epsilon] от [Nu] свидетельствуют о том, что кроме электронной, в веществе возникают и другие виды поляризаций.

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления — величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры. С повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается, следовательно, их температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак.