Диэлектрики материалы: Электроизоляционные материалы (диэлектрики) — Пластмассы

Содержание

Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 4 / Хабр

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части начинаем разбирать диэлектрики, часть полностью посвящена неорганическим диэлектрикам: фарфору, стеклу, слюде, керамике, асбесту, элегазу и воде.

Добро пожаловать под кат (ТРАФИК)

Помимо проводников для производства электронной техники нужны диэлектрики. В зависимости от условий и задач, могут быть важны разные свойства диэлектрика: теплостойкость, тангенс угла потерь, гигроскопичность, механическая прочность и т. д.

Раздел руководства с полимерами еще более поверхностный. Дело в том, что свойства полимерного материала зависят от условий синтеза, введенных добавок, термообработки, последующей обработки. Таким образом, два образца полистирола могут весьма значительно отличаться по свойствам. Производители пластиков идут на различные ухищрения и манипуляции с составом, внося важные и не очень изменения. Это как с книгами, разные издания одного и того же произведения, где то на газетной бумаге с плохой версткой, а где то на качественной бумаге с цветными иллюстрациями от модного художника. И та и другая книга — «Властелин колец», но впечатления от использования могут отличаться. Поэтому приведены некоторые общие свойства разных видов полимеров, за более точными характеристиками нужно обращаться к справочнику.

Материалы, которые применяются в электронной технике меняются по мере прогресса. Так, ранее широко использовалось, к примеру, дерево, шелк, эбонит. Сегодня же многие материалы вытеснены более дешевыми, технологичными заменителями. В пособии есть описание в том числе исторических материалов, данных для общего развития. Также добавлена информация, необходимая для полноты раскрытия темы.

Неорганические диэлектрики


Фарфор


Фарфор

— плотная прочная керамика, получаемая обжигом смеси каолина, кварца, полевого шпата и глины. Аналогичен фарфоровой чашке у вас на кухне, только реже покрывается глазурью.

Примеры применения

Высокотемпературные изоляторы.

В виде фарфоровых бус для изоляции концов нагревательных спиралей. Чешуеподобная конструкция позволяет изгибаться не обнажая проводник.


Корпус ртутной дуговой лампы от светолучевого осциллографа. Рама из алюминиевого сплава, чёрный корпус — карболит, фарфоровые бусы изолируют проводники, которыми подключается лампа. Лампа очень сильно нагревается во время работы. Кучка фарфоровых бус от различных нагревателей.


Свечи зажигания от двигателя внутреннего сгорания. Центральный электрод изолирован фарфором. Ни один другой диэлектрик не способен выдержать длительное воздействие температуры, давления, горючего внутри камеры сгорания.

Детали электроизделий. Если заглянуть внутрь патрона для лампы, то часть, которая содержит ламели подключения скорее всего сделана из фарфора, он может длительное время работать при повышенной температуре лампы накаливания без потери свойств. Корпуса предохранителей, розеток, держатели контактов ламп — везде, где есть опасность нагрева, фарфор вне конкуренции.


Держатели ламелей розетки, патрона изготовлены из фарфора. Чёрный корпус патронов — карболит.


Мощные резисторы имеют основу из фарфоровой трубки. У зеленого резистора обмотка скрыта под эмалью.

Изоляторы на столбах. На фото изолятор со столба, ликвидированного в ходе реконструкции линии. 30 лет солнца, ветра, птичьего помета, дождей, морозов нисколько не повлияли на фарфор, он по прежнему выглядит как новенький, достаточно было помыть изолятор с мылом.


Фарфоровые изоляторы линий электропередач. Между фарфоровым изолятором и стальным крюком втулка из полиэтилена, для защиты фарфора от трещин. Дисковая форма изоляторов позволяет воде стекать не образуя сплошного слоя, замыкающего проводник на опору.

Недостатки

Хрупкий, как и все керамики. Перетянутый винт, удар — и фарфор осыпается.

Стекло

В зависимости от требований могут использоваться разные сорта стекол, от легкоплавких натриевых до тугоплавких кварцевых. Основной плюс стекла, помимо его термостойкости — прозрачность для видимого света (а кварцевое прозрачно еще и для ультрафиолета). Также немаловажный плюс — возможность визуально оценить целостность, трещины обычно видны.

Примеры применения

Корпуса радиоламп, осветительных ламп, предохранителей. Кварцевые трубки — корпуса нагревателей, электрогрилей.


Стеклянный и фарфоровый изолятор линий электропередач проработавший на улице более 30 лет.

Недостатки.

Хрупкое, не выносит ударов. Некоторые сорта стекла растрескиваются при резком неравномерном нагреве.

Типичный признак (но не обязательный!) кварцевого стекла — большое количество свилей в направлении экструзии стекла.

Интересные факты о стекле

Здесь стоит дополнительно сказать про сапфировое стекло, закаленное стекло и химически закаленное стекло. В рекламных описаниях множества электронных устройств для массового потребления можно встретить упоминания этих видов стекол.

  • Сапфировое стекло формально стеклом не является (оно не аморфное, как стекла, а кристаллическое), но, в силу внешнего сходства, так именуется. Сапфировое стекло — это тонкие пластинки лейкосапфира (чистый Al2O3 — оксид алюминия). Лейкосапфир тверже обычных стекол, поэтому используется для защиты оптики от пыли, абразивного истирания песчинками в военной технике, и в дорогих устройствах бытового назначения. Стекло наручных часов из сапфира дольше останется нецарапанным. При этом, получение сапфировых стекол большого размера по вменяемой цене затруднительно, поэтому планшеты с сапфировым стеклом мы увидим нескоро.
  • Закаленное стекло. Стекло хорошо сопротивляется сжатию и плохо — растяжению. Повысить механическую прочность стекла можно его закалкой — стекло разогревают до высоких температур и резко и равномерно охлаждают. В результате в стекле образуются механические напряжения, которые увеличивают механическую прочность. Чаще всего закалку стекла делают для безопасности. Обычное стекло, если в него кинуть камнем, разбивается на несколько довольно крупных осколков, которые могут нанести серьезную травму. Закаленное стекло при разрушении дает много мелких осколков, которые значительно безопаснее. Поэтому все стекла в автомобиле, в торговых центрах, стеклянные полки мебели — закалены. Изделие из закаленного стекла обработке не подлежит, если попытаетесь стеклянную полочку для ванной подрезать, она с хлопком рассыпется в крошку, поэтому закалка производится после обработки. Демонстрацией свойств закаленного стекла являются батавские слезки.
  • Химически закаленное стекло. Например, часто упоминаемое Gorilla glass. Для тонких пластинок стекла термический способ закалки не подходит, поэтому пластинки стекла обрабатывают в растворе, который, к примеру, замещает ион натрия на ион калия. Так как ион калия крупнее, то поверхностные слои стекла как бы «распирает» более крупными атомами в решетке, создавая как раз требуемые механические напряжения. Как итог — такое стекло прочнее, лучше сопротивляется царапинам.

Слюда


Слюда.

Природный слоистый материал, обладает термостойкостью, прочностью, прекрасный диэлектрик. Слюды — большой класс слоистых минералов, из них в технике используется в основном мусковит и иногда биотит и флогопит.

По английски слюда — Mica, отсюда производные названия материалов на базе слюд — миканиты, микалента, микафолий, микалекс и т.д.

Слюда, добытая в руднике, разбирается, сортируется. Крупные куски вручную расщепляются на пластинки — так получается щипаная слюда — прозрачные однородные пластинки. Такая слюда обладает самым высоким качеством и идет на ответственные применения — в вакуумной технике, окна ввода/вывода излучения и т.д. К сожалению, крупные однородные куски слюды без дефектов — редкость, поэтому пластинки из слюды разной формы склеивают воедино, так получается миканит. Если в качестве подложки для наклеивания пластинок слюды использовать ткань (стеклоткань, бумагу) получается микалента, микафолий, стекломиканит. Совсем мелкие отходы слюды размалываются, и в виде водной пульпы отливаются на сетку, также как бумага. После удаления воды частички слюды слипаются в единое полотно — получается слюдяная бумага (слюдинит, слюдопласт).

Получившееся полотно для прочности может пропитываться органическим связующим. Гибкость слюдяной бумаги позволяет наматывать её в качестве изоляции. Также намоткой можно получить стержни, трубки. Если пропитать слюду расплавленным стеклом, то получившийся прочный материал называется микалекс.

Перемолотая в пыль слюда — компонент пигментов, благодаря своей «чешуйчастости» дает перламутровый эффект. В пигментах используется в основном биотит.

Синтетический материал — фторфлогопит (synthetic mica) — это слюда (флогопит) где -OH группы заменены фтором. Фторфлогопит более прочен и термически стоек, выглядит также как слюда, тоже слоистый но абсолютно прозрачный/белый, а не желтоватого оттенка, как природная слюда. Увы, пока с этим материалом живьем не сталкивался.

Примеры применения

Конструктивные элементы для удержания нагревательных элементов в фенах, калориферах, тепловентиляторах, паяльниках и т.д.


Нагреватели бытовых тепловентиляторов. Конструкция слева менее материалоемкая, но значительно менее надежная, особенно в условиях механических нагрузок.

Как защитное окошко выхода микроволнового излучения от магнетрона в микроволновках. (обычно попадая на слюду еда обугливается, и становясь проводником, начинает бурно искрить, от чего владельцы микроволновки со страху микроволновку выбрасывают, хотя достаточно вырезать из листа слюды и заменить окошко.)


Окошко вывода микроволнового излучения из слюды.

Благодаря тому, что тонкие пластинки слюды не пропускают газы, но пропускают энергичные заряженные частицы — слюдяные окошки используются в конструкциях счетчиков альфа и бета частиц.

Используется в конструкциях радиоламп — удерживает электроды на своих местах.


Восьмигранная пластинка изготовлена из слюды.

Используется как материал слюдяных конденсаторов. Слюда выступает диэлектриком, а электродами — проводящее напыление металла на пластинках слюды. Данный вид конденсаторов встречается всё реже и реже, вытесненный конденсаторами на базе полимерных пленок. Слюдяные конденсаторы могут работать при высокой температуре.


Слюдяные конденсаторы производства СССР полувековой давности.


Пластинки слюды в конденсаторе. Металлизация на пластинках формирует обкладки.

До появления и широкого распространения теплопроводящих изолирующих прокладок из полимерных материалов, вроде Номакон, слюдяные пластинки использовались для электрической изоляции компонентов при сохранении теплового контакта, например, когда необходимо на один радиатор закрепить несколько транзисторов, корпуса которых под разными напряжениями.


Пластинки природной щипаной слюды.

Интересные факты о слюде

Раньше, несколько веков назад, когда не умели делать тонкие оконные стекла, светопрозрачные конструкции делали расщепляя природную слюду. Так как большие куски слюды без дефектов были редкостью, то и окна принимали причудливую форму.


Природная слюда прозрачна. Слюдоматериалы полученные переработкой природной слюды как правило непрозрачны.


Окно со вставками из слюды из экспозиции красноярского краеведческого музея

Слюда — достаточно мягкий материал, слюдяная пластинка (как и большинство материалов на её базе) легко режется ножницами. В силу своей слоистой природы, склеивание слюды — занятие малонадежное, сила сцепления меж слоев невысокая, поэтому при производстве детали из слюды скрепляют механически- заклепки, люверсы, винты и т. д.


Электрические соединения с нагревательным элементом выполнены полыми заклепками.

Алюмооксидные керамики

Очень похожи по внешнему виду на фарфор, только лучше. Содержат практически чистый Al

2

O

3

. Более подробно неплохо описано в

этой

статье.

Твёрдая, прочная керамика, из которой изготавливают:

Корпуса микросхем, обычно ответственного применения.


Корпуса процессоров раньше делали керамическими, но рост тепловыделения и конкуренция по цене вынудили отказаться от этого материала. Именно с керамическим корпусом процессоров был связан анекдот про нового русского и плитку в ванной от Intel.

Корпуса электровакуумных приборов.


Корпус вакуумной колбы магнетрона изготовлен из меди и алюмооксидной керамики. Керамика видна на фото, фиолетовый поясок между колпачком и корпусом.

Алюмооксидная керамика очень твёрдая, обрабатывается как и многие керамики алмазным инструментом. Обломок керамического корпуса микросхемы — отличное орудие для написания посланий на лобовом стекле автомобиля, оставляет четкие ровные царапины не хуже стеклореза.

Данный вид керамики плотный, не впитывает влагу, удерживает вакуум, не трескается при резком перепаде температур и тепловом ударе. При этом сцепление металлических пленок с поверхностью высокое, позволяет делать на керамике дорожки, герметично приваривать металлические детали.

Асбест

Уникальный, непревзойденный материал. Природное волокно, «горный лен». Является огнестойким диэлектриком. Использовалось во множестве применений, начиная от армирующей добавки в полимеры, заканчивая изоляцией нагревательных приборов. Выпускается в виде листов, нити, пряжи. Чаще всего используется именно как теплоизолятор, как диэлектрик только в установках невысокого (до 1 кВ) напряжения.


Кусок асбестокартона и старый грязный асбестовый шнур. Асбест на ощупь очень мягкий и не колется как стеклоткани.

Широко применялся в строительстве. Шифер — это цемент, упрочненный волокнами асбеста, практически вечный материал. Высоко ценилась его дешевизна и огнестойкость. Но есть одно но:

Асбест — канцероген. Причем канцероген 1-го класса (от МАИР), наравне с мышьяком, формальдегидом. Длительное наблюдение показало, что изделия из асбеста пылят волокном, которое при вдыхании может провоцировать заболевание легких — асбестоз. Прежде всего в группе риска работники предприятий по добыче и переработке асбеста. В меньшей степени подвержены опасности те, кто ежедневно эксплуатируют изделия из асбеста. В остальных случаях нет причин для паники, если у вас на даче крыша покрыта шифером, а печь в бане прикрыта асбестокартоном, то вы скорее всего умрете не от асбеста, а от заболеваний сердечно-сосудистой системы (статистика смертности).

Асбест и изделия из асбеста до сих пор широко производятся, поскольку в некоторых задачах заменить асбест без потери свойств попросту нечем (или слишком дорого). Асбест отличный материал при конструировании экспериментальных устройств, содержащих нагреватели или раскаленные части. На куске асбестокартона можно спокойно газовой горелкой греть детали до 1000 °C, при этом он сохранит свою форму. Асбестовая нить удобна для стягивания нихрома в нагревателях.

Байка (из Википедии):

Давно существует легенда о том, как Акинфий Демидов привёз Петру I прекрасную белоснежную скатерть со своего уральского завода. Во время трапезы он демонстративно опрокинул на скатерть тарелку супа, вылил бокал красного вина, а затем скомкал скатерть и бросил её в камин. Затем, достав из огня, показал царю: на ней не осталось ни одного пятнышка. Эта скатерть была сделана из уральского хризотил-асбеста. И в самом деле, демидовские крепостные рабочие достигли совершенства в изготовлении асбестовых тканей.

Из них делали ажурные дамские шляпки, перчатки, кошельки, сумочки и кружева. Они не требовали стирки, их кидали в огонь, и через несколько минут после охлаждения их можно было снова носить. При своей эластичности асбестовая ткань прочнее стальной проволоки на разрыв.


Вода

Это абсолютно контринтуитивно, но этот пункт включен сюда, чтобы взорвать вам мозг. Вода практически не проводит ток! (UPD: пока готовилась публикация, появилась

статья

про это.) Везде учат, что вода хороший проводник электричества, и обычно это так. Но очень чистая деионизированная вода, которая не содержит ничего кроме H

2

O ток не проводит — её удельное сопротивление 18 МОм⋅см. Та вода, которая проводит ток — недостаточно чистая. Измерение электрической проводимости — довольно простой способ оценки качества и чистоты воды.


Бутылка деионизированной воды из радиомагазина. Печатные платы электронных устройств стоит промывать только дистилированной или деионизированной водой, иначе соли, содержащиеся в воде, могут наделать бед.

Имея сильно полярные и подвижные молекулы, вода не только изолятор, но и имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость — около 81 при комнатной температуре (у большинства обычных диэлектриков она не превышает 20-30). На этом основаны емкостные измерители влажности: небольшое количество воды между обкладками конденсатора резко повышает его емкость.

К сожалению, вода — прекрасный растворитель, а растворенные в ней вещества обычно образуют электролиты. Стоит постоять дистиллированной воде на воздухе, и она растворяет в себе углекислый газ, образуя электролит — слабый раствор угольной кислоты. Вода способна растворять и стенки сосуда, в котором находится. Малейшая примесь солей, особенно хлоридов и сульфидов натрия, калия, кальция, резко повышает проводимость воды. Поэтому на практике в роли диэлектрика вода никуда не годится.

Элегаз

Диэлектрики могут быть газообразными. Сухой воздух — хороший диэлектрик, но в некоторых задачах его электроизоляционные свойства недостаточны. Пример газообразного диэлектрика — гексафторид серы или «элегаз», он тяжелее воздуха и имеет пробивное напряжение в несколько раз выше, чем у воздуха, что позволяет сделать электрическую машину компактнее.

Довольно забавный опыт, когда вдохнув гелия голос человека становится выше с элегазом выглядит иначе — голос становится ниже. Другое видео: Пара гелий — гексафторид серы. Так как элегаз тяжелее воздуха, в нем может плавать легкая лодка.

Ссылки на части руководства:

1

: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.


2

: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.


3

: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.


4

: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.


5

: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.


6

: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.


7

: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.


8

: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.


9

: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.


10

: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.


11

: Изоляционные ленты и трубки.


12

: Финальная

Диэлектрики — изоляционные материалы | Кабели Atlas

Теоретически идеальный кабель представляет собой неизолированный проводник в свободном воздушном пространстве. Однако на практике не все так просто.

Поверхностный эффект

Чтобы понять важность используемого в кабеле изоляционного материала, рассмотрим прохождение переменного тока через проводник. Различные частоты занимают в проводнике различные радиальные позиции. Низкочастотные сигналы занимают центр проводника, высокочастотные сигналы передаются по его поверхностным слоям. Таким образом, высокочастотные сигналы «вынуждены» протекать по области проводника с меньшим поперечным сечением, чем низкочастотные сигналы, а значит, эффективное сопротивление кабеля для них больше, чем для низкочастотных. Поэтому потери в кабелях зависят от частоты сигнала, и наибольшие потери терпят высокочастотные сигналы. Это явление известно как «поверхностный эффект». В кругах аудиофилов ведется ожесточенная дискуссия на эту тему, поскольку многие утверждают, что поверхностный эффект затрагивает только частоты за пределами человеческого слуха. Однако это не совсем верно – сопротивление проводника начинает расти из-за поверхностного эффекта в районе 20 кГц.

Высокие частоты «отвечают» за тембр, пространственность и чистоту.

См. ниже, слева направо.

  • Радиальные позиции частот в проводнике.
  • Область, занимаемая верхними частотами в витом проводнике.
  • Область, занимаемая верхними частотами в цельном проводнике.

Низкие и средние частоты занимают центр проводника. Оптимизация низкочастотных составляющих сигнала особенно важна в акустических кабелях. Обширные тестовые исследования доказывают, что для чистого звучания басов проводник должен иметь поперечное сечение от 3,00 до 4,5 мм2. Кроме того, «большие» кабели должны быть витыми, в них должен использоваться высококачественный диэлектрик, такой как полиэтилен, тефлон или микропористый тефлон. На качество звучания также влияют и другие факторы, не поддающиеся измерению.

Конструкции с применением множественных изолированных жил преодолевают проблемы, связанные с увеличением сопротивления из-за поверхностного эффекта, однако такие низкоиндуктивные кабели имеют более высокую емкость. Кабели с низкой емкостью и низким сопротивлением не будут влиять на устройства, к которым они подключены в той степени, насколько кабели с высокой емкостью; акустические кабели должны иметь низкое сопротивление во избежание потерь сигнала, а межблочные кабели должны обладать низкой емкостью для увеличения скорости распространения сигнала.

Аудиосистемы, которые звучат в акустическом диапазоне ярче других, могут работать на грани нестабильности из-за использования кабелей высокой емкости. Яркость часто ошибочно принимается за улучшенную динамику, но «улучшения» динамического диапазона не должны достигаться за счет низкочастотной информации, поскольку это может вызвать нестабильность усилителя. Нежелательная яркость также свойственна посеребренным кабелям, которые через некоторое время утомляют слушателей. Atlas никогда не использует для аудиоприложений посеребренные кабели или кабели из различных металлов с разным сопротивлением и разными характеристиками.

Три вышеприведенных рисунка иллюстрируют, слева направо, радиальные области, занимаемые сигналом в проводнике в зависимости от частоты. Низкие частоты занимают центр проводника. Отсюда следует, что «толстый» проводник обладает меньшим сопротивлением в низкочастотном диапазоне и обеспечивает больше басов. Вот почему Atlas выпускает кабели разного сечения – например, акустические кабели Hyper выпускаются сечением 1,5, 2,0 и 3,0 мм2. В тех случаях, когда необходимы мощные басы, требуется применение кабеля большого сечения. Кроме того, при большой длине акустических кабелей лучше использовать более «толстые» кабели.

На втором рисунке показана область, занимаемая верхними частотами в витом проводнике.

На третьем рисунке показана область, занимаемая верхними частотами в цельном проводнике. Она больше, чем в витом проводнике, поэтому высокочастотный сигнал в цельном проводнике встречает меньшее сопротивление, в связи с чем в этом случае обеспечивается лучшая передача верхних частот. Во всех акустических кабелях bi-wire, производимых Atlas, используются витые проводники для передачи басов и цельные проводники – для передачи верхних частот. Напрашивается вопрос: почему не использовать цельный проводник и для тех, и других частот? Если взять, к примеру, цельный проводник сечением 3,00 мм2, при изгибе он будет не сгибаться, а ломаться, так что это непрактично. Это еще одна из причин использования витых проводников. Приблизительное оптимальное сечение цельного проводника – 1,5 мм2. Акустические кабели bi-wire, производимые Atlas, на стороне, подключаемой к колонкам, имеют четыре вывода неравной длины. Два более длинных вывода подключаются к верхнечастотным разъемам колонок (конечно, при условии, что они поддерживают режим bi-wire!), а два коротких – к низкочастотным разъемам.

Высокочастотные сигналы занимают периферийные слои проводника (см. выше). Низкокачественные диэлектрики уменьшают скорость распространения этих сигналов, что в результате приводит к звучанию, смещенному в сторону нижних и средних диапазонов акустического спектра. Плохое звучание часто связано с применением кабелей с низкокачественной изоляцией.

Изоляция из поливинилхлорида (PVC) дешева в производстве и наиболее часто используется в аудио и видео кабелях. Поливинилхлорид – низкокачественный диэлектрик, один из худших для аудио и видео сигналов, часто вызывающий большие потери из-за существенного снижения скорости распространения сигнала. Поливинилхлорид гораздо лучше подходит для силовых кабелей, а в аудио и видео кабелях его применения следует избегать.

Другие распространенные диэлектрики – полиэтилен, полипропилен и политетрафторэтилен (ПТФЭ), более известный под названием «тефлон». Недавно компания Atlas создала новый уникальный диэлектрик – микропористый тефлон.

Тефлон имеет высокую температуру плавления (327°C), которая идеально подходит для нанесения тефлонового покрытия на непригарные сковороды, но вызывает трудности при покрытии обработанной меди – при высоких температурах медь OFC и OCC возвращаются к гранулярному состоянию, теряя свою монокристаллическую структуру и превращаясь в технически чистую медь. Последние несколько лет компания Atlas совместно со своими поставщиками исследовала способы нанесения тефлоновых покрытий на обработанную медь, не дающие вышеописанных негативных эффектов. Благодаря этим развернутым исследованиям теперь стало возможным наносить на обработанную медь покрытие из одного из типов тефлона под названием «фторированный этилен-пропилен» (ФЭП), температура плавления которого – 275°. При нанесении покрытия медь одновременно охлаждается.

ФЭП существенно снижает диэлектрические потери в кабелях, сохраняя при этом все преимущества низкозернистых медных проводников. Этот вид тефлона используется во всех продуктах серии Atlas Ascent, в акустических кабелях Hyper и других.

Дальнейшие исследования привели к использованию в качестве диэлектрика микропористого тефлона (ПТФЭ). Первые продукты Atlas, в которых применяется этот изоляционный материал – межблочные и акустические кабели Mavros и Asimi.

Микропористый тефлон – это уникальный материал с низким удельным весом и существенно лучшими характеристиками по сравнению с обычным тефлоном. Микропористый тефлон содержит значительно большее количество воздуха, чем цельный тефлон. Воздух содержится в микроскопических (менее половины микрона диаметром) пузырьках внутри материала. Благодаря этому достигается чрезвычайно низкая диэлектрическая проницаемость – от 1,3 до 1,5 (следующий по качеству диэлектрик, тефлон, имеет диэлектрическую проницаемость от 2,1 до 2,3). Скорость распространения сигнала в кабелях с изоляцией из микропористого тефлона на 70-80% выше, чем в обычных кабелях, и примерно на 30% выше, чем в кабелях с изоляцией из обычного тефлона.

Микропористый тефлон (ПТФЭ) отличается повышенной фазовой стабильностью при температурных колебаниях. Фазовая стабильность кабеля зависит от коэффициента теплового расширения диэлектрика и проводников. Поскольку микропористый тефлон имеет более низкий коэффициент теплового расширения по сравнению с обычным тефлоном, его использование улучшает фазовую стабильность при колебаниях температуры.

При одинаковом внешнем диаметре кабели с изоляцией из микропористого тефлона обеспечивают меньшие потери сигнала, чем кабели с изоляцией из обычного тефлона. Во-первых, это связано с тем, что низкий коэффициент затухания самого диэлектрика уменьшает ослабление сигнала, особенно на высоких частотах. Во-вторых, с тем, что низкая диэлектрическая проницаемость микропористого тефлона позволяет использовать проводники большего диаметра. Так, в кабелях Mavros улучшение передачи низкочастотной информации (то есть звучание басов) достигается путем применения проводников увеличенного диаметра в изоляции из микропористого тефлона.

Термическое расширение цельного тефлона оказывает неблагоприятные механические воздействия на кабель, поскольку с расширением тефлона при нагревании может уменьшиться воздушный зазор между изоляцией кабеля и контактом разъема, что изменяет характеристики импеданса разъема. При применении микропористого тефлона, минимально расширяющегося при нагревании, эти эффекты практически несущественны.

Вышеописанные различия между микропористым и обычным тефлоном могут показаться незначительными, однако кумулятивный эффект этих маленьких различий приводит к ухудшению передачи аудиосигналов и не позволяет полностью раскрыть все нюансы музыкальных записей.

В нижеприведенной таблице приведены свойства ряда диэлектриков. Поливинилхлорид (PVC), хотя и не используется в кабелях Atlas, приведен для сравнения.

В нижеприведенной таблице приведены свойства ряда диэлектриков. Поливинилхлорид (PVC), хотя и не используется в кабелях Atlas, приведен для сравнения

Сравнение диэлектриков (диаметр 0,3 мм)
  Диэлектрик
Характеристики Поливинилхлорид Пористый полиэтилен Полипропилен Тефлон (ФЭП) Микропористый тефлон (PTFE)
Диэлектрическая проницаемость
(50-106 Гц)
4-8 2.3 2.25 2.1 1.3
Диэлектрическая прочность
(кВ мм-1)
23-30 30-50 30-50 20-25 н/д
Тангенс угла потерь
(в % при 50-106 Гц)
8-15 0. 02-0.05 0.02 — 0.06
(@ 106 Hz)
0.02-0.07 н/д
Объемное удельное сопротивление
(Ом/см cm при 20°C)
1012-15 > 1017 6.5 x 1014 > 1016 н/д
Прочность на разрыв
(кг/мм2)
1.0-2.5 1.0-2.0 3.0-4.0 1.9-2.2 1.0
Температура плавления
(°C)
-130 112-120 155-160 275 275
Максимальная постоянная рабочая температура
(°C)
60 75 90 200 260
Минимальная рабочая температура
(°C)
от -15 до -40 <-60 от -5 до -45 <-60 -250

Информация об электроизоляционных материалах

Электроизоляционные материалы представляют собой особый класс электротехнических материалов, которые активно используются в радиотехнике, электронике, машино- и приборостроении для обеспечения электрической изоляции между токоведущими частями. Их основной задачей становится создание препятствия для прохождения электрического тока по путям, которые не предусмотрены электрической схемой.

Также электроизоляционные материалы служат для повышения ёмкости конденсаторов, они способны отводить тепло при использовании в электрических машинах. Одним из их ключевых отличий является существенно больший показатель удельного объёмного электрического сопротивления, из-за которого они получили название диэлектрических. Для сравнения: у проводниковых материалов оно составляет 10-6÷10-4Ом·см, а у электроизоляционных – 109÷1020Ом·см.

Основные характеристики электроизоляционных материалов

  1. Удельное объёмное сопротивление.
  2. Поверхностное сопротивление.
  3. Относительная диэлектрическая проницаемость.
  4. Угол диэлектрических потерь.
  5. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.
  6. Электрическая прочность (уровень напряжённости электрического поля, при котором происходит его пробой – материал не способен предотвратить прохождение через него тока).

При оценке перечисленных выше параметров обязательно принимаются во внимание рабочее напряжение в электроустановке и частота.

Классификация электроизоляционных материалов

  • По агрегатному состоянию.

o Газообразные. В данном случае в зависимости от требуемых характеристик и особенностей конструкции могут использоваться как просто воздушные промежутки (часто имеют место в электрических аппаратах и машинах), так и фреон-21, гексафторид серы (элегаз). В первом случае электрическая прочность диэлектрика составит 3 МВ/м, во втором и третьем – 7,5 МВ/м.

o Жидкие. К этой категории относятся электроизоляционные масла (синтетического, растительного происхождения, нефтепродукты). В зависимости от типа и состава они отличаются между собой по электрическим характеристикам, уровню вязкости. Характерными показателями при измерении при 50 Гц и +20⁰С обладают трансформаторные масла – 15 ÷ 20МВ/м. При этом стандартно прочность составляет 12 ÷ 25 МВ/м. Лучшие параметры имеют конденсаторные и кабельные масла.

o Твёрдые. Материалы этой подгруппы встречаются особенно часто, они схожи между собой по своим физико-химическим свойствам, особенностям производства, структуре. Их электрическая прочность может варьироваться от 1 (диэлектрики на основе смол) до 120 МВ/м (к примеру, полиэтилентерефталат) при проведении измерений при частоте 50 Гц при +20⁰С. К этой категории можно отнести:

  • ткани,
  • бумагу,
  • слоистые пластики,
  • слюду,
  • лакоткани,
  • заливочные материалы и лаки в затвердевшем состоянии,
  • электрокерамику.
  • По химическому составу. Принято разделять все используемые электроизоляционные материалы на неорганические и органические. Кроме того, широко используются как природные, так и синтетические диэлектрики. Второй вариант в современном машиностроении и электротехнике используется значительно чаще из-за того, что при производстве появляется возможность получения материала, точно соответствующего по своим техническим параметрам и физическим характеристикам заданным требованиям. Часто новые материалы создаются в соответствии с заданным набором параметров.
  • По электрическим свойствам. Молекулы электроизоляционного материала могут быть нейтральными (бензол, водород, полистирол, углерод, парафин) или полярными (совол, поливинилхлорид, бакелиты, галовакс, кремнийорганические диэлектрики). Представители второй категории выделяются более высокими показателями диэлектрической проницаемости, гигроскопичности, электрической проводимости.

Виды диэлектриков и их характеристики

Для электроизоляции всегда важна повышенная стойкость к нагреву. Только в этом случае можно говорить о длительном сроке службы с сохранением всех физических параметров. В зависимости от используемого материала этот показатель может варьироваться от +90 до +250⁰С. Поэтому принято деление на 7 классов. Самыми стойкими к интенсивному нагреву являются неорганические диэлектрики (это могут быть фарфор, слюда, стекло, при изготовлении которого использовались только элементоорганические связующие или в ходе производственного процесса связующие вообще не применялись). Не менее важно для таких материалов, как фарфор или стекло, иметь достаточный показатель стойкости к перепадам температур в ходе эксплуатации.

Большое внимание при выборе типа электроизоляции уделяется её механическим свойствам:

  • обрабатываемость;
  • твёрдость;
  • стойкость к динамическим и статическим изгибам;
  • прочность при сжатии, растяжении;
  • влагопроницаемость;
  • искростойкость;
  • гигроскопичность.

Одним из основных параметров является теплостойкость – максимальная температура, при которой электроизоляционный материал сможет полностью сохранить свои эксплуатационные и механические свойства.

Для нормальной работы электрических машин и аппаратов предельно важно предотвратить перегрев и обеспечить достаточно эффективное охлаждение сердечников, обмоток и других узлов конструкции. Для того чтобы диэлектрик не мешал охлаждению проводников при их электрическом разделении, необходимо учитывать его способность отводить тепло. В связи с этим большинством производителей при изготовлении электроизоляционных материалов в их состав дополнительно вводятся минеральные наполнители и другие добавки для повышения коэффициента теплопроводности.

В работе с электрооборудованием необходимо обеспечивать дополнительную защиту проводников от воздействия влаги. Для повышения влагонепроницаемости изделий пористые материалы обязательно покрываются компаундом, пропитываются маслами, специальными жидкостями синтетического происхождения. В подобной защите не нуждаются только стекло и фарфор, покрытый глазурью.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Поляризация диэлектриков — Энциклопедия по машиностроению XXL

Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле лишь несколько смещаются относительно положения равновесия. Происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т. е. поляризация. Для диэлектриков характерно высокое сопротивление прохождению постоянного электрического тока. Мерой поляризуемости диэлектрика является относительная диэлектрическая проницаемость, равная отношению емкости конденсатора с диэлектриком к емкости такого же конденсатора с вакуумом. Важнейшей характеристикой диэлектрических материалов является электрическая прочность. При превышении в объеме диэлектрика некоторой критической величины напряженности электрического поля происходит пробой. (Под напряженностью электрического поля понимают отношение приложенного к диэлектрику напряжения к расстоянию между подводящими напряжение электродами). Значение напряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, а достигнутую к этому моменту напряженность — электрической прочностью.  [c.127]
Диэлектрической проницаемостью е (или диэлектрической постоянной) изоляционного материала называется число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора, если, не изменяя формы и размеров конденсатора, заполнить пространство между электродами испытуемым веществом е = Сх/Св (где С, — емкость испытуемого образца, Св — емкость вакуумного конденсатора). Диэлектрик тем лучше, чем меньше емкость конденсатора с данным материалом, чем меньше его диэлектрическая проницаемость. Значения диэлектрической проницаемости определяют, измеряя емкость с измерительного конденсатора, между обкладками которого помещается испытуемый образец. Диэлектрическая проницаемость представляет собой комплексную величину, слагаемыми которой являются компонента е, обусловленная деформационной и ориентационной поляризацией диэлектрика, и мнимая характеристика г», связанная с кинетикой процесса установления ориентационной дипольной поляризации 8 = е — /8″.  [c.122]

Как уже отмечалось, диэлектрические материалы обладают высокими удельными сопротивлениями р и в них возможно наличие электростатических полей. Весьма важно для диэлектриков явление поляризации, с рассмотрения которого (см. гл. 15) и начинается третья часть книги. Большое значение для радиоэлектроники имеют также электропроводность диэлектриков (гл. 16) и диэлектрические потери (см. гл. 17). При воздействии на диэлектрик высокого напряжения может произойти пробой. Вопросы пробоя (см. гл. 18) очень важны для изучения надежности как диэлектриков, так и всей радиоэлектронной аппаратуры в целом. Помимо электрических свойств диэлектрических материалов в ряде случаев определяющее значение имеют и общие физико-химические свойства (см. гл. 19) — механическая прочность, нагревостойкость, влагостойкость, химостойкость и т. п. Важнейшие современные электроизоляционные материалы рассмотрены в гл. 20 активные диэлектрики — в четвертой части книги.  [c.108]

Мы рассмотрим теперь различные виды дипольных моментов, возникающих в диэлектрике под влиянием приложенного извне поля. Их существо и определяет вид поляризации, что позволяет разбить диэлектрические материалы на несколько классов с характерным поведением оптических параметров внутри каждого из них.  [c.197]

Ионно-релаксационная поляризация. Используемые в технике твердые диэлектрики могут иметь неплотную упаковку объема частицами. В таких материалах образуются ионы, которые в ходе тепловых колебаний перебрасываются из положений временного закрепления на расстояния, соизмеримые с расстояниями между частицами (10 м), и закрепляются в новых положениях. В электрическом поле перебросы становятся направленными. В результате в диэлектрике возникает различие в расположении центров положительного и отрицательного зарядов, т. е. появляется электрический момент. Такой процесс называют ионно-релаксационной поляризацией. С ростом температуры число ионов, перебрасываемых в новые положения, увеличивается, поэтому растут поляризованность и диэлектрическая проницаемость. На рис. 5.16 приведена зависимость е, от температуры для натриево-силикатного стекла, в структуре которого имеют место слабосвязанные ионы.  [c.156]


Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости в керамических материалах с ионной структурой в большинстве случаев имеет положительное значение. Это связано с тем, что с повышением температуры понижается плотность вещества и возрастает поляризуемость ионов. Однако имеется группа материалов, обладающих отрицательным пли переменным ТК е. Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты тока и с ее увеличением заметно снижается. Диэлектрические потери в керамических диэлектриках находятся Б зависимости от структуры и фазового состава материала. В большинстве керамических материалов диэлектрические потери определяются поляризацией и сквозной электропроводностью. Если керамический диэлектрик образован кристаллической фазой с плотной и устойчивой упаковкой ионов (корунд), то диэлектрические потери в нем при отсутствии примесей, искажающих решетку, будут незначительны. Напротив, если в керамическом диэлектрике большое содержание стекловидной фазы, являющейся типичным веществом ионной структуры, то диэлектрические потери в таком материале вследствие большой поляризуемости щелочных ионов и большой электропроводности будут велики. Керамические диэлектрики, кристаллическую фазу которых составляют вещества, обладающие структурой с неплотной упаковкой ионов (муллит, циркон, кордиерит), характеризуются повышенными диэлектрическими потерями, вызываемыми так называемой релаксационной поляризацией. Диэлектрические потери для подавляющего большинства керамических диэлектриков с повышением температуры возрастают. Величина диэлектрических потерь связана также с частотой.  [c.290]

Отличительной особенностью пьезокерамических материалов является очень большое значение диэлектрической проницаемости, обусловленное особенностями поляризации нелинейная зависимость заряда на поверхности материала от величины приложенного напряжения (у обычных керамических диэлектриков такой зависимости не наблюдается) зависимость поляризации от температуры и проявление пьезоэлектрических свойств только до определенного значения температуры. Температуру, при которой пьезоэлектрические свойства исчезают, называют точкой Кюри.  [c.300]

Ориентация диполей в электрическом поле происходит во времени, поэтому поляризация отстает от напряженности электрического поля. Это оказывает влияние на угол сдвига фаз между напряжением и током и соответственно на угол (б) в векторной диаграмме или его тангенс (численно равный отношению активной и реактивной составляющей тока). Так как активная составляющая характеризует тепловые потери, то тангенс угла диэлектрических потерь 1дб принят в качестве показателя диэлектрика. Чем tgб больше, тем при прочих равных условиях больше диэлектрические потери. Для работы при высоких частотах должны применяться материалы с малыми диэлектрическими потерями.  [c.10]

В технических изолирующих материалах, помимо потерь от сквозной электропроводности и потерь от замедленной поляризации самого диэлектрика, возникают дополнительные диэлектрические потери, которые сильно влияют на электрические свойства диэлектриков. Эти потери вызываются наличием посторонних полупроводящих примесей (влаги, окислов железа, углерода и др.) и значительны даже при малом содержании таких примесей в электроизоляционном материале.  [c.74]

На незаряженные частицы однородное электрическое поле никакого действия не оказывает. В резко неоднородном поле частицы, имеющие разную диэлектрическую проницаемость, получают заряды различной величины и знака. Известно, что одноименно наэлектризованные тела взаимно отталкиваются, а разноименно наэлектризованные тела взаимно притягиваются. Проводящие материалы характеризуются возможностью свободного перемещения электронов по объему тела. В диэлектриках очень мало свободных электронов. Поэтому при поляризации на поверхности диэлектрика образуются заряды разных знаков. На стороне, обращенной к положительному электроду, возникает отрицательный заряд, а на стороне, обращенной к отрицательному электроду, — положительный.  [c.409]

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла.  [c.3]


Чистота имеет огромное влияние на качество технических диэлектриков — электроизоляционных материалов, особенно в тех случаях, когда основной состав сам отличается особенно малой проводимостью. Среди синтетических диэлектриков, как правило, наименьшей проводимостью и наименьшими диэлектрическими потерями обладают те материалы, технологический процесс получения которых обеспечивает высокую степень их чистоты (исключение представляют полярные диэлектрики, которые при предельно возможной чистоте имеют сравнительно высокие потери за счет дипольной поляризации).  [c.64]

В некоторых диэлектриках происходит самопроизвольная ориентация диполей спонтанная поляризация), наблюдаемая внутри отдельных областей (доменов) в отсутствие электрического поля. Спонтанная поляризация имеет место у материалов, называемых сегнетоэлектриками. В отсутствие электрического поля электрические моменты доменов направлены беспорядочно и компенсируют друг друга. При наложении внешнего поля моменты ориентируются по полю, приводя к аномально большим значениям диэлектрической проницаемости.  [c.255]

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества. Диэлектрические потерн могут обусловливаться сквозным током или, как указывалось при рассмотрении явления поляризации, активными составляющими токов смещения. При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно характеризовать это явление поляризации кривыми, представляющими зависимость электрического заряда на электродах конденсатора с даниы.м диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения (рис. 3-1). При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения (рис, 3-1, а) и такой диэлектрик называется линейным. Если в линейном диэлектрике наблюдается замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напрял[c.44]

Все существующие феноменологические модели связи электрического сигнала на электродах короткозамкнутого конденсатора с диэлектрическим слоем при прохождении волны нагрузки с параметрами нагрузки предполагают поляризацию диэлектрика на фронте волны с изменением диэлектрической проницаемости и проводимости (или без изменения последней) I связанную с поляризацией неравновеспость состояния вещества за фронтом волны. За фронтом идет процесс распада поляризации по одному или нескольким механизмам с соответствующими временами релаксации [109, 157, 311, 374]. Для большинства исследованных материалов в диапазоне давления до ЫО кгс/см2 величина ударной поляризации в 10 —10 раз лченьше предельной величины поляризации, соответствующей развороту всех диполей полярного диэлектрика в одном направлении. В связи с этим следует ожидать, что при наложении сильного электрического поля поляризация диэлектрика значительно более высокая, чем при прохождении ударной волны. Вместе с тем вклад ударной поляризации в поляризованном электрическим полем диэлектрике резко уменьшается. Эти соображения позволяют принять, что процессы ударной поляризации в диэлектрике при сильном внешнем электрическом поле можно не учитывать при анализе работы диэлектрического датчика давления.  [c.173]

Миграционная (плп междуслойная) поляризация — особый вид поляризации, наблюдающийся в неоднородных диэлектриках в диэлектриках с включениями воды, проводящих частиц и т. д. на поверхности раздела различных диэлектрических материалов и на границе диэлектрика и электрода и т, п. Миграционная поляризация сводится к переносу зарядов и накоплению их на поверхностях раздела материалов, имеющих различные параметры (в и у). Миграционная поляризация, как и дипольная, принадлежит к числу медленных (релаксационных) видов поляризации поэтому, в частности, увеличение емкостп изоляции вследствие увлажнения последней тем больше, чем меньше частота переменного напряжения, приложенного к изоляции.  [c.32]

В неполярных жидкостях, так же как и в газах, диэлектрнчб ские потери малы н определяют ся только электропроводностью если в жидкости нет полярных примесей. В полярных жидких диэлектриках наряду с потеря ми от электропроводности ос новпое место занимают диэлектрические потери, связанные с ди польно-релаксационнон поляризацией, которые в десятки и сотни раз превосходят потери в неполярных материалах.  [c.24]

Кроме того, в твердых диэлектриках наблюдаются электроннорелаксационная, резонансная, структурная и самопроизвольная (спонтанная) поляризации, которые в полимерных материалах, как правило, не проявляются. Таким образом, пз всех рассмотренных видов поляризации стеклопластики на основе полиэфирных, эпоксидных, фенольно-формальдегидных и других смол следует отнести к материалам, которые обладают почти всеми видами поляризации одновременно, так как смолы обладают электронной и диполы-ю-релаксациоиной поляризациями одновременно, а стеклонаполнитель — ионно-релаксационной поляризацией. Основной предпосылкой для определения плотности полимерных материалов служит формула Клаузиуса—Моссоти, связывающая электрические свойства молекул, диэлектрическую проницаемость, поляризуемость и дипольный момент с плотностью и молекулярной массой  [c.98]

Таким образом, в твердых диэлектриках могут быть потери, обусловленные поляризацией, сквозной электропроводностью, неоднородностью структуры и ионизацией. Потери за счет электронной поляризации весьма незначительны. К материалам с такими потерями относят полиэтилен, фторопласт, полистирол, отвержденную полиэфирную смолу. И наоборот, материалы с ди-польно-релаксапионной и ионно-релаксационной поляризацией обладают большими потерями. К таким материалам относят полиуретаны, эбонит, оргстекло, фенолформальдегидные и совмещенные эпоксидные смолы, неорганические стекла. Но чаще всего в твердых неоднородных диэлектриках, какими являются стеклопластики, могут быть все виды потерь одновременно. Величину диэлектрических потерь можно характеризовать удельными по-  [c.100]


В литературе имеются данные о применении для регистрации давления в ударных волнах эффектов, связанных с поляризацией под нагрузкой кварца, рубина и некоторых других материалов. Сигнал, снимаемый с малого сопротивления, которое соединяет электроды, прилегающие с двух сторон к пластине из пьезоэлектрического или диэлектрического материала при прохождении по его толщине ударной волны, соответствует форме последней при ее интенсивности, не вызывающей пластических деформаций [365, 366]. Использование таких датчиков ограничивается их высокой стоимостью. Попытки использовать для измерения давления процесс деполяризации сегнетокерами-ки при прохождении волны нагрузки не дали положительного результата [189, 371]. Исследования с ударным нагружением диэлектрического слоя обнаружили появление сигнала на электродах, прилегающих к поверхности диэлектрика (при соединении электродов малым сопротивлением), обусловленного ударной поляризацией [190, 311, 374], однако сложный характер явлений, связанных с ударной поляризацией и ее распадом, не позволяет просто связать величину сигнала с параметрами нагрузки.  [c.169]

Поляризация представляет собой процесс смещения структурных элементов (электроноб, атомов, ионов и др.) кристаллической решетки со своего нормального положения под влиянием электрического поля. В результате взаимодействия с внешним электрическим полем происходит нарушение и перераспределение электростати- чe киx сил, действующих внутри кристалла, при сохранении его общей нейтральности. Механизм поляризации может быть различен в зависимости от того, какие структурные элементы участвуют в процессе поляризации, В керамических материалах имеются следующие основные виды поляризации электронная, ионная, электронно- и ионно-релаксационная, спонтанная (самопроизвольная). Степень поляризации керамического диэлектрика и его поляризуемость в целом складываются-как сумма поляризаций каждого вида. Диэлектрическая проницаемость керамики отражает ее поляризуемость.  [c.16]

Коэффициент затухания а характеризует уменьшение электромагнитной энергии при распространении её по кабелю. Уменьшение или затухание энергии объясняется потерями её в линии передачи. Различаются два вида потерь потери в металле и потери в изоляции. При прохождении тока по кабелю происходит нагревание внутреннего и внешнего проводников и возникают потери энергии (джоулевы потери). Потери в изоляции обусловлены несовершенством применяемых электроизоляционных материалов и затратами энергии на диэлектрическую поляризацию. Как потери в Meraj ie, так и потери в диэлектрике с ростом частоты увели-  [c.324]

Диэлектрическая проницаемость 8 связана с поляризуемостью элементов кристаллической решетки отдельных фаз, составляющих керамический диэлектрик, а именно электронных оболочек атомов или ионов. В керамических диэлектриках, имеющих в большинстве случаев ионную структуру, наблюдаются электронная и ионная поляризации. Однако в некоторых случаях (магнезиальная, титансодержащая керамика) наблюдаются и другие виды поляризации (спонтанная), чем и объясняется большое различие в значении диэлектрической проницаемости е у различных по своей химической природе и строению керамических материалов. Величина е у кераг мических материалов колеблется в широких пределах — от нескольких единиц до десяти тысяч.  [c.289]

Ряд керамических материалов и стекол также может использоваться как электреты (см. табл. 26.1). Электризацию их осуществляют путем помещения на несколько часов в сильное электрическое поле ( 2 МВ/м) при температуре 150—200″ С. Ток абсорбции и миграционная поляризация создают суммарный гомозаряд. Максимальная плотность заряда получена в керамике титаната кальция. Однако ввиду высокой диэлектрической проницаемости (150) напряженность внешнего поля электретов из aTiOg не выще, чем из полимерных диэлектриков (см. формулу 26.1), а ввиду больших d (ikI мм) их г/d таксе же, как у полимерных пленок.  [c.272]

Кроме электронно поляризации, не связанной с появлением активного тока, в некоторых твердых диэлектриках может быть и другой вид поляризации — ионная, также не вызывающая появления активного тока. Наиболее характерна ионная поляризация ионных кристаллов. Сущность ее заключается в смещении ионов электрическим полем положительных — в сторону отрицательного электрода, отрицательных — в сторону положительного. Эго смещение происходит на незначительные расстояния от полол ения равновесия при отсутствии электрического поля и носит упругий характер, чем и объясняется тот факт, что ионная поляризация создает чисто реактивный ток, добавочный к току электронной поляризации. Следовательно, ионная поляризация, накладывающаяся на электронную, приводит к увеличению емкостного тока в диэлектрике, а значит — к увеличению емкости, к увеличению диэлектрической проницаемости. В ионных кристаллах с рыхлой структурой, с так называемой неплотной упаковкой частиц, когда расстояния между ионами в узлах кристаллической решетки велики по сравнению с радиусами самих ионов, смещение последних мо1кет быть довольно велико. При этом возникают значительные суммарные электрические моменты в единице объема, наблюдается значительное возрастание емкости. Следовательно, такой диэлектрик будет иметь диэлектрическую проницаемость, намного превосходящую ее значение, обусловленное одной электронной поляризацией. Проф. Г. И. Сканави, изучая явление ионной поляризации, обнаружил у минерала перовскита диэлектрическую проницаемость, равную 160. Позднее им же были получены керамические материалы, у которых вследствие интенсивной поляризации ионного смешения диэлектрическая проницаемость имеет еще большие значения. Такие материалы представляют большой интерес для практики, так как дают возможность получать конденсаторы с большой удельной емкостью, т. е, с большой емкостью в единице объема.  [c.27]

При переменном напряжении вследствие непрерывно происходящего изменения направления электрического поля токи спонтанной поляризации существуют в течение всего времени приложения напряжения. Спонтанная поляризация наблюдается при разных частотах вплоть до сверхвысоких радиочастот. Токи спонтанной поляризации имеют не только большую реактивную составляющую, но и большую активную составляющую, благодаря чему сегнетоэлектрики имеют сравнительно большой tg 6. Особенностью сегнетоэлектриков является своеобразная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры. На рис. 2-15 показана зависимость от температуры диэлектрической проницаемости одного из промышленных материалов сегнетоэлектриков титаната бария (Ва-Т10з), впервые изученного в качестве диэлектрика Б. М. Ву-  [c.47]

Домённая поляризация. Доменная поляризация присуща особому классу твердых диэлектриков — сегнетоэлектрикам, получившим свое название от сегнетовой соли, на которой впервые были обнаружены те особенные свойства, которые характеризуют этот класс материалов. Сегнето-электрическими свойствами обладают некоторые неорганические кристаллы. Эти кристаллы состоят из областей — доменов, представляющих собой как бы большие диполи с определенными электрическими моментами. Таким образом, сегнетоэлектрики отличаются от полярных диэлектриков тем, что последние имеют полярные молекулы, а первые — спонтанно поляризованные области, существующие в материале и до наложения внешнего поля. Под влиянием приложенной разности потенциалов происходит однообразная ориентация электрических моментов всех доменов в поле она приводит к созданию очень большого суммарного электрического момента, к большому поляризационному заряду, к большому емкостному току. Следовательно, такие материалы обладают очень большой диэлектрической проницаемостью. Ориентация доменных электрических моментов под влиянием электрического поля (доменная поляризация) связана с известным искажением кристаллической решетки. Как при других видах, поляризации, так и при доменной при постоянном напряжении после установления поляризации вызванный ею ток становится равным нулю. При переменном напряжении вследствие непрерывно происходящего изменения направления электрического поля токи доменной поляризации существуют в течение всего времени приложения напряжения. Доменная поляризация наблюдается при разных частотах вплоть до сверхвысоких радиочастот. Токи доменной поляризации имеют не только большую реактивную составляющую, но и большую активную составляющую, благодаря чему сегнетоэлектрики имеют сравнительно большой tg б. Особенностью сегнетоэлектриков является своеобразная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры. На рис. 2-6 показана зависимость от температуры относительной диэлектрической проницаемости одного из промышленных материалов сегнетоэлектриков — титаната бария (BaTiOз), впервые изученного в качестве диэлектрика Б. М. Вулом и И. М. Гольдман. Эта кривая снята при напряженности электрического поля 3 кВ/м. При температуре, близкой к абсолютному нулю,  [c.39]


Таким образом, каждая пара ионов образует упругий диполь. Наряду с процессом поляризации ионного смещения в ионных кристаллах протекает электронная поляризация. Общая интенсивность процессов поляризации у ионных кристаллических диэлектриков (радиокерамические материалы, слюда) довольно большая, поэтому значения диэлектрической проницаемости у них относительно большие (е = 7 Ч- 12 и выше). Оба процесса поляризации мгновенные, поэтому диэлектрическая проницаемость ионных кристаллических диэлектриков не зависит от частоты приложенного напряжения. Ионные диэлектрики широко применяют в радиотехнике.  [c.25]

В инженерной практике термины диэлектрический материал и электроизоляционный материал часто применяются как равнозначащие. По ГОСТ 17СЗЗ-71 Материалы электротехнические. Термины и определения диэлектрик определяется как Вещество, основным электрическим свойством которого является способность к поляризации и в котором возможно существование электростатического поля , диэлектрический материал — как злектротехнический материал, обладающий свойствами диэлектрика , а электроизоляционный материал — как диэлектрический материал, применяемый для устранения утечки электрических зарядов в электротехнических устройствах . Таким образом, строго говоря, понятие диэлектрический материал шире, чем понятие электроизоляционный материал . Приобретающие все больщее значение в современной технике активные диэлектрики не только играют пассивную роль подобно обычным электроизоляционным материалам в различных устройствах, в частности во многих видах радиоэлектронной аппаратуры, используется изменяемость свойств этих материалов под действием различных факторов. К активным диэлектрикам (см. гл. 5) принадлежат сегнетоэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых существенно изменяется при изменении напряженности электрического поля и температуры п ь е з о э л е к т р и к и, генерирующие электрические заряды под действием ме-ханических напряжений  [c.5]


ООО «Диэлектрик» – разработка и производство электроизоляционных материалов и систем изоляции

ООО «Диэлектрик» – разработка и производство электроизоляционных материалов и систем изоляции

ООО «Диэлектрик»— это современная динамично развивающаяся компания, специализирующаяся на разработке и производстве электроизоляционных материалов и систем изоляции для самого широкого спектра электрических машин, в том числе турбо-и гидрогенераторов, высоковольтных электрических машин, тяговых электродвигателей постоянного и переменного тока, асинхронных двигателей с частотно-регулируемым приводом, низковольтных электрических машин, кабельной промышленности и других отраслей промышленности.

Работаем

с 1989
ГОДА

Высокое качество продукции

Внедрение новых разработок

Поиск новых решений

Надёжные системы изоляции

Передовые технологии

Опыт ведущих мировых компаний

Номенклатура продукции ООО «Диэлектрик» включает в себя:

Мы открыты к сотрудничеству и готовы решать самые трудные задачи.
Особенностью нашего предприятия является постоянный поиск новых решений и новых технологий производства, позволяющих производить электроизоляционные материалы высокого качества по приемлемым ценам.

Большое значение для нашей компании имеет работа с потребителями.
Мы тщательно изучаем и анализируем потребности наших заказчиков и стараемся помочь им в поиске оптимальных решений. Мы оказываем полную техническую поддержку нашим потребителям. При необходимости проводятся консультации и совместные работы по внедрению новых электроизоляционных материалов и систем изоляции на предприятиях.

Электроизоляционные материалы — Стеклоткань, изолента, стеклопластик

Уральское представительство ООО «Диэлектрик» открыто в 2005 году в г. Екатеринбурге.

Образованное в 1989г. как Производственно Технический Кооператив, ЗАО «Диэлектрик»  в настоящее время стал одним из крупнейших производителей Электроизоляционных Материалов (ЭИМ) на территории РФ и ближнего зарубежья. Основные ресурсы компании направлены на разработку и производство новых ЭИМ, с повышенными диэлектрическими и технологическими свойствами.

1992 году ПТК «Диэлектрик», преобразован в ЗАО «Диэлектрик».

Мы стремимся использовать накопленный опыт ведущих мировых производителей изоляционных материалов для достижения наилучших результатов. Нас в первую очередь заботит качество выпускаемой нами продукции,  и мы делаем все возможное для его повышения. Главная задача руководства предприятия – создать предприятие, соответствующее мировым стандартам и способное конкурировать не только на рынке России, но и на Западных рынках.

1997-2000 года Наращивание производственных мощностей, отработка технологий производства ЭИМ, опробование и внедрение новых ЭИМ на заводах-потребителях.

2002 Разработка новых ЭИМ. Работающих по классу Н (до 180 ° С) на основе полиэтиленнафталатных плёнок производства компании DuPont

Предприятие располагает хорошо оснащенными электрофизической и аналитической лабораториями. В 2003 г. Испытательная лаборатория ЗАО «Диэлектрик» была аккредитована и сертифицирована Госстандартом России на проведение испытаний электроизоляционных материалов практически по всему спектру показателей. В настоящее время проводится работа по сертификации системы качества предприятия в соответствии со стандартом ГОСТ ИСО 9001:2000.

Электроизоляционные материалы, производимые нашей компанией,  применяются для производства и ремонта:  

  • турбо-, гидрогенераторов и высоковольтных электрических машин
  • тяговых электродвигателей электровозов, тепловозов, транспорта на   электрической тяге и двигателей постоянного тока.
  • низковольтных электрических машин.

10 Диэлектрические материалы — Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы

Электропроводность диэлектриков

Основными свойствами, определяющими применение диэлектриков в электро- и радиотехнической аппаратуре, являются их изолирующие качества, а также способность создавать электрическую емкость за счет существования внутреннего электрического поля, то есть поляризации.

Для выполнения функции электрической изоляции диэлектрические материалы должны препятствовать прохождению электрического тока путями, нежелательными для работы прибора. С этой точки зрения основной характеристикой диэлектриков является величина удельной электропроводности или удельного сопротивления.

Особенностью электропроводности твердых диэлектриков является то, что ввиду их большого удельного сопротивления ток через объем диэлектрика сравним с током по поверхности (рис. 2.1), поэтому общий ток изоляции

                                           I = Iv + Is.                                               (2.1)

При характеристике диэлектрика различают объемную и поверхностную удельные электропроводности (sv и ss). Величины, обратные электропроводности, – удельные объемное и поверхностное сопротивления (rv и rs).

Удельным объемным сопротивлением (rv) называют сопротивление куба диэлектрика с ребром, равным единице длины, если ток протекает через две противоположные грани. Значение rv большинства диэлектриков находится в пределах 106 — 1016 Ом×м.

Рис. 2.1. Виды электрического тока в образце диэлектрика после
приложения электрического поля

Удельным поверхностным сопротивлением (rs) называют сопротивление квадрата поверхности диэлектрика с любой стороной, если ток протекает через две противоположные стороны. Значение удельного поверхностного сопротивления, как правило, на порядок выше объемного, т.е. 107 — 1017 Ом, но оно в сильной степени зависит от величины и состояния поверхности (наличия влаги, проводящих веществ) и не является характеристикой материала.

Рекомендуемые материалы

Сопротивление изоляции диэлектрика определяется как результирующее двух сопротивлений (Rv и RS), включенных параллельно:

                                         .                                             (2.2)

Для диэлектрика с сечением S и толщиной h объемное сопротивление определяется как

                                          ,                                               (2. 3)

откуда можно определить rv.

Другой характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем (рис. 2.2), после включения постоянного напряжения (замыкания контакта К на рис. 2.1). С течением времени ток достигает некоторой постоянной величины, называемой током сквозной проводимости (Iскв). Величина Iскв определяется наличием в диэлектрике свободных носителей заряда. Спадающая часть тока называется током абсорбции Iабс (рис. 2.1 и 2.2), обусловленным наличием в диэлектрике замедленных видов поляризации.

 

Рис. 2.2. Зависимость тока в диэлектрике от времени приложения
 электрического поля

При измерении удельного сопротивления ток абсорбции необходимо исключить. Для этого образец выдерживают под напряжением некоторое время, в течение которого завершаются процессы поляризации (обычно одну минуту). Объемное сопротивление в этом случае определяется по формуле

                                           .                                                (2.4)

Электропроводность диэлектриков определяется зарядом свободных носителей (q), их концентрацией (n), подвижностью (m) и чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны DЕ в диэлектриках велика и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки (особенно примесные) и под действием тепловой энергии становятся свободными. Например, в кристалле NaCl DE = 6 эВ, и, несмотря на то, что подвижность иона меньше подвижности электрона, ионная электропроводность больше электронной за счет значительно большей концентрации свободных ионов.

Удельная электропроводность твердых диэлектриков увеличивается с ростом температуры по экспоненциальному закону:

                                  ~,                                      (2.5)

где W0 – энергия активации ионной проводимости.

Однако эта зависимость определяется не температурной зависимостью концентрации носителей, а ростом подвижности. Это связано с тем, что дрейфовая подвижность ионов мала и их движение осуществляется путем перескока с ловушки на ловушку, разделенные потенциальным барьером высотой W0, соответствующим энергии активации ионов (так называемая прыжковая проводимость).

В качестве ловушек для ионов могут выступать различные дефекты структуры, например вакансии, характеризующиеся незавершенными химическими связями вследствие отсутствия атома на “положенном” месте в структуре. Вероятность таких перескоков под действием тепловой энергии прямо пропорциональна exp(W0/kT) (рис. 2.3).

Люди также интересуются этой лекцией: Динамика человеческого поведения.

Рис. 2.3. Модель ионной проводимости твердых диэлектриков: а – без внешнего поля; б – понижение потенциального барьера W0 на величину qex при наложении электрического поля напряженностью e (W1 – глубина междоузельной потенциальной ямы)

В широком диапазоне температур зависимость lns = f(1/T) состоит из двух прямолинейных участков (рис. 2.4) с различными углами наклона к оси абсцисс. При температуре выше точки перегиба А электропроводность определяется в основном собственными ионами (собственная электропроводность). Ниже перегиба, в низкотемпературной области, зависимость более пологая и определяется наличием в диэлектрике ионов примеси (примесная электропроводность). По углам наклона участков прямых зависимости lns = f(1/T) можно определить энергию активации носителей заряда и их природу.

Рис. 2.4. Температурная зависимость электропроводности диэлектриков

Некоторые твердые диэлектрики, особенно в области высоких температур, обладают электронной или дырочной проводимостью (титаносодержащие керамические материалы). Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей.

Что такое диэлектрический материал? — Определение из WhatIs.com

К

 

Диэлектрический материал — это вещество, плохо проводящее электричество, но эффективно поддерживающее электростатическое поле. Если поток тока между противоположными полюсами электрического заряда сведен к минимуму, а электростатические линии потока не препятствуют и не прерываются, электростатическое поле может накапливать энергию. Это свойство полезно в конденсаторах, особенно на радиочастотах.Диэлектрические материалы также используются при строительстве линий радиопередачи.

На практике большинство диэлектрических материалов являются твердыми. Примеры включают фарфор (керамику), слюду, стекло, пластик и оксиды различных металлов. Некоторые жидкости и газы могут служить хорошими диэлектрическими материалами. Сухой воздух является отличным диэлектриком и используется в конденсаторах переменной емкости и некоторых типах линий передачи. Дистиллированная вода является хорошим диэлектриком. Вакуум является исключительно эффективным диэлектриком.

Важным свойством диэлектрика является его способность поддерживать электростатическое поле при минимальном рассеивании энергии в виде тепла. Чем меньше диэлектрических потерь (доля энергии, теряемой в виде тепла), тем эффективнее диэлектрический материал. Еще одним соображением является диэлектрическая проницаемость , степень, в которой вещество концентрирует электростатические линии потока. К веществам с низкой диэлектрической проницаемостью относятся идеальный вакуум, сухой воздух и наиболее чистые сухие газы, такие как гелий и азот.К материалам с умеренными диэлектрическими постоянными относятся керамика, дистиллированная вода, бумага, слюда, полиэтилен и стекло. Оксиды металлов, как правило, имеют высокие диэлектрические постоянные.

Основным преимуществом веществ с высокой диэлектрической проницаемостью, таких как оксид алюминия, является тот факт, что они позволяют производить конденсаторы с высокой емкостью и малым физическим объемом. Но эти материалы, как правило, не способны выдерживать столь интенсивные электростатические поля, как вещества с низкой диэлектрической проницаемостью, такие как воздух. Если напряжение на диэлектрическом материале станет слишком большим, то есть если электростатическое поле станет слишком интенсивным, материал внезапно начнет проводить ток. Это явление называется диэлектрическим пробоем . В компонентах, в которых в качестве диэлектрической среды используются газы или жидкости, это условие меняется на противоположное, если напряжение падает ниже критической точки. Но в компонентах, содержащих твердые диэлектрики, пробой диэлектрика обычно приводит к необратимому повреждению.

Последнее обновление было в ноябре 2010 г.

Диэлектрические материалы (все содержимое)

Примечание. Учебно-обучающие пакеты DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предоставляется для удобства, но не отображает все содержимое TLP. Например, отсутствуют какие-либо видеоролики и ответы на вопросы. Форматирование (разрывы страниц и т. д.) печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.

Содержимое

Основные страницы

  • Цели
  • Перед тем, как начать
  • Введение
  • Электрические диполи
  • Механизмы поляризации
  • Конденсаторы
  • Диэлектрическая проницаемость
  • Изменение диэлектрической проницаемости в переменных полях
  • Влияние структуры на диэлектрическую проницаемость
  • Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость
  • Потери в диэлектриках
  • Пробой диэлектрика
  • Применение диэлектриков
  • Резюме
  • Вопросы
  • Идем дальше

Дополнительные страницы

  • Диэлектрическая проницаемость и показатель преломления

Цели

По завершении этого TLP вы должны:

  • Понимать значение терминов диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и диэлектрический пробой.
  • Признать, что свойства диэлектриков обусловлены поляризацией, и понять, как эта поляризация возникает в микроскопическом масштабе.
  • Понять, как структура материала, температура и частота влияют на свойства диэлектриков.
  • Помните о некоторых практических применениях диэлектрических материалов.

Перед началом работы

Для этого TLP нет особых требований.

Введение

Диэлектрический материал — это любой материал, который поддерживает заряд, не проводя его в значительной степени.В принципе все изоляторы являются диэлектриками, хотя способность поддерживать заряд сильно различается у разных изоляторов по причинам, которые будут рассмотрены в этом TLP.

Диэлектрические материалы используются во многих приложениях, от простой электрической изоляции до датчиков и компонентов цепей.

Электрические диполи

Диэлектрик поддерживает заряд, приобретая поляризацию в электрическом поле, в результате чего на одной поверхности появляется суммарный положительный заряд, а на противоположной поверхности возникает суммарный отрицательный заряд. Это стало возможным благодаря наличию электрических диполей — двух противоположных зарядов, разделенных определенным расстоянием — в микроскопическом масштабе.

Математическое описание дипольного момента можно найти в TLP по сегнетоэлектрикам. Для целей данного TLP стоит отметить, что диполь можно рассматривать двумя способами:

1. Если две дискретные заряженные частицы с противоположными зарядами разнесены на определенное расстояние, возникает дипольный момент μ .

2.Если центр положительного заряда в данной области и центр отрицательного заряда в той же области не находятся в одном и том же положении, возникает дипольный момент μ . Например, на диаграмме ниже центр положительного заряда 8 показанных катионов находится в точке X, а центр отрицательного заряда расположен на некотором расстоянии от аниона.


Второе представление о дипольном моменте более полезно, поскольку его можно применять к большой площади, содержащей много зарядов, для нахождения чистого дипольного момента материала, а также его можно использовать в ситуациях, когда нецелесообразно учитывать заряды. как принадлежащие дискретным частицам – e.грамм. в случае электронного облака, окружающего ядро ​​в атоме, которое должно описываться волновой функцией.

Обратите внимание, что в уравнении для дипольного момента r является вектором (соглашение о знаках состоит в том, что r указывает от отрицательного заряда к положительному), поэтому дипольный момент μ также является вектором. Поляризация материала — это просто полный дипольный момент для единицы объема.

\[P = \frac{{\sum \mu}}{V}\], где V — общий объем образца.

Поскольку Σ μ представляет собой векторную сумму, материал может содержать диполи без какой-либо результирующей поляризации, поскольку дипольные моменты могут компенсироваться.

Механизмы поляризации

В диэлектрическом материале могут возникать три основных механизма поляризации: электронная поляризация, ионная поляризация (иногда называемая атомной поляризацией) и ориентационная поляризация. Анимация ниже иллюстрирует, как работает каждый из этих механизмов в микроскопическом масштабе.

Все непроводящие материалы способны к электронной поляризации, поэтому все изоляторы в той или иной степени являются диэлектриками. Напротив, ионные и ориентационные моды доступны только для материалов, содержащих ионы и постоянные диполи соответственно.

Другим вкладом в поляризацию является объемный заряд или накопление мобильных зарядов на структурных поверхностях и границах раздела. Это не прямое свойство материала, а только характеристика гетероструктур, и поэтому здесь больше не обсуждается.

Конденсаторы

Конденсатор — это устройство, используемое для накопления заряда. Обычно он состоит из двух проводящих пластин с диэлектрическим материалом между ними, хотя в некоторых приложениях также может использоваться «пустой конденсатор» — конденсатор с вакуумом между пластинами.

Каждый конденсатор имеет емкость С, стандартными единицами которой являются фарады (Ф). Емкость определяется соотношением Q = C V, где Q – заряд на каждой пластине конденсатора, а V – напряжение между пластинами конденсатора.Следовательно, 1 F = 1 CV 90 142 -1 90 143.



На емкость влияют различные факторы, такие как геометрия конденсатора, однако здесь мы будем иметь дело только с влиянием диэлектрического материала, выбранного для заполнения пространства между пластинами.

Увеличение емкости таким образом желательно, так как это позволяет сохранять больший электрический заряд для данной напряженности поля.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость материала служит мерой его воздействия на конденсатор.Это отношение емкости конденсатора, содержащего диэлектрик, к емкости такого же, но пустого конденсатора.

Альтернативное определение диэлектрической проницаемости относится к диэлектрической проницаемости материала. Диэлектрическая проницаемость — это величина, описывающая влияние материала на электрическое поле: чем выше диэлектрическая проницаемость, тем больше материал стремится ослабить любое создаваемое в нем поле. Поскольку диэлектрический материал уменьшает поле, становясь поляризованным, полностью эквивалентным определением является то, что диэлектрическая проницаемость выражает способность материала поляризоваться в ответ на приложенное поле.Диэлектрическая проницаемость (иногда называемая «относительной диэлектрической проницаемостью») представляет собой отношение диэлектрической проницаемости диэлектрика к диэлектрической проницаемости вакуума, поэтому чем больше поляризация, развиваемая материалом в приложенном поле заданной силы, тем больше диэлектрическая проницаемость. будет.

Стандартного символа для диэлектрической проницаемости не существует — вы можете встретить его как κ , ε , ε ′ или ε r . В этом TLP κ следует использовать во избежание путаницы с абсолютной диэлектрической проницаемостью, которая также может обозначаться символом ε .

Два определения диэлектрической проницаемости показаны на диаграмме ниже (зеленые стрелки представляют электрическое поле).


В целом, чем более доступными механизмами поляризации обладает материал, тем больше будет его результирующая поляризация в заданном поле и, следовательно, тем больше будет его диэлектрическая проницаемость.

Диэлектрическая проницаемость материала и его показатель преломления тесно связаны уравнением κ =  n 2  (нажмите здесь, чтобы получить вывод).Однако следует соблюдать осторожность при применении этого уравнения. Он является строго точным только тогда, когда диэлектрическая проницаемость и показатель преломления измеряются в одних и тех же условиях. В частности, поскольку диэлектрическая проницаемость может значительно меняться в зависимости от частоты (по причинам, обсуждаемым в следующем разделе этого TLP), мы должны измерять диэлектрическую проницаемость при переменном токе на той же частоте, на которой мы измеряем показатель преломления – частоте видимого света. , ~10 15 Гц.Однако указанные значения диэлектрической проницаемости обычно относятся к статической диэлектрической проницаемости, то есть диэлектрической проницаемости при постоянном токе. Часто это сильно отличается от значения диэлектрической проницаемости при 10 15 Гц.

Исключение составляют материалы, обладающие только электронной поляризацией. Для этих материалов диэлектрическая проницаемость незначительно меняется с частотой ниже видимых частот, и κ S n 2  , где κ S — статическая диэлектрическая проницаемость.

Подводя итог: уравнение κ = n 2  можно применять только к статическим диэлектрическим проницаемостям неполярных материалов или к высокочастотным диэлектрическим проницаемостям любого диэлектрика.

Изменение диэлектрической проницаемости в переменных полях

Мы знаем, что диэлектрик поляризуется в электрическом поле. Теперь представьте изменение направления поля. Направление поляризации также изменится, чтобы соответствовать новому полю.Это не может произойти мгновенно: требуется некоторое время для движения зарядов или вращения диполей.

Если поле переключается, существует характерное время, которое требуется для настройки ориентационной поляризации (или средней ориентации диполя), называемое временем релаксации. Типичные времена релаксации составляют ~10 -11 с. Следовательно, если электрическое поле меняет направление на частоте выше ~10 11 Гц, ориентация диполя не может «поспевать» за переменным полем, направление поляризации не может оставаться на одной линии с полем, и этот механизм поляризации прекращается. способствовать поляризации диэлектрика.

В переменном электрическом поле как ионный, так и электронный механизмы поляризации можно рассматривать как управляемые затухающие гармонические осцилляторы (подобно массе на пружине), а частотная зависимость определяется явлениями резонанса. Это приводит к пикам на графике зависимости диэлектрической проницаемости от частоты на резонансных частотах ионной и электронной поляризационных мод. Провал появляется на частотах чуть выше каждого резонансного пика, что является общим явлением для всех затухающих резонансных откликов, что соответствует отклику системы, не совпадающему по фазе с движущей силой (здесь мы не будем вдаваться в математическое доказательство этого). .При этом в областях провалов поляризация отстает от поля. На более высоких частотах движение заряда не успевает за переменным полем, и механизм поляризации перестает вносить вклад в поляризацию диэлектрика.

По мере увеличения частоты чистая поляризация материала падает, поскольку каждый механизм поляризации перестает вносить свой вклад, и, следовательно, его диэлектрическая проницаемость падает. Анимация ниже иллюстрирует эти эффекты.

На достаточно высоких частотах (выше ~10 90 142 15 90 143 Гц) ни один из механизмов поляризации не может переключаться достаточно быстро, чтобы идти в ногу с полем.Материал больше не обладает способностью поляризоваться, а диэлектрическая проницаемость падает до 1 — как у вакуума.

Резонансы ионного и электронного механизмов поляризации показаны ниже.

Влияние структуры на диэлектрическую проницаемость

Мы уже видели, что чем более доступными механизмами поляризации обладает материал, тем больше будет его диэлектрическая проницаемость. Например, материалы с постоянными диполями имеют большую диэлектрическую проницаемость, чем аналогичные неполярные материалы.

Кроме того, чем легче могут действовать различные механизмы поляризации, тем больше будет диэлектрическая проницаемость. Например, среди полимеров чем подвижнее цепи (т.е. чем ниже степень кристалличности), тем выше будет диэлектрическая проницаемость.

Для полярных структур величина диполя также влияет на величину достижимой поляризации и, следовательно, на диэлектрическую проницаемость. Кристаллы с нецентросимметричной структурой, такие как титанат бария, имеют особенно большие спонтанные поляризации и, соответственно, большие диэлектрические постоянные.И наоборот, полярный газ, как правило, имеет меньшие диполи, а его низкая плотность также означает, что поляризовать меньше, поэтому полярные газы имеют более низкую диэлектрическую проницаемость, чем полярные твердые тела или жидкости. Аргумент плотности также применим для неполярных газов по сравнению с неполярными твердыми телами или жидкостями.

Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость

Для материалов, которые обладают постоянными диполями, наблюдается значительное изменение диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры.Это связано с влиянием тепла на ориентационную поляризацию.

Однако это не означает, что диэлектрическая проницаемость будет постоянно увеличиваться при понижении температуры. При изменении температуры наблюдается несколько скачков диэлектрической проницаемости. Во-первых, резко изменится диэлектрическая проницаемость на границах фаз. Это связано с тем, что структура изменяется при фазовом переходе и, как мы видели выше, диэлектрическая проницаемость сильно зависит от структуры.Будет ли κ увеличиваться или уменьшаться при заданном изменении фазы, зависит от того, какие именно две фазы участвуют.

Также наблюдается резкое уменьшение κ при температуре несколько ниже точки замерзания. Давайте теперь рассмотрим причину этого.

В кристаллическом твердом теле существуют только определенные ориентации, разрешенные решеткой. Для переключения между этими различными ориентациями молекула должна преодолеть определенный энергетический барьер ΔE.

 


Когда приложено электрическое поле, потенциальная энергия ориентаций, выровненных с полем, снижается, а энергия ориентаций, выровненных против поля, повышается.Это означает, что требуется меньше энергии для переключения на ориентацию, выровненную с полем, и больше энергии требуется для переключения на ориентацию, выровненную против поля.

Поэтому со временем молекулы выровняются по полю. Однако для этого они все равно должны преодолеть энергетический барьер. Если молекула обладает энергией меньше высоты любого энергетического барьера, она не может преодолеть энергетический барьер, следовательно, не может изменить свою ориентацию. Следовательно, ориентационная мода «замораживается» и больше не может вносить вклад в общую поляризацию, что приводит к падению диэлектрической проницаемости.

Эти эффекты представлены на графике ниже.

Потери в диэлектриках

Эффективный диэлектрик поддерживает переменный заряд с минимальным рассеиванием энергии в виде тепла. Есть две основные формы потерь, которые могут рассеивать энергию внутри диэлектрика. При потере проводимости поток заряда через материал вызывает рассеяние энергии. Диэлектрические потери — это рассеяние энергии за счет движения зарядов в переменном электромагнитном поле при изменении направления поляризации.

Диэлектрические потери особенно высоки вокруг релаксационных или резонансных частот механизмов поляризации, поскольку поляризация отстает от приложенного поля, вызывая взаимодействие между полем и поляризацией диэлектрика, что приводит к нагреву. Это показано на приведенной ниже диаграмме (напомним, что диэлектрическая проницаемость падает, поскольку каждый механизм поляризации становится неспособным идти в ногу с переключающимся электрическим полем).

Диэлектрические потери, как правило, выше в материалах с более высокой диэлектрической проницаемостью. Это обратная сторона использования этих материалов в практических приложениях.

Диэлектрические потери используются для нагрева пищи в микроволновой печи: частота используемых микроволн близка к частоте релаксации механизма ориентационной поляризации в воде, а это означает, что любая присутствующая вода поглощает много энергии, которая затем рассеивается в виде тепла. Точная используемая частота немного отличается от частоты, при которой в воде происходят максимальные диэлектрические потери, чтобы гарантировать, что микроволны не все поглощаются первым слоем воды, с которым они сталкиваются, что обеспечивает более равномерный нагрев пищи.

Пробой диэлектрика

В сильных электрических полях материал, который обычно является электрическим изолятором, может начать проводить электричество, т. е. перестать действовать как диэлектрик. Это явление известно как пробой диэлектрика.

Механизм пробоя диэлектрика лучше всего можно понять с помощью зонной теории. Подробное объяснение этого можно найти в TLP по полупроводникам, хотя не все из них имеет отношение к содержанию этого TLP, поэтому здесь представлены аспекты зонной теории, необходимые для понимания диэлектрического пробоя.

Для каждого материала существует характерная напряженность поля, необходимая для того, чтобы вызвать пробой диэлектрика. Это называется полем пробоя или диэлектрической прочностью. Обычно значения диэлектрической прочности лежат в диапазоне 10 6 – 10 9 В·м -1 . Точное значение диэлектрической прочности зависит от многих факторов, наиболее очевидным из которых является размер энергетической щели, а также геометрия и микроструктура образца, а также условия, которым он подвергается.

Явление пробоя диэлектрика используется в зажигалках и подобных устройствах, где для воспламенения топлива необходимо произвести искру. «Искровой промежуток» представляет собой небольшой воздушный зазор между двумя электродами. Заряд накапливается на электродах по обе стороны от искрового промежутка до тех пор, пока напряженность поля в искровом промежутке не превысит диэлектрическую прочность воздуха (механизм, используемый для создания этого поля, не имеет прямого отношения к этой TLP, но заинтересованные читатели могут найти объяснение этому здесь). В этот момент воздух внутри искрового промежутка становится способным к проводимости, что приводит к возникновению искры.

Применение диэлектриков

В основном диэлектрики используются для изготовления конденсаторов. У них много применений, включая накопление энергии в электрическом поле между пластинами, фильтрацию шума из сигналов как часть резонансного контура и подачу импульса мощности на другой компонент.

Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больший заряд может хранить конденсатор в данном поле, поэтому обычно используют керамику с нецентросимметричной структурой, например титанаты металлов 2 группы.На практике материал конденсатора часто представляет собой смесь нескольких таких керамических материалов. Это связано с изменением диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры, о чем говорилось ранее. Обычно желательно, чтобы емкость была относительно независимой от температуры; поэтому современные конденсаторы сочетают в себе несколько материалов с разными температурными зависимостями, в результате чего емкость демонстрирует лишь небольшие, примерно линейные изменения в зависимости от температуры.

Конечно, в некоторых случаях низкие диэлектрические потери более важны, чем высокая емкость, и поэтому для таких ситуаций можно использовать материалы с более низкими значениями κ и, соответственно, более низкими диэлектрическими потерями.

Некоторые области применения диэлектриков полагаются на их электроизоляционные свойства, а не на способность накапливать заряд, поэтому здесь наиболее желательными свойствами являются высокое удельное электрическое сопротивление и низкие диэлектрические потери. Наиболее очевидным из этих применений является изоляция проводов, кабелей и т. д., но есть также применения в сенсорных устройствах. Например, можно изготовить своего рода тензорезистор, напылив небольшое количество металла на поверхность тонкого листа диэлектрического материала.

Электроны могут перемещаться по металлу за счет нормальной проводимости и через промежуточный диэлектрический материал за счет явления, известного как квантовое туннелирование. Математическая обработка этого явления выходит за рамки данного TLP; просто обратите внимание, что он позволяет частицам перемещаться между двумя «разрешенными» областями, которые разделены «запрещенной» областью, и что степень туннелирования резко уменьшается по мере увеличения расстояния между разрешенными областями. В этом случае разрешенными областями являются затвердевшие капли металла, а запрещенной — высокоомный диэлектрический материал.

Если диэлектрический материал натянут, он будет изгибаться, что приведет к изменению расстояния между металлическими островками. Это оказывает большое влияние на степень, в которой электроны могут туннелировать между островками, и, таким образом, наблюдается большое изменение тока. Таким образом, описанное выше устройство является эффективным тензодатчиком.

Резюме

  • Диэлектрики — это электрические изоляторы, поддерживающие заряд.
  • Свойства диэлектриков обусловлены поляризацией.
  • Существуют три основных механизма возникновения поляризации в микроскопическом масштабе: электронный (искажение электронного облака в атоме), ионный (движение ионов) и ориентационный (вращение постоянных диполей).
  • Конденсатор — это устройство, накапливающее заряд, обычно с помощью диэлектрического материала. Его емкость определяется как Q = C V
  • .
  • Диэлектрическая проницаемость κ указывает на способность диэлектрика поляризоваться.Его можно определить как отношение диэлектрической проницаемости диэлектрика к диэлектрической проницаемости вакуума.
  • Каждый из механизмов поляризации имеет характерную релаксационную или резонансную частоту. В переменном поле на каждой из этих (зависящих от материала) частот диэлектрическая проницаемость будет резко падать.
  • На диэлектрическую проницаемость также влияет структура, поскольку она влияет на способность материала поляризоваться.
  • Полярные диэлектрики демонстрируют снижение диэлектрической проницаемости при повышении температуры.
  • Диэлектрические потери — это поглощение энергии движением зарядов в переменном поле, и они особенно высоки в области релаксационных и резонансных частот механизмов поляризации.
  • Достаточно сильные электрические поля могут вызвать пробой диэлектрика и стать проводящими.

Вопросы

Быстрые вопросы

Вы сможете без особого труда ответить на эти вопросы после изучения этого TLP.Если нет, то вы должны пройти через это снова!

  1. Катион Ca 2+ и анион O 2- разделены расстоянием 2,4 Å. Вычислите результирующий дипольный момент. (Заряд электрона = 1,6 × 10 -19 Кл)

  2. Рассмотрим конденсатор в блоке питания компьютера, обладающий емкостью 2200 мкФ. Если к этому конденсатору приложить напряжение 10 В, каков будет заряд на положительной пластине? (2 знака инжира)

  3. В каком из приведенных ниже случаев А имеет более высокую статическую диэлектрическую проницаемость, чем В, если предположить, что и А, и В являются диэлектриками? (обратите внимание, что правильных ответов может быть несколько)

  4. При каких условиях показатель преломления связан с диэлектрической проницаемостью как κ ≈ n 2  ?

  5. На полярную жидкость действует переменный ток частотой 50 Гц. Затем текущая частота увеличивается чуть выше частоты релаксации ориентационной моды поляризации. Какой из них лучше всего описывает поведение диэлектрической проницаемости при увеличении частоты?

  6. И что лучше всего описывает поведение диэлектрических потерь при увеличении частоты?

  7. Вам нужно сделать конденсатор, который будет работать при низкой напряженности электрического поля и хранить большое количество заряда.Энергоэффективность не обязательно должна быть высокой (т. е. допустимы потери). Что из следующего вы, скорее всего, поместите между пластинами конденсатора?

Идем дальше

Веб-сайт

Книги

  • Диэлектрики , P. J. Harrop, 1972 (Butterworths)
    Содержит более математическую трактовку диэлектриков, а также информацию о многих других возможных применениях.
  • Твердотельный , второе издание, H.M. Rosenberg, 1978 (OUP)
    Глава 13, «Диэлектрические свойства», дает хороший обзор многих вопросов, обсуждаемых здесь, и содержит последнюю часть вывода для связи между диэлектрической проницаемостью и показателем преломления.
  • Electronic and Magnetic Behavior of Materials , A. Nussbaum, 1967 (Prentice-Hall) pp.70-77
    Обеспечивает более подробное рассмотрение того, как свойства диэлектриков возникают в результате их микроскопической поляризации.

Диэлектрическая проницаемость и показатель преломления

Показатель преломления материала n определяется как отношение скорости света в вакууме к скорости света в этом материале.

$$n = {c \over {{c_{\rm{m}}}}}$$ , где c — скорость света в вакууме, а cm — скорость света в материале.

Можно вывести еще одно уравнение для скорости света, на этот раз в терминах электрической (ε) и магнитной проницаемости (μ) материала.Для этого нам понадобятся уравнения Максвелла.

$$\nabla \times {\bf{E}} = — {{\partial {\bf{B}}} \over {\partial t}}$$        (1)
$$\nabla \times {\ bf{B}} = \mu \varepsilon {{\partial {\bf{E}}} \over {\partial t}}$$      (2)

Взятие завитка с обеих сторон (1) позволяет нам объединить (1) и (2):

$$\выравнивание{ \nabla \times (\nabla \times {\bf{E}}) = & — {{\partial (\nabla \times {\bf{B}})} \over {\partial t}} \cr = & — \mu \varepsilon {{{\partial ^2}{\bf{E}}} \over {\partial {t^2}}} \cr} $$

Вообще для любого вектора a:

$$\nabla \times (\nabla \times {\bf{a}}) = — {\nabla ^2}{\bf{a}} + \nabla \cdot (\nabla \cdot {\bf{a} }})$$

Теперь в вакууме \(\nabla \cdot {\bf{E}} = 0\). {{\raise0.7ex\hbox{$1$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {1 2}}\право.\kern-0em} \!\lower0.7ex\hbox{$2$}}}} \cr} $$

Наконец, вспомним предыдущее определение диэлектрической проницаемости через диэлектрическую проницаемость:

$$\каппа = {\varepsilon \over {{\varepsilon _0}}}$$

Следовательно, κ = n2 .



Консультант по академическим вопросам: Зои Барбер (Кембриджский университет)
Разработка контента: Анна Калоркоти
Веб-разработка: Лиэнн Саллоуз и Дэвид Брук

DoITPoMS финансируется Великобританией Центр материального образования и кафедра Материаловедения и металлургии, Кембриджский университет

Диэлектрические материалы | Многослойные керамические конденсаторы

Новая наука о связанных магнитных полях и электронике

«Используя отличные базовые методы исследования, (МРТ) является весьма эффективной организацией для предоставления важной информации о промышленных процессах. Одним очень хорошим примером, который помог нашей интегрированной программе LTCC, была «характеризация и моделирование развала из-за несоответствия спекания между отдельными компонентами». Ltd. Plug Co., Ltd.

Электролитические конденсаторы

Кинетика анодирования в конденсаторах Ta и Nb рассматривается на основе фундаментальной модели точечных дефектов. Спектроскопия электрохимического импеданса и структурные данные помогают установить рост оксида в зависимости от температуры, кривизны частиц, напряжения и т. д.Разрабатываются самосогласованные модели поведения.

Современные методы просвечивающей электронной микроскопии используются для понимания и количественного определения ближнего порядка и параметров обработки, вызывающих локальную кристаллизацию в определенных условиях анодирования. Механизмы деградации и самовосстановления также исследуются с помощью методов, которые количественно определяют валентные состояния и стехиометрию кислорода в нанометровом масштабе.

Пьезоэлектрические материалы и устройства

Пьезоэлектрические приводы находятся на пороге широкого применения в автомобилях для впрыска дизельного и бензинового топлива.Для этих актуаторов требуется высокоэффективная пьезокерамика (d 33 > 700 пм/В, с T c ≈ 350°C), изготовленная из Pb(Zr,Ti)O 3 . Существует широкий спектр термохимических реакций, которые необходимо контролировать в приводах с внутренними электродами Ag-Pd или Cu. В совокупности такие взаимодействия влияют на выход продукции и долгосрочную работу приводов. Вопросы надежности, зависящие от времени, также изучаются в различных стрессовых условиях, включая условия импульсного привода при высоких температурах и высокой относительной влажности.

Также появляются тяги в бессвинцовых пьезоэлектриках, микромеханических высокочастотных преобразователях и пьезоэлектриках для резонаторов.

Интегрированные компоненты

Интегрированные пассивные и функциональные компоненты постоянно развиваются в области упаковки. В Центре мы разработали совместно обжигаемые диэлектрики с низкотемпературной совместно обожженной керамикой (LTCC) с различной диэлектрической проницаемостью для применения в микроволновом диапазоне. Также представляют интерес методологии, способствующие совместному обжигу, такие как ограниченное спекание и процессы с регулируемой скоростью.Области применения диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями с температурной зависимостью NPO включают различные настраиваемые схемы микроволновых фильтров и антенны; мы также интегрируем пьезоэлектрические двигатели в LTCC для оптического выравнивания. Интеграция тонких пленок также является основным видом деятельности как с пассивными устройствами MEMS, так и со встроенными конденсаторами.

«(MRI) имеет выдающиеся достижения в работе со своими промышленными партнерами, чтобы лучше понять материалы и процессы, связанные с явлениями, имеющими отношение к многослойной электрокерамической промышленности. Я воодушевлен расширением Центра в сфере танталовых и ниобиевых электролитических конденсаторов, и я с оптимизмом смотрю на то, что Центр сможет добиться таких же значительных достижений в этой области. Я бы настоятельно рекомендовал другим компаниям, участвующим в производстве электролитических конденсаторов, рассмотреть возможность участия в Центре диэлектрических исследований».

Многослойные конденсаторы
У многослойных керамических конденсаторов

очень агрессивная дорожная карта на ближайшие десять лет.Необходимо понимать и прогнозировать надежность, одновременно повышая емкостную объемную эффективность. В течение следующего десятилетия толщина диэлектрика уменьшится до субмикронного уровня ~ 0,3 мкм. В других приложениях желательны более высокие требования к напряжению для различных диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью в автомобильной аэрокосмической отрасли и дисплеях. Понимание надежности, проводимости, диэлектрической релаксации и нелинейности путем разработки ключевых взаимосвязей структура-свойство-процесс является насущной потребностью в исследованиях. Мы ожидаем, что при некоторых экстремальных требованиях к конкретным применениям развязывающих и полосовых конденсаторов произойдет отход от таких характеристик, как X5R, X7R, и потребность в разработке диэлектриков для конкретных приложений. Это ожидается в имплантируемой электронике для медицинской промышленности и в развязывающих конденсаторах большой емкости для схемы регулятора напряжения в I.C. пакеты.

Материалы импульсной мощности

Диэлектрические материалы являются критическим фактором в импульсной мощности и системах распределения энергии для медицинских, автомобильных и оборонных приложений.Существует немедленная потребность в быстродействующих конденсаторах с уменьшенным объемом, весом и стоимостью. Плотность энергии, которая отражает диэлектрическую проницаемость и диэлектрическую прочность на пробой как жизненно важные параметры материалов, доминирует в этой исследовательской задаче. Для приложений импульсной энергии цель состоит в том, чтобы разработать полимеры, оксиды и композиты с плотностью энергии от 10 до 30 Дж/см 3 , рабочим напряжением более 1 кВ и временем заряда/разряда мс-мкс, с надежной работой около пробой диэлектрика. Для приложений силовой электроники целью является достижение высоких пульсаций тока при высоких температурах.

Компоненты для агрессивных сред

Высокая температура, напряжение и стресс ухудшают работу компонентов. Текущие исследования и разработки сосредоточены на новых высокотемпературных релаксорных диэлектриках с относительной диэлектрической проницаемостью ~ 15 000 при 300°C. Также были определены отличные характеристики насыщения по напряжению. Пьезоэлектрики с новой структурой и химическим составом были исследованы для получения высоких характеристик при температурах от 350°C до 1000°C.

Глава — Проводящие и диэлектрические материалы

В этой главе основное внимание уделяется проводящим и диэлектрическим материалам и их свойства в условиях статических полей. Проводящие материалы проводят электрический ток эффективно, а диэлектрики обладают высокими изоляционными свойствами, помимо способности для хранения электрической энергии. Проводящие и диэлектрические материалы необходимы во всех электрических электронные системы и оборудование. Способность материала проводить электрический ток называется проводимостью вещества.С другой стороны, взаимодействие между диэлектрическим материалом и электростатическим полем приводит к образованию дипольные моменты в атомах материала, которые известны как поляризация. Этот Поляризационная способность материала количественно описывается константой, известной как диэлектрическая проницаемость материала. Диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала по отношению к свободное пространство известно как относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость материала. Как проводимость, так и диэлектрическая проницаемость зависят от внутренних свойств материал.В этой главе представлен подробный вывод для проводимости и диэлектрическая проницаемость при проводимости статического поля. Помимо свойств проводящего и диэлектрических материалов, в главе обсуждается концепция сохранения заряда и время отдыха; граничные условия между различными средами; сопротивление; в емкость; запасенная энергия в конденсаторе. Темы главы поддерживаются многочисленные наглядные примеры и рисунки в дополнение к решенным задачам и домашние задания в конце главы.


Ключевые слова: Емкость, ток проводимости, проводимость, проводник, конвекция ток, пробой диэлектрика, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая прочность, диэлектрик, ток смещения, электрический поток, подвижность, идеальный электрический проводник, поляризация, время релаксации, сопротивление, удельное сопротивление.

Новый диэлектрический материал для высокопроизводительных твердотельных суперконденсаторов

Обзор

Центр космических полетов имени Маршалла НАСА разработал высокоэффективный диэлектрический материал для разработки ультраконденсаторов для замены батарей.Этот новый материал, созданный в виде композитных чернил или пасты, основан на новых диэлектрических порошках с высокой диэлектрической проницаемостью. Этот диэлектрический материал обладает характеристиками быстрой зарядки; сверхнизкая утечка; и чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Кроме того, выбранные композиции могут обеспечивать поведение при разрядке, подобное аккумулятору. Эти свойства делают изобретение очень желательным диэлектрическим материалом для разработки и производства новых устройств накопления энергии, включая ультраконденсаторы, батареи и другие устройства, требующие высокой диэлектрической проницаемости и/или высокого напряжения пробоя.Керамический материал также имеет то преимущество, что он абсолютно безопасен по сравнению с традиционными электрохимическими батареями. Изобретение, нацеленное на потенциальное использование в спутниковых двигательных установках, находится в стадии разработки в НАСА.


Технология

Технология NASA представляет собой рецептуру диэлектрических материалов, состоящую из полимеров, органических связующих, растворителей и поверхностно-активных веществ, в состав которой входит нанопорошок керамического перовскита. Керамический нанопорошок может быть оптимизирован для требуемых диэлектрических свойств емкости, напряжения пробоя и утечки. Это включает добавление присадок или использование усовершенствованных покрытий на частицах порошка и последующую термическую обработку. Реология состава может быть адаптирована для работы с различными методами нанесения покрытия или печати, от традиционных толстопленочных методов до передовых методов струйной печати или прямой 3D-печати, используемых для печатной электроники. 3D-печать обеспечивает простоту печатного производства наряду с нанесением более тонких слоев (например,г., толщиной 5 микрон против слоя 50-100 микрон при использовании толстопленочных методов). Затем отдельные устройства могут быть сформированы в виде многослойных композиций или сложены и упакованы в соответствии с требованиями конкретного применения устройства. Состав чернил представляет собой тщательную смесь полимеров полиимида или поливинилиденфторида (ПВДФ), растворителей, поверхностно-активных веществ и нанопорошков титаната бария. Необходимы правильные соотношения вязкости и технологичности (например, смачивание и диспергирование нанопорошка), а также оптимальная производительность ультраконденсаторного устройства.

Электричество. Диэлектрические материалы. Физика 299

Электричество. Диэлектрические материалы. Физика 299.

«Фундаментальные исследования это как пустить стрелу в воздух и там, где она приземлится, рисование мишени.»

Гомер Бертон Эдкинс

  • Во всех наших дискуссиях до сих пор мы неявно предполагали, что наши заряды находились в вакууме или на поверхности проводники.Теперь нужно подумать, как учесть учитывать наличие непроводящего материала в реальном Мир. Диэлектрический материал — это просто другой способ сказать непроводящий материал.
  • Представьте себе параллель пластинчатый конденсатор, в котором диэлектрический материал помещен между пластины (справа внизу). Диэлектрик состоит из атомы/молекулы, содержащие положительные и отрицательные обвинения. Приложенное электрическое поле между пластинами, E 0 , вызовет положительные и отрицательные заряды составляющих атомы/молекулы слегка двигаются в противоположных направлениях (правильно).Электрические дипольные моменты будут «индуцироваться» в материал, как показано. Чистый эффект появляются на поверхности диэлектрического материала, как показано на рисунке. Говорят, что диэлектрик был поляризован, что привело к поляризационное электрическое поле, E P .
В проводники (металлы) есть (почти) свободные электроны, которые будут перемещаться по материалу при приложении электрического поля, генерирующий электрический ток.
  • Сеть E поле между пластинами уменьшено,
где k называется диэлектрической проницаемостью или относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Обратите внимание, что для вакуума, поскольку E P = 0, k = 1 и поскольку E P < E 0 для всех остальных материалы k > 1.

  • Легко показать, что для плоского конденсатора напряжение (п.г) между пластинами и запасенная энергия уменьшаются в k раз, тогда как емкость увеличилась в k раз.
  • По применению закона Гаусса к параллельной пластине конденсатор с диэлектриком между обкладками может быть показано, что для учета присутствия диэлектрика Закон Гаусса становится

Как правило, когда диэлектрическая среда присутствует везде, где появляется ε 0 , он должен быть заменен по ε 0 к.


Химик, биолог и инженер-электрик находился в камере смертников, ожидая отправки в электрический стул.

Химик был выдвинут первым. — У тебя есть что-нибудь, что ты хочешь сказать? спросил палач, привязывая его. «Нет,» ответил химик. Палач щелкнул выключателем, и ничего не произошло.В соответствии с законодательством этого конкретного штата, если попытка казни терпит неудачу, заключенный должен быть освобожден, поэтому химик был выпущенный.

Потом биолога привезли вперед. — У тебя есть что-нибудь, что ты хочешь сказать? «Не просто давай, — палач щелкнул выключателем, и опять ничего не произошло, поэтому биолога отпустили.

Потом инженер-электрик был выдвинуты.— У тебя есть что-нибудь, что ты хочешь сказать? — спросил палач. — Да, — ответил инженер. «Если ты поменять местами красный и синий провода, может получиться так вещь работа. »


Dr. C.L. Davis
Факультет физики
Университет Луисвилля
электронная почта : [email protected]
 

Диэлектрики – Гиперучебник по физике

Обсуждение

основная идея

Диэлектрики — это простые изоляторы.Эти два слова относятся к одному и тому же классу материалов, но имеют разное происхождение и преимущественно используются в разных контекстах.

  • Поскольку заряды, как правило, не могут легко перемещаться в неметаллических твердых телах, в стекле, керамике и пластике могут образовываться «островки» заряда. Латинское слово для острова insula , которое является источником слова изолятор . Напротив, заряды в твердых металлических телах имеют тенденцию легко двигаться — как будто их кто-то или что-то ведет.Латинская приставка con или com означает «с». Человек, с которым вы едите хлеб, является компаньоном. (На латыни хлеб — panis .) Взять что-то с собой в дорогу — значит передать это. (Латинское слово «дорога» — через .) Человек, с которым вы путешествуете и который ведет вас вперед или обеспечивает безопасный проход, является проводником. (Латинское слово «лидер» — ductor .) Материалом, обеспечивающим безопасное прохождение электрических зарядов, является проводник .
  • Вставка твердого неметаллического слоя между пластинами конденсатора увеличивает его емкость.Греческий префикс di или dia означает «поперек». Линия, проведенная через углы прямоугольника, является диагональю. (Греческое слово для обозначения угла — gonia — γωνία.) Измерение поперек круга — это диаметр. (Греческое слово, обозначающее меру, — метрон — μέτρον.) Материал, помещенный поперек пластин конденсатора наподобие маленького непроводящего моста, представляет собой диэлектрик .

Пластиковое покрытие электрического шнура является изолятором. Стеклянные или керамические пластины, используемые для поддержки линий электропередач и предотвращения их короткого замыкания на землю, являются изоляторами.Почти каждый раз, когда неметаллическое твердое вещество используется в электрическом устройстве, оно называется изолятором. Возможно, слово «диэлектрик» используется только в отношении непроводящего слоя конденсатора.

Диэлектрики в конденсаторах служат трем целям:

  1. для предотвращения соприкосновения проводящих пластин, что позволяет уменьшить расстояние между пластинами и, следовательно, повысить емкость;
  2. для увеличения эффективной емкости за счет уменьшения напряженности электрического поля, а значит, вы получаете тот же заряд при более низком напряжении; и
  3. , чтобы уменьшить вероятность короткого замыкания из-за искрения (более формально известного как пробой диэлектрика) во время работы при высоком напряжении.

что здесь происходит

Когда металл помещается в электрическое поле, свободные электроны текут против поля до тех пор, пока у них не закончится проводящий материал. Совсем скоро у нас будет избыток электронов с одной стороны и дефицит с другой. Одна сторона проводника заряжена отрицательно, а другая положительно. Отпустите поле, и электроны на отрицательно заряженной стороне теперь окажутся слишком близко для комфорта. Одинаковые заряды отталкиваются, а электроны убегают друг от друга так быстро, как только могут, пока не распределятся равномерно по всему телу; в среднем один электрон на каждый протон в пространстве, окружающем каждый атом.Проводящий электрон в металле подобен беговой собаке, отгороженной на пастбище. Они вольны бродить сколько угодно и могут по своей прихоти бегать по всей длине, ширине и глубине металла.

Жизнь электрона в изоляторе гораздо более ограничена. По определению, заряды в изоляторе не могут свободно перемещаться. Это не то же самое, что сказать, что они не могут двигаться. Электрон в изоляторе подобен сторожевой собаке, привязанной к дереву: он может свободно передвигаться, но в определенных пределах. Поместить электроны изолятора в электрическое поле — все равно, что поместить привязанную собаку в присутствии почтальона. Электроны будут напрягаться против поля, насколько это возможно, почти так же, как наша гипотетическая собака будет напрягаться на своем поводке, насколько это возможно. Однако электроны в атомном масштабе больше похожи на облака, чем на собак. Электрон эффективно распределен по всему объему атома и не концентрируется в каком-то одном месте. Я полагаю, хорошую атомную собаку не назвали бы Спот.

Когда атомы или молекулы диэлектрика помещаются во внешнее электрическое поле, ядра толкаются полем, что приводит к увеличению положительного заряда с одной стороны, в то время как электронные облака притягиваются к нему, что приводит к увеличению отрицательного заряда с другой стороны. сторона. Этот процесс известен как поляризация , а диэлектрический материал в таком состоянии называется поляризованным . Существует два основных метода поляризации диэлектрика: растяжение и вращение.

Растяжение атома или молекулы приводит к индуцированному дипольному моменту , добавляемому к каждому атому или молекуле.

Увеличить

Вращение происходит только в полярных молекулах — с постоянным дипольным моментом , как у молекулы воды, показанной на диаграмме ниже.

Увеличить

Полярные молекулы обычно поляризуются сильнее, чем неполярные. Вода (полярная молекула) имеет диэлектрическую прочность в 80 раз больше, чем азот (неполярная молекула, которая является основным компонентом воздуха).Это происходит по двум причинам, одна из которых обычно тривиальна. Во-первых, все молекулы растягиваются в электрическом поле независимо от того, вращаются они или нет. Неполярные молекулы и атомы растягиваются, а полярные молекулы растягиваются на и вращаются. Однако эта комбинация действий оказывает лишь незначительное влияние на общую степень поляризации вещества. Важнее то, что полярные молекулы уже сильно растянуты — естественно. То, как атомы водорода сидят на плечах электронных облаков атома кислорода, искажает молекулу в диполь.Все это происходит на межатомном или молекулярном уровне. При таких крошечных расстояниях напряженность электрического поля относительно велика для того, что в противном случае было бы ничем не примечательным напряжением (например, 13,6 В для электрона в атоме водорода).

Растяжка и вращение — это еще не все, что касается поляризации. Это всего лишь методы, которые проще всего описать случайному наблюдателю. В общем, поляризация диэлектрического материала представляет собой микроскопическую электростатическую деформацию в ответ на макроскопическую электростатическую нагрузку.Внешнее поле, приложенное к диэлектрику, не может заставить заряды двигаться макроскопически, но может растянуть и исказить их микроскопически. Он может толкнуть их в неудобное положение, а при отпускании позволить им вернуться в расслабленное состояние. То, что отличает поляризацию в изоляторе от растяжения упругого тела, подобного пружине, заключается в том, что устранение напряжения не обязательно снимает напряжение. Некоторые изоляторы остаются в своем поляризованном состоянии часами, днями, годами и даже столетиями.Самые длинные характерные времена должны быть экстраполированы из неполных наблюдений более разумной продолжительности. Никто не собирается сидеть и ждать две тысячи лет, пока поляризация куска пластика не сократится до нуля. Это не стоит ждать.

Наконец, важно помнить, что заряды, «хранящиеся» в диэлектрическом слое, не доступны в виде пула свободных зарядов. Для их извлечения вам еще понадобятся металлические пластины. Важно помнить, что единственная причина, по которой кого-то волнует это явление, заключается в том, что оно помогает нам делать более качественные конденсаторы.Думаю, на этом дискуссия должна завершиться.

конденсаторы с диэлектриками

Поместите слой диэлектрика между двумя параллельными заряженными металлическими пластинами с направлением электрического поля справа налево. (Почему не слева направо? Ну, я читаю справа налево, поэтому диаграммы мне легче «читать». ) Положительные ядра диэлектрика будут двигаться с полем вправо, а отрицательные электроны переместит против поля влево.Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах, поэтому электрическое поле внутри каждого находящегося под напряжением атома или молекулы диэлектрика указывает на нашей диаграмме слева направо — противоположно внешнему полю двух металлических пластин. Электрическое поле является векторной величиной, и когда два вектора указывают в противоположных направлениях, вы вычитаете их величины, чтобы получить равнодействующую. Два поля в диэлектрике не полностью нейтрализуются, как в металле, поэтому общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами.

Увеличить

Позвольте мне повторить это — общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами. Давайте займемся математикой.

Электрическое поле — это градиент электрического потенциала (более известный как напряжение).

E x  = —  В    
x
E y  = −  В ⇒  E  = − ∇ V
г
E z  = —  В    
z

Емкость – это отношение заряда к напряжению.

Введение диэлектрика в конденсатор уменьшает электрическое поле, что снижает напряжение, что увеличивает емкость.

С 1  ( Q  константа) ⇒  С    ( d , Q  константа)
В 1
V E  ( d  константа) Е
 

Конденсатор с диэлектриком сохраняет тот же заряд, что и конденсатор без диэлектрика, но при более низком напряжении. Поэтому конденсатор с диэлектриком более эффективен.

ЭТА МАЛЕНЬКАЯ ЧАСТЬ НУЖНА ПОРАБОТЫ.

О первых открытиях лейденской банки. Удаление стержня снижает емкость. (Диэлектрическая проницаемость воздуха ниже, чем у воды.) Напряжение и емкость обратно пропорциональны, когда заряд постоянен. Уменьшение емкости увеличивает напряжение.

восприимчивость, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая проницаемость

Электрический дипольный момент чего-либо — будь то атом, растянутый во внешнем электрическом поле, полярная молекула или две противоположно заряженные металлические сферы — определяется как произведение заряда и разделения.

р  =  q   r

с единицей СИ кулон-метр , у которой нет специального названия.

[см = см]

Поляризация области определяется как дипольный момент на единицу объема

с единицей СИ кулона на квадратный метр .



См  =  С

м 3 м 2

Вычисление поляризации из первых принципов — сложная процедура, которую лучше доверить экспертам.Не беспокойтесь о деталях того, почему поляризация имеет такое значение, просто примите, что она существует и является функцией некоторых переменных. И что это за переменные? Почему они материалы и напряженность поля, конечно. Различные материалы поляризуются в разной степени — мы будем использовать греческую букву χ e [хи-суб-е] для обозначения этой величины, известной как электрическая восприимчивость — но для большинства материалов чем сильнее поле ( E ) , тем больше поляризация ( P ).Добавьте константу пропорциональности ε 0 , и все готово.

P  = ε 0 χ e E

Электрическая восприимчивость — это безразмерный параметр, который зависит от материала. Его значение варьируется от 0 для пустого места до любого. Бьюсь об заклад, есть даже некоторые причудливые материалы, для которых этот коэффициент отрицательный (хотя я точно не знаю). Константа пропорциональности ε 0 [эпсилон ноль] известна как диэлектрическая проницаемость свободного пространства и будет обсуждаться чуть позже.Пока это просто устройство для того, чтобы заставить единицы работать.



С  =  С 2   Н

м 2 Н·м 2 С

НАПИШИТЕ ОСТАЛЬНОЕ.

Величина κ [каппа] безразмерна.

Диэлектрическая проницаемость для выбранных материалов (~300 К, если не указано иное)

материал к
воздух 1. 005364
уксусная кислота 6,2
спирт этиловый (зерновой) 24,55
спирт метиловый (древесный) 32,70
янтарь 2,8
асбест 4,0
асфальт 2,6
бакелит 4,8
кальцит 8,0
карбонат кальция 8.7
целлюлоза 3,7–7,5
цемент ~2
кокаин 3,1
хлопок 1,3
алмаз, тип I 5,87
алмаз, тип IIa 5,66
эбонит 2,7
эпоксидная смола 3,6
мука 3 — 5
фреон 12, −150 °C (жидкий) 3.5
фреон 12, +20 °C (пар) 2,4
германий 16
стекло 4–7
стекло, пирекс 7740 5,0
гуттаперча 2,6
реактивное топливо (реактивное) 1,7
оксид свинца 25,9
ниобат свинца-магния 10 000
сульфид свинца (галенит) 200
титанат свинца 200
дейтерид лития 14. 0
люцит 2,8
слюда, мусковит 5,4
слюда, канадская 6,9
нейлон 3,5
масло льняное 3,4
масло минеральное 2,1
масло оливковое 3,1
масло, нефть 2,0–2,2
масло, силикон 2.5
масло, сперма 3,2
масло, трансформатор 2,2
материал к
бумага 3,3, 3,5
оргстекло 3,1
полиэстер 3,2–4,3
полиэтилен 2,26
полипропилен 2.2–2,3
полистирол 2,55
поливинилхлорид (пвх) 4,5
фарфор 6–8
ниобат калия 700
КТН, 0 °C 34 000
КТН, 20 °C 6000
кварц кристаллический (∥) 4,60
кварц кристаллический (⊥) 4. 51
кварц, плавленый 3,8
каучук, бутил 2,4
резина, неопрен 6,6
резина, силикон 3,2
каучук, вулканизированный 2,9
соль 5,9
селен 6,0
кремний 11,8
карбид кремния (αSiC) 10.2
диоксид кремния 4,5
силиконовое масло 2,7–2,8
почва 10–20
титанат стронция, +25 °C 332
титанат стронция, −195 °C 2080
сера 3,7
пятиокись тантала 27
тефлон 2,1
антимонид олова 147
теллурид олова 1770
диоксид титана (рутил) 114
табак 1. 6–1,7
диоксид урана 24
вакуум 1 (точно)
вода, лед, -30 °C 99
вода жидкая, 0°C 87,9
вода жидкая, 20°C 80,2
вода жидкая, 40°C 73,2
вода жидкая, 60 °C 66,7
вода жидкая, 80 °C 60.9
вода жидкая, 100°C 55,5
воск, пчелиный воск 2,7–3,0
воск карнаубский 2,9
воск, парафин 2,1–2,5
вощеная бумага 3,7
ткани человека к
губчатая кость 26
кость кортикальная 14.5
головной мозг, серое вещество 56
головной мозг, белое вещество 43
головной мозг, мозговые оболочки 58
хрящ общий 22
хрящ уха 47
ткани человека к
глаз, водянистая влага 67
глаз, роговица 61
глаз, склера 67
жир 16
мышцы, гладкие 56
мышца поперечнополосатая 58
кожа 33–44
язык 38

пробой диэлектрика

Любой изолятор можно заставить проводить электричество. Это явление известно как пробой диэлектрика .

Пробой диэлектрика в отдельных материалах

материал поле (МВ/м)
воздух 3
янтарь 90
бакелит 12, 24
алмаз, тип IIa 10
стекло, пирекс 7740 13, 14
слюда, мусковит 160
нейлон 14
масло, силикон 15
масло, трансформатор 12, 27
материал поле (МВ/м)
бумага 14, 16
полиэтилен 50, 500–700, 18
полистирол 24, 25, 400–600
поливинилхлорид (ПВХ) 40
фарфор 4, 12
кварц, плавленый 8
резина, неопрен 12, 12
титанат стронция 8
тефлон 60
диоксид титана (рутил) 6

пьезоэлектрический эффект

Произнесите все гласные. Пьезоэлектричество — это эффект преобразования энергии между механической и электрической формами.

  • Пьезо в переводе с греческого означает давление (πιεζω).
  • Открыт в 1880-х годах братьями Кюри.
  • Недорогие пьезоэлектрические микрофоны. Когда поляризованный кристалл испытывает напряжение, это напряжение создает разность потенциалов. Эта разность потенциалов пропорциональна напряжению, которое пропорционально акустическому давлению.
  • Обратный пьезоэлектрический микрофон представляет собой пьезоэлектрический динамик: зуммер будильника, наручных часов, всевозможные электронные биперы.Когда к поляризованному кристаллу прикладывается электрический потенциал, кристалл подвергается механической деформации, которая, в свою очередь, может создавать акустическое давление.
  • Коллаген является пьезоэлектрическим. «Когда к [костному] коллагену прикладывается сила, генерируется небольшой постоянный электрический потенциал. Коллаген проводит ток в основном за счет отрицательных зарядов. Минеральные кристаллы кости (апатит), близкие к коллагену, проводят ток за счет положительных зарядов. из этих двух типов полупроводников ток легко течет в одном направлении, но не в другом…Считается, что силы, воздействующие на кости, создают потенциалы за счет пьезоэлектрического эффекта и что в соединениях коллаген-апатит возникают токи, которые вызывают и контролируют рост костей. Токи пропорциональны нагрузке (силе на единицу площади), поэтому повышенная механическая нагрузка на кости приводит к ускорению роста». Физика тела (255).
  • .
Микрофоны и принципы их работы
тип звуков производят
изменение в…
, которые вызывают
изменение в…
, что приводит к
изменению в…
уголь плотность гранул сопротивление напряжение
конденсатор разделение пластин емкость напряжение
динамический расположение катушки флюс напряжение
пьезоэлектрический сжатие поляризация напряжение
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.