3.2.2. Твердые диэлектрики

3.2.2.1. Термопласты, или термопластичные полимеры, это группа диэлектриков, обладающих хорошими электрическими свойствами. Это аморф-ные или аморфно-кристаллические полимеры, нерастворимые в воде, мало гигроскопичны, стойки к химически агрессивным средам (кислотам и щелочам). При комнатной температуре они обладают гибкостью и эластичностью. При температурах выше температуры текучести термопласты переходят в вязкотекучее состояние и под действием внешнего давления принимают заданную форму, которую сохраняют после охлаждения. В этом состоянии из них изготавливают различные изделия. Повторный нагрев снова приводит термопласты в пластическое состояние.

Почто все термопласты горючи и изделия из них пожароопасны.

В электроизоляционной технике термопласты применяют для изоляции проводов и кабелей, катушек индуктивности, а также как составную часть клеев, лаков, пластмасс и др. Все термопласты по своему поведению в электрическом поле подразделяются на две группы: термопласты неполярные и полярные.

Неполярные термопласты имеют высокие значения удельного объемного сопротивления электрической прочности и низкие диэлектрические потери. Неполярные термопласты относятся к классу высокочастотных диэлектриков.

Полиэтилен (ПЭ) – бесцветный прозрачный продукт полимеризации газообразного этилена. Они пожароопасны, горят голубоватым пламенем с запахом горящей парафиновой свечи.

Различные марки полиэтилена, отличаются плотностью, индексом расплава, наличием или отсутствием стабилизаторов. Отдельные партии ПЭ окрашивают в различные цвета. ПЭ обладает высокой водостойкостью. Изделия из него, находящиеся длительное время в напряженном состоянии, могут растрескиваться. На стойкость к растрескиванию влияют продолжительность действия нагрузки, температура и окружающая среда.

Полиэтилен широко используется в производстве разнообразных проводов и кабелей, в том числе высокочастотных и силовых.

Полипропилен (ПП) – бесцветный материал высокой прозрачности для видимого света.

Пропилен, в сравнении с ПЭ имеет более высокую нагревостойкость и прочность при растяжении, большую твердость и жесткость. При комнатной температуре ПП нерастворим в органических растворителях, устойчив к действию кислот и щелочей, а также минеральных и растительных масел. Меньше, чем ПЭ, подвержен растрескиванию под действием агрессивных сред. Электрические свойства полипропилена того же порядка, что и у полиэтилена.

Полистирол (ПС) – это твердый аморфный продукт полимеризации стирола (винилбензола). Полистирол пожароопасен, горит с образование сильнокоптящего пламени.

Полистирол – один из первых синтетических материалов, используемых в электро- и радиотехнике, хороший диэлектрик. Его электрические свойства не зависят от влажности окружающей среды и температуры в пределах от – 80 до + 90С. Обладает высокой стойкостью к действию кислот, щелочей, солей и спиртов. Относительно хрупок и при старении хрупкость увеличивается. Для снижения хрупкости в ПС вводят до 8% каучука. Полученный материал называют «ударопрочным полистиролом». Удельная ударная вязкость повышается в 2 – 3 раза и увеличиваются показатели других физико-механических свойств.

Полистирол широко используют в технике высоких и сверхвысоких частот как диэлектрик с очень низкими потерями. Из него изготавливают каркасы катушек индуктивности, изоляцию высокочастотных кабелей, лаки, компаунды. Очень широко применяют ПС в производстве электрических конденсаторов.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ). При нагревании он практически не плавится, а при температуре 415С начинает разлагаться с выделением ядовитых газов. Твердость по Бринеллю составляет 30 – 40 МПа, а удельная ударная вязкость до 100 кД/м

2 – это полимер молочно-белого цвета, отечественное название – фторопласт-4, а за рубежом – тефлон.

ПТФЭ негорюч, не растворяется ни в каких растворителях, негигроскопичен и не смачивается водой, имеет высокую стойкость к кислотам и щелочам. На него не действует даже НNО₃ и HCl (царская водка).

ПТФЭ – хороший диэлектрик, его электрические свойства не меняются в пределах от – 60 до +200С и в широком интервале частот вплоть до СВЧ включительно. Из него изготавливают пленки различной толщины, использующиеся в качестве ВЧ – изоляции, в производстве термо- и влагостойких электрических конденсаторов и кабелей. Применяют для изготовления сплошной, тонкой (эмалевой) изоляции проводов, пластин, дисков, прокладок и других уплотнительных деталей.

Полярные термопласты характеризуются повышенными значениями диэлектрической проницаемости и большими диэлектрическими потерями, которые зависят от температуры и частоты напряжения. Удельное сопротивление и электрическая прочность у них ниже, чем у неполярных материалов.

Политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ) – слабополярный диэлектрик, практически негорюч, отечественное название – фторопласт-3. В сравнении с фторопластом-4 имеет более высокую эластичность и удельную ударную вязкость. Применяется ПТФХЭ в кабельной технике и конденсаторостроении, для изготовления сложных по форме радиоэлектротехнических деталей.

Поливинилхлорид (ПВХ) – практически негорюч, стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Выпускается под названием «винипласт». Это листовой или трубчатый материал, легко сваривается или склеивается, в том числе с металлами. Используется для изоляции проводов, защитной оболочки кабелей и т. п.

Полиакрилаты

(ПАК) – представляют собой термопластичный, аморфный, прозрачный и бесцветный материал, имеющий хорошую холодо-, масло- и щелочестойкость. Наиболее распространенным из этой группы материалов является полиметилметакрили (ПММА), известный под названием органическое стекло (плексиглас).

Блочный ПММА поддается формованию и вытяжке при температуре 120С и выше. Его используют в приборостроении обычно в качестве вспомогательного конструкционного материала либо электроизоляционного, но при низких частотах и в слабых полях. ПММА используют в переключателях и разрядниках высокого напряжения. Применяют для изготовления шкал приборов и линз, пленок, клеев и лаков. Выпускают в виде листов различной толщины, стержней, листовых блоков и т. п. Он растворяется в дихлоэтане и ацетоне. ПММА горит, при горении потрескивает.

3.2.2.2. Реактопласты, или термореактивные полимеры (смолы) – это такие материалы, которые при нагревании претерпевают необратимые изменение свойств. Материал при этом отверждается – переходит из расплавленного состояния в твердое. При повторном нагревании он уже не плавится, в растворителях не растворяется. Отверждение происходит при помощи специальных веществ – отвердителей, вводимых в материал. Электрические свойства их примерно такие же, что и у полярных термопластов.

Эпоксидные смолы (ЭП) – полярный диэлектрик, это очень большая группа материалов. Все ЭП смолы в исходном состоянии растворяются в ацетоне и ряде других растворителей. Они могут длительное время храниться без изменения свойств. Если к ним добавить отвердитель (1:10), то произойдет отверждение. Отверждение происходит за счет процессов полимеризации без выделения побочных продуктов.

В зависимости от типа отвердителя ЭП смолы могут отверждаться при комнатной температуре «холодное отверждение», либо при нагревании до 80 – 150С «горячее отверждение». Отвердители горячего отверждения дают возможность получить полимеры с более высокими электрическими и механическими характеристиками и с большей нагревостойкостью.

ЭП смолы широко применяют в электро- и радиотехнике в качестве электроизоляционных и герметизирующих материалов. Они обладают высокой адгезией к различным материалам (металлам, органическим стеклам, керамике, пластмассам и т. п.). Их используют для изготовления клеев, лаков и различных компаундов. Пленки из ЭП смол отличаются высокой механической прочностью, химической стойкостью и стойкостью к атмосферным воздействиям.

3.2.2.3. Резины – вулканизированная многокомпонентная система на основе каучуков. Из-за своей высокой эластичности резины относятся к классу эластомеров. Отличительной особенностью эластомеров является высокая эластичность. К ним принадлежат такие материалы как полиуретаны, некоторые виды кремнийорганических полимеров и др. Вулканизация каучуков протекает при температуре 138 – 200С. Каучуки вулканизируют, чтобы устранить их пластичность и повысить эластичность (упругость). У технических резин относительное удлинение при разрыве составляет 150 – 500 % и сохраняется при температуре от – 40 до – 60С.

При изготовлении резины в ее состав, кроме каучука, вводят вулканизирующие агенты (серу или тиурам, а чаще их смесь), ускорители вулканизации, наполнители (мел, тальк, каолин, окись цинка и др.), которые улучшают механические свойства и удешевляют резину (наполнители дешевле каучуков в 20 –70 раз), а также мягчители (стеарин, парафин) – для улучшения технологических свойств, антиокислители, красители и другие ингредиенты, которые составляют вместе до 65% и более, а остальное каучук.

В зависимости от количества серы, вводимой в каучук, различают резину мягкую и твердую. Мягкая резина содержит 1 – 3 % серы и обладает высокой эластичностью, твердая резина – «эбонит» содержит 30 – 35% серы – это твердый материал с высокой стойкостью к ударным нагрузкам, но низким относительным удлинением при разрыве (2 – 5 %).

Резина широко используется в производстве проводов и кабелей, диэлектрических перчаток, галош и т. п. Ее существенный недостаток – низкая стойкость к действию озона, кислорода, света (особенно ультрафиолетового), тепла, электрических разрядов. Под действием этих факторов резина стареет, становится хрупкой и растрескивается. Если старение резины вызвано термоокислительной деструкцией, то она размягчается и становится липкой. При непосредственном контакте резины с медью сера взаимодействует с ней образуя сернистую медь. В таких случаях жила провода покрывается слоем оловянно – свинцового припоя. В кабельной технике используют также резины содержащие сажу. Они имеют черный цвет и стойки к действию солнечного света, обладают хорошими механическими свойствами, но очень низкими электроизоляционными. Такие резины используют только в качестве шланговой изоляции кабелей.

3.2.2.4. Пластические массы. Пластмассы – это композиционные материалы, состоящие из связующего полимера, наполнителей и других ингредиентов. При эксплуатации они находятся в стеклообразном или кристаллическом состоянии. Основными их компонентами являются связующее и наполнители.

Связующее образует матрицу, которая объединяет в единое целое все составные части пластмассы и в значительной мере обуславливает комплекс ее свойств.

В качестве связующего используют органические смолы синтетические или природные, термопластичные или термореактивные, способные при нагреве и одновременном воздействии давления формоваться и приобретать заданную форму.

Наполнители образуют прерывистую фазу, прочно сцепленную связующим. По своей природе они разделяются на органические и неорганические, которые бывают порошкообразные, волокнистые и листовые.

К органическим порошкообразным наполнителям относятся древесная мука, лигнин и другие дисперсные материалы. К волокнистым – хлопковые и льняные очесы, синтетические волокна, текстильная и бумажная крошка. К листовым – бумага, ткань.

К неорганическим порошкообразным наполнителям относятся молотые слюда и горные породы, тальк, каолин, кальций, кварцевая мука и др. К волокнистым – стекловолокно, длинноволокнистый асбест. К листовым – слюда, стеклоткань. Наполнители улучшают механические характеристики пластмасс и удешевляют их. В пластмассы, от которых требуются высокие электроизоляционные свойства, наполнители обычно не вводят.

Кроме наполнителя, в пластмассы для придания им тех или иных свойств вводят пластификаторы, отвердители, смазывающие вещества и другие специальные добавки. Таким образом, пластмасса является многокомпонентной системой.

Слоистые пластики – пластмассы, в которых наполнителем является листовой волокнистый материал: бумага, ткань, нетканый материал с параллельно расположенными слоями, что определяет анизотропию их свойств. Производят слоистые пластики листового строения, профильные и в виде трубок и цилиндров. Последние называют намотанными изделиями. В зависимости от химической природы связующего и наполнителя электрические свойства электроизоляционных слоистых пластиков могут изменяться в широких пределах.

Наиболее распространенные виды этого материла: гетинакс и текстолит.

Гетинакс слоистый пластик полученный прессованием бумаги в несколько слоев, пропитанной феноло- или крезолоформальдегидными смолами, или их смесями. Его прессуют при температуре 150 – 160С, при которой алигомер расплавляется, заполняет поры между листами и волокнами и затвердевает.

Гетинакс на основе полиэтилентерафталатной бумаги и эпоксидной смолы имеет высокую влагостойкость механические и электрические свойства.

Текстолит – слоистый пластик изготовленный из нескольких слоев ткани, предварительно пропитанной каким-либо реактопластом. В качестве наполнителя используются ткани: хлопчатобумажная, стеклянная (стеклотекстолит), полиэтилентерефталатная (лавсановый текстолит), асбестовая (асботекстолит), а также нетканые материалы.

Наиболее распространен текстолит на основе хлопчатобумажной ткани. У него более высокие значения удельной ударной вязкости, стойкости к истиранию, чем у гетинакса. Электрические свойства у них одинаковы. Стоимость текстолита в несколько раз выше; поэтому его целесообразно использовать для изделий подвергающихся ударным нагрузкам и истиранию (детали переключателей и т. п.). У стеклотекстолита электрическая прочность в три раза выше, чем у текстолита из хлопчатобумажной ткани.

3.2.2.5. Керамические диэлектрики. Керамикой называют неорганические материалы, полученные путем спекания измельченных и тщательно перемешанных различных минералов и окислов металлов. Необходимым компонентом большинства видов керамики являются глинистые вещества.

Изменяя состав исходных компонентов керамики и технологию ее производства, получают материалы с разнообразными электрическими и механическими свойствами и различного назначения: керамику конденсаторную и установочную (изоляторную), низкочастотную и высокочастотную, низковольтную и высоковольтную, высокой нагревостойкости и т. п.

Низкочастотная установочная керамика применяется для изготовления разнообразных низковольтных и высоковольтных изоляторов (переменного тока до напряжения 1150 кВ и постоянного – до напряжения 1500 кВ): штыревых и подвесных, опорных и проходных. Эта керамика обладает более низкими электрическими и механическими свойствами, но из нее можно изготавливать изделия сложной конфигурации.

Основным представителем этой керамики является электротехнический фарфор. В его состав входят: глина – 50 %, кварц – 25 % и полевой шпат – 25 %. С повышением температуры электрические и механические свойства электрофарфора значительно снижаются после длительного воздействия постоянного напряжения. У подвесных изоляторов ЛЭП переменного тока, проработавших 20 – 30 лет, наблюдается потускнение глазури и краев шапки и появление на глазури микротрещин.

К низкочастотной установочной керамики относится высоковольтная стеатитовая керамика, изготовленная на основе минерала талька, глинистых веществ и окиси бария. Эта керамика в сравнении с электротехническим фарфором, имеет повышенные электрические и механические свойства. Она применяется там, где необходима повышенная механическая прочность, а также при изготовлении высокочастотных высоковольтных изоляторов.

Кроме электротехнического фарфора и стеатитовой керамики к этой группе материалов относится термодугостойкая керамика, способная многократно выдерживать большие термоудары. Она используется для изготовления специальных изоляторов электронагревательных устройств, высоковольтных выключателей и т. п.

Этими сведениями не ограничивается группа диэлектрических материалов. Эти материалы, их составы и свойства рассматриваются более подробно при изучении специальных электротехнических дисциплин.

studfile.net

Твердые диэлектрики. Виды, свойства, применение. — КиберПедия

(картон Твердые диэлектрики — это чрезвычайно широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, теплофизическими, механическими свойствами. Например, диэлектрическая проницаемость меняется от значения, незначительно превышающего 1, до более чем 50000, в зависимости от типа диэлектриков: неполярный, полярный, сегнетоэлектрик. В главе 1 приводились определения различных типов диэлектриков. Вкратце коснемся этих определений применительно к твердым диэлектрикам.

Неполярный диэлектрик — вещество, содержащее молекулы с преимущественно ковалентной связью.

Полярный диэлектрик — вещество, содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры.

Сегнетоэлектрик — вещество, имеющее в составе области со спонтанной поляризацией.

Механизмы поляризации у них резко различаются:

— чисто электронная поляризация у неполярных диэлектриков типа полиэтилена, полистирола, при этом e-мала, не более 3, диэлектрические потери тоже малы;

— ионная поляризация у ионных кристаллов типа NaCl или дипольная у полярных диэлектриков типа льда, при этом e может находиться в пределах от 3-4 до 100, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на частотах вращения диполей и других резонансных частотах;

— доменная поляризация у сегнетоэлектриков — при этом e максимальна и может достигать 10000-50000, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на резонансных частотах и в области повышенных частот.

Особенности механизмов проводимости в твердых диэлектриках — концентрация носителей очень мала, подвижность ионов в гомогенных материалах очень мала, подвижность электронов в чистых материалах велика, в технически чистых — мала. Механизмы электропроводности различны в разных веществах. Ионная проводимость реализуется у полидисперсных диэлектриков, бумага, гетинакс, дерево) и ионных кристаллов. В первом случае ионы передвигаются по границам раздела, образованным слипшимися дисперсными частицами. Появление носителей заряда сильно связано с влажностью этих материалов и определяется, как рассматривалось в лекциях 2 и 9 диссоциацией примесей и полярных групп основного вещества на поверхности раздела. В случае ионных кристаллов, в проводимости участвуют ионы основного вещества, примесей, дефекты структуры. Электронная проводимость реализуется у титанатов бария, стронция и т.д., электронная, дырочная и ионная проводимость у полимеров.

Термопласты — размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую технологию термопрессования. При этом гранулы исходного полимера помещают в камеру термопласт — автомата, нагревают до температуры размягчения, прессуют и охлаждают. Так делают мелкие диэлектрические детали. Для крупногабаритных изделий, типа кабелей, полутвердый расплав выдавливают через фильеру вместе с внутренним электродом кабеля

Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен H-(CH₂)_nH. Полиэтилен производят путем полимеризации газа этилена при повышенных давлениях и температурах. В основном используются две технологии. Исторически первой была технология получения полиэтилена при высоком давлении до 250 МПа и температуре до 300 °С с помощью инициирующих агентов-окислителей. При этом получается т.н. полиэтилен высокого давления ПЭВД, для которого используется и другое название — полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). В настоящее время более распространена технология получения полиэтилена с помощью катализаторов при невысоком давлении до 1 МПа, невысокой температуре до 80 °С. При этом получается т.н. полиэтилен низкого давления ПЭНД, для которого используется и другое название — полиэтилен высокого плотности (ПЭВП). Главное отличие полученных продуктов с физико-химической точки зрения — повышенная водостойкость ПЭНД по сравнению с ПЭВД. .

Рядом уникальных свойств обладает фторопласт (политетрафторэтилен). Он химически инертен, не растворяется в растворителях, вплоть до температуры 260 °С, абсолютно не смачивается водой, не гигроскопичен. Недостатки — не стоек под действием радиации, обладает хладотекучестью.

Реактопласты — при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинаются разрушаться. Изделия из них обычно делают различными способами. Одна из распространенных дешевых технологий заключается в следующем. Сначала готовят пресс-порошки полимера. Затем пресс порошок засыпают в пресс-форму и прессуют при определенном давлении и температуре. При этом возникает сцепление между деформированными частицами, и после охлаждения материал готов к использованию. Возможно проведение полимеризации из исходных компонентов в заранее подготовленных формах.

Эпоксидные полимерыобладают хорошей механической прочностью, удовлетворительными электрофизическими характеристиками. Они являются полярными диэлектриками, некоторые марки эпоксидных материалов имеют диэлектрическую проницаемость до 16. Высокая полярность приводит к слабой водостойкости. Главное преимущество эпоксидных компаундов — простота технологии приготовления. Компаунды холодного отвержения получают смешиванием эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора. В период времени до начала твердения (от минут до часов) жидкую композицию можно заливать в требуемую форму. Часто компаунд используют для ремонта диэлектрических деталей в качестве клея.

Из других полимеров-реактопластов отметим диэлектрический материал с высокой механической прочностью — капролон, с большим диапазоном рабочих температур (-100°С до +250°С) — полиимиды и композиты на их основе.

Билет 17

cyberpedia.su

Свойства твердых диэлектриков

E = E0 − χE , (14)

или

E0 = E(1+ χ) . (15)

Величину

ε = 1+ χ (16)

называют диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Кроме того, электрическое поле в
веществе характеризуют величиной		r	которую	называют вектором электрической
		D ,
индукции или электрическим смещением:
		r	r
		D = εε0 E , (17)
и, следовательно
r	r r		r	r
D = ε0 E + P или			D = ε0 (1	+ χ)E . (18)
В вакууме χ = 0,ε = 1. В	веществе	χ > 0,ε > 1.		Эти параметры зависят от свойств

диэлектрика, от условий, в которых он находится, например, от температуры, давления, напряженности поля E и др.

Плотные среды (жидкости, твердые тела) поляризуются заметно сильнее, чем газы. Это объясняется, во-первых, тем, что с возрастанием плотности вещества увеличивается концентрация микроскопических диполей, а во-вторых, тем, что при плотном расположении частицы сильнее влияют друг на друга, т.е. внешнее поле воздействует на частицу не только непосредственно, но и через изменения внутренних полей, создаваемых окружением частицы.

У поляризации твердых тел есть своя специфика, связанная с анизотропией. В анизотропной твердой среде поле и поляризованность могут не совпадать по направлению. Это наблюдается у некоторых монокристаллов.

Специфическим свойством твердого состояния является его способность сохранять в некоторых случаях поляризацию без внешнего поля. Вещества, обладающие таким свойством, называют электретами. Это электрические аналоги постоянных магнитов. Один из способов получения электретов – термический. Он годится для веществ, состоящих из полярных молекул, поляризуемость которых зависит от температуры. Таким веществом является, например, воск. Если его поляризовать при высокой температуре в электрическом поле, а затем охлаждать, не выключая поле, до такой температуры, что диполи потеряют способность вращаться, то образовавшиеся на его поверхности поляризационные заряды сохраняются и после выключения поля в течение длительного времени (часы, дни, и даже годы). Со временем поляризация электрета исчезает, т.к. свободные заряды из воздуха притягиваются к его поверхности и нейтрализуют поляризационные заряды. При нагревании электрета ориентация дипольных моментов приобретает все более хаотичный характер, и поляризация исчезает; поверхностные заряды осевших ионов создают собственное электрическое поле. Такой эффект называют пироэлектричеством.

В некоторых твердых диэлектриках, построенных определенным образом из полярных молекул (жестких диполей), было обнаружено явление, получившее название пьезоэлектричества. Если кристалл такого вещества (например, кварца или турмалина) подвергнуть упругой деформации (сжатию или растяжению), то составляющие его молекулярные диполи могут определенным образом поворачиваться и изменять поляризацию кристалла. При этом на противоположных гранях кристалла появляются связанные заряды, создающие электрическое поле и разность потенциалов между этими гранями. При переходе от растяжения к сжатию и обратно меняется знак поляризации возникающей разности потенциалов. Объяснить это явление можно следующим образом. Решетку всякого кристалла можно представить в виде нескольких простых решеток вставленных одна в другую. Если кристалл не имеет центра симметрии, то при деформации

смещаются решетки	и кристалл поляризуется. В	подобных кристаллах обязательно
наблюдается обратный пьезоэлектрический эффект –		электрострикция: если к кристаллу

приложить внешнюю разность потенциалов, то вследствие поворота диполей будут наблюдаться деформации растяжения или сжатия.

Указанные эффекты нашли применение в системах, превращающих механические воздействия в электрические сигналы и обратно (микрофоны, манометры, генераторы и приемники ультразвука).

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ И ИХ СВОЙСТВА

В некоторых твёрдых веществах, имеющих кристаллическую структуру, электрические моменты молекул коллективизируются таким образом, что создают самостоятельные поляризованные до насыщения области- домены, линейные размеры которых не превышают 10-5 м. Направления электрических моментов определённых доменов определяются симметрией кристаллов, поэтому результирующая поляризация всего кристалла обычно равна нулю. Поляризация такого образца во внешнем поле происходит, во-первых, за счёт смещения границ доменов и роста размеров тех из них, из которых векторы электрических моментов близки по направлению к направлению напряжённости поля, и, во-вторых, за счёт ориентации моментов доменов по полю. Это приводит к огромному эффекту усиления поляризации, а диэлектрическая проницаемость таких кристаллов достигает значений (5-10)*104. Типичным представителем таких веществ является сегнетова соль ( NaKC4 h5O6 4h3O) , поэтому все вещества, обладающие

подобными свойствами, стали называть сегнетоэлектриками. К ним относится титанат бария ( BaTiO2 ) и дигидрофосфат калия (Kh3 PO4 ). Сегнетоэлектрики являются

электрическими аналогами ферромагнитных материалов, поэтому нередко их называют

ферроэлектриками. Наиболее интересны следующие свойства сегнетоэлектриков:

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры.

1. Для них характерно резкое возрастание относительной диэлектрической проницаемости в определённом интервале температур (рис. 3). В отличие от других полярных диэлектриков, у которых диэлектрическая проницаемость обратно пропорциональна абсолютной температуре, у сегнетоэлектриков она меняется обратно пропорционально разности между абсолютной и критической температурами (закон Кюри-Вейсса):

ε −1	9	, (19)
	β (T − TK )

где β – константа, величина коэффициента теплового расширения, приблизительно равная 10−5 ÷10−6 град−1 ; TK – температура Кюри.

Если увеличить температуру вышеTK , то сегнетоэлектрик теряет свои свойства.

2. У сегнетоэлектрика наблюдается нелинейная зависимость поляризованности P образца от напряженности внешнего электрического поля E (рис. 4). В достаточно сильных полях достигается состояние насыщения, когда поляризованность P образца не меняется при дальнейшем увеличении E .

Рис. 4. Зависимость поляризованности сегнетоэлектрика от напряженности внешнего электрического поля. PS — поляризованность при насыщении.

3. Зависимость электрического смещения D от напряженности E (рис. 5) носит сложный характер, и линейная связь между D и E существует лишь при больших значениях E , когда сегнетоэлектрик достигает состояния насыщения, т.е. при P = PS .

Рис.5. Зависимость электрической индукции в сегнетоэлектрике от напряженности поля.

4. Относительная диэлектрическая проницаемость ε и диэлектрическая восприимчивость χ сегнетоэлектриков являются функциями напряженности E в веществе (рис. 6), достигая значений порядка 104 ÷105 в области несильных полей.

Рис.6. Типичная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности поля.

5. Для сегнетоэлектриков характерно явление гистерезиса (запаздывания), состоящее в

различии значений	P и	D при одном и том же значении E в зависимости от величины
предварительной поляризованности образца (рис. 7).
С увеличением E поляризованность неполяризованного образца возрастает от P = 0 при
E = 0 до PH при насыщении. При уменьшении E до нуля поляризованность не исчезает, а
лишь уменьшается	до	значения Pr , называемого остаточной поляризованностью.

Поляризация полностью исчезает лишь под действием электрического поля противоположного направления, величина которого− EC . Величину EC называют

коэрцитивной силой, а наблюдаемую кривую при циклическом изменении напряженности E

– петлей гистерезиса.

Рис. 7. Петля гистерезиса.

Периодическое изменение поляризации сегнетоэлектрика при изменении поля связано с затратой энергии, которая в конечном счете идет на нагревание вещества. Площадь петли гистерезиса пропорциональна теплоте, выделяющейся в единице объема сегнетоэлектрика за

один цикл изменения его поляризации. По ширине петли судят о свойстве сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектрики с широкой петлей называют жесткими (из них делают электреты), а с узкой – мягкими (применяют для изготовления конденсаторов).

6. Существует предельная температура, выше которой свойства сегнетоэлектриков исчезают. Эту температуру называют точкой Кюри. Существуют сегнетоэлектрики с несколькими точками Кюри. В точке Кюри происходит фазовое превращение вещества. Оно переходит из спонтанно поляризованной фазы в неполяризованную (разрушение доменов) или наоборот.

Сегнетоэлектрики находят широкое применение в современной электро- и радиотехнике. Их используют для изготовления конденсаторов, емкость которых очень велика (из-за огромных значений диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика) и зависит от приложенного напряжения. Такие конденсаторы называют варикондами. Их используют при устройстве стабилизаторов напряжения, в электронно-вычислительных машинах как “ячейки памяти”. Титанат бария из-за его химической устойчивости и механической прочности, а также из-за сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале нашел большое техническое применение (например, в качестве генератора и приемника ультразвуковых волн).

ОПИСАНИЕ МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ.

Исследуемый сегнетоэлектрик — триглицинсульфат (ТГС-49).

На схеме установки видно, что исследуемые элементы сегнетоэлектрика С1 и С2 и эталонный конденсатор СЭ с помощью переключателя П включаются последовательно с конденсатором Со а т.к. Со>>С, то практически все подводимое к схеме напряжение будет приложено к исследуемому образцу С1 (С2). Напряжение с конденсатора Со подается на пластины “У” осциллографа. На конденсаторе при этом сосредотачивается заряд Q = CoUo, но при последовательном соединении такой же заряд сосредоточен на С1 (С2) и СЭ. Заряд Q и электрическое смещение D, возникающее в образце связаны соотношением Q=DS (S-

studfile.net

Свойства твердых диэлектриков

E = E0 − χE , (14)

или

E0 = E(1+ χ) . (15)

Величину

ε = 1+ χ (16)

называют диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Кроме того, электрическое поле в
веществе характеризуют величиной		r	которую	называют вектором электрической
		D ,
индукции или электрическим смещением:
		r	r
		D = εε0 E , (17)
и, следовательно
r	r r		r	r
D = ε0 E + P или			D = ε0 (1	+ χ)E . (18)
В вакууме χ = 0,ε = 1. В	веществе	χ > 0,ε > 1.		Эти параметры зависят от свойств

диэлектрика, от условий, в которых он находится, например, от температуры, давления, напряженности поля E и др.

Плотные среды (жидкости, твердые тела) поляризуются заметно сильнее, чем газы. Это объясняется, во-первых, тем, что с возрастанием плотности вещества увеличивается концентрация микроскопических диполей, а во-вторых, тем, что при плотном расположении частицы сильнее влияют друг на друга, т.е. внешнее поле воздействует на частицу не только непосредственно, но и через изменения внутренних полей, создаваемых окружением частицы.

У поляризации твердых тел есть своя специфика, связанная с анизотропией. В анизотропной твердой среде поле и поляризованность могут не совпадать по направлению. Это наблюдается у некоторых монокристаллов.

Специфическим свойством твердого состояния является его способность сохранять в некоторых случаях поляризацию без внешнего поля. Вещества, обладающие таким свойством, называют электретами. Это электрические аналоги постоянных магнитов. Один из способов получения электретов – термический. Он годится для веществ, состоящих из полярных молекул, поляризуемость которых зависит от температуры. Таким веществом является, например, воск. Если его поляризовать при высокой температуре в электрическом поле, а затем охлаждать, не выключая поле, до такой температуры, что диполи потеряют способность вращаться, то образовавшиеся на его поверхности поляризационные заряды сохраняются и после выключения поля в течение длительного времени (часы, дни, и даже годы). Со временем поляризация электрета исчезает, т.к. свободные заряды из воздуха притягиваются к его поверхности и нейтрализуют поляризационные заряды. При нагревании электрета ориентация дипольных моментов приобретает все более хаотичный характер, и поляризация исчезает; поверхностные заряды осевших ионов создают собственное электрическое поле. Такой эффект называют пироэлектричеством.

В некоторых твердых диэлектриках, построенных определенным образом из полярных молекул (жестких диполей), было обнаружено явление, получившее название пьезоэлектричества. Если кристалл такого вещества (например, кварца или турмалина) подвергнуть упругой деформации (сжатию или растяжению), то составляющие его молекулярные диполи могут определенным образом поворачиваться и изменять поляризацию кристалла. При этом на противоположных гранях кристалла появляются связанные заряды, создающие электрическое поле и разность потенциалов между этими гранями. При переходе от растяжения к сжатию и обратно меняется знак поляризации возникающей разности потенциалов. Объяснить это явление можно следующим образом. Решетку всякого кристалла можно представить в виде нескольких простых решеток вставленных одна в другую. Если кристалл не имеет центра симметрии, то при деформации

смещаются решетки	и кристалл поляризуется. В	подобных кристаллах обязательно
наблюдается обратный пьезоэлектрический эффект –		электрострикция: если к кристаллу

приложить внешнюю разность потенциалов, то вследствие поворота диполей будут наблюдаться деформации растяжения или сжатия.

Указанные эффекты нашли применение в системах, превращающих механические воздействия в электрические сигналы и обратно (микрофоны, манометры, генераторы и приемники ультразвука).

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ И ИХ СВОЙСТВА

В некоторых твёрдых веществах, имеющих кристаллическую структуру, электрические моменты молекул коллективизируются таким образом, что создают самостоятельные поляризованные до насыщения области- домены, линейные размеры которых не превышают 10-5 м. Направления электрических моментов определённых доменов определяются симметрией кристаллов, поэтому результирующая поляризация всего кристалла обычно равна нулю. Поляризация такого образца во внешнем поле происходит, во-первых, за счёт смещения границ доменов и роста размеров тех из них, из которых векторы электрических моментов близки по направлению к направлению напряжённости поля, и, во-вторых, за счёт ориентации моментов доменов по полю. Это приводит к огромному эффекту усиления поляризации, а диэлектрическая проницаемость таких кристаллов достигает значений (5-10)*104. Типичным представителем таких веществ является сегнетова соль ( NaKC4 h5O6 4h3O) , поэтому все вещества, обладающие

подобными свойствами, стали называть сегнетоэлектриками. К ним относится титанат бария ( BaTiO2 ) и дигидрофосфат калия (Kh3 PO4 ). Сегнетоэлектрики являются

электрическими аналогами ферромагнитных материалов, поэтому нередко их называют

ферроэлектриками. Наиболее интересны следующие свойства сегнетоэлектриков:

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры.

1. Для них характерно резкое возрастание относительной диэлектрической проницаемости в определённом интервале температур (рис. 3). В отличие от других полярных диэлектриков, у которых диэлектрическая проницаемость обратно пропорциональна абсолютной температуре, у сегнетоэлектриков она меняется обратно пропорционально разности между абсолютной и критической температурами (закон Кюри-Вейсса):

ε −1	9	, (19)
	β (T − TK )

где β – константа, величина коэффициента теплового расширения, приблизительно равная 10−5 ÷10−6 град−1 ; TK – температура Кюри.

Если увеличить температуру вышеTK , то сегнетоэлектрик теряет свои свойства.

2. У сегнетоэлектрика наблюдается нелинейная зависимость поляризованности P образца от напряженности внешнего электрического поля E (рис. 4). В достаточно сильных полях достигается состояние насыщения, когда поляризованность P образца не меняется при дальнейшем увеличении E .

Рис. 4. Зависимость поляризованности сегнетоэлектрика от напряженности внешнего электрического поля. PS — поляризованность при насыщении.

3. Зависимость электрического смещения D от напряженности E (рис. 5) носит сложный характер, и линейная связь между D и E существует лишь при больших значениях E , когда сегнетоэлектрик достигает состояния насыщения, т.е. при P = PS .

Рис.5. Зависимость электрической индукции в сегнетоэлектрике от напряженности поля.

4. Относительная диэлектрическая проницаемость ε и диэлектрическая восприимчивость χ сегнетоэлектриков являются функциями напряженности E в веществе (рис. 6), достигая значений порядка 104 ÷105 в области несильных полей.

Рис.6. Типичная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности поля.

5. Для сегнетоэлектриков характерно явление гистерезиса (запаздывания), состоящее в

различии значений	P и	D при одном и том же значении E в зависимости от величины
предварительной поляризованности образца (рис. 7).
С увеличением E поляризованность неполяризованного образца возрастает от P = 0 при
E = 0 до PH при насыщении. При уменьшении E до нуля поляризованность не исчезает, а
лишь уменьшается	до	значения Pr , называемого остаточной поляризованностью.

Поляризация полностью исчезает лишь под действием электрического поля противоположного направления, величина которого− EC . Величину EC называют

коэрцитивной силой, а наблюдаемую кривую при циклическом изменении напряженности E

– петлей гистерезиса.

Рис. 7. Петля гистерезиса.

Периодическое изменение поляризации сегнетоэлектрика при изменении поля связано с затратой энергии, которая в конечном счете идет на нагревание вещества. Площадь петли гистерезиса пропорциональна теплоте, выделяющейся в единице объема сегнетоэлектрика за

один цикл изменения его поляризации. По ширине петли судят о свойстве сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектрики с широкой петлей называют жесткими (из них делают электреты), а с узкой – мягкими (применяют для изготовления конденсаторов).

6. Существует предельная температура, выше которой свойства сегнетоэлектриков исчезают. Эту температуру называют точкой Кюри. Существуют сегнетоэлектрики с несколькими точками Кюри. В точке Кюри происходит фазовое превращение вещества. Оно переходит из спонтанно поляризованной фазы в неполяризованную (разрушение доменов) или наоборот.

Сегнетоэлектрики находят широкое применение в современной электро- и радиотехнике. Их используют для изготовления конденсаторов, емкость которых очень велика (из-за огромных значений диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика) и зависит от приложенного напряжения. Такие конденсаторы называют варикондами. Их используют при устройстве стабилизаторов напряжения, в электронно-вычислительных машинах как “ячейки памяти”. Титанат бария из-за его химической устойчивости и механической прочности, а также из-за сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале нашел большое техническое применение (например, в качестве генератора и приемника ультразвуковых волн).

ОПИСАНИЕ МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ.

Исследуемый сегнетоэлектрик — триглицинсульфат (ТГС-49).

На схеме установки видно, что исследуемые элементы сегнетоэлектрика С1 и С2 и эталонный конденсатор СЭ с помощью переключателя П включаются последовательно с конденсатором Со а т.к. Со>>С, то практически все подводимое к схеме напряжение будет приложено к исследуемому образцу С1 (С2). Напряжение с конденсатора Со подается на пластины “У” осциллографа. На конденсаторе при этом сосредотачивается заряд Q = CoUo, но при последовательном соединении такой же заряд сосредоточен на С1 (С2) и СЭ. Заряд Q и электрическое смещение D, возникающее в образце связаны соотношением Q=DS (S-

studfile.net

Неорганические (природные) твердые диэлектрики.

Природные минеральные диэлектрики.

Важнейшими представителями являются асбест, слюда мрамор.

Слюда – слоистый минерал, который часто встречающийся в природе, который обладает высокой диэлектрической прочностью, высокой нагревостойкостью ( до 650˚С).

Из слюды изготавливают электроизоляционные материалы.

Миканит и микалес.

Миканит получают склеиванием лаком пластинок слюды с добавкой бумаги и ткани.

Микалес получают путем прессования порошка из молотой слюды при высокой температуре.

Слюдяные изделия применяют при изготовлении конденсаторов, изоляционных уплотнений в коллекторах, переключателях и т.д.

Мрамор – горная порода, состоящая в основном из CaCO₃ (карбонат кальция)

Основным его недостатком являются нестойкость против кислот, хрупкость и гигроскопичность.

Применяется для изготовления распределительных щитков, щитков рубильников и переключателей.

Асбест обладает высокой теплостойкостью, но гигроскопичен.

Он используется в различных деталях в виде текстильных и бумажных изделий.

Асбестовая лента используется в обмотках электромашин и катушек индуктивности.

Электроизоляционные стекла и ситаллы.

Стекла – неорганические аморфные вещества, полученные сплавлением различных окислов (SiO₂, B₂O₃, P₂O₅) и добавками (Na₂O и K₂O).

Для повышения химической стойкости в стекла добавляют окислы свинца.

Стекла прозрачны, непроницаемы, обладают стабильными свойствами.

Основной недостаток – хрупкость и повышенная поверхностная проводимость.

Стекла подразделяются на конденсаторные, установочные и вакуумные.

Конденсаторные стекла обладают высокой диэлектрической проницаемостью, малыми диэлектрическими потерями.

Их свойства обусловлены добавками окислы титана.

Установочные стекла обладают высокой механической прочностью, малой хрупкостью. Они применяются для изготовления опорных и линейных изоляторов на линии передач.

Вакуумные стекла применяются для электровакуумных приборов, для изготовления баллонов ламп, трубок электронно-лучевых приборов, фотоэлементов.

Особенностью этих стекол является одинаковый КЛТР с впаянными металлами и высокая герметичность.

Ситаллы – стеклокристаллические материалы, полученные из стекол с помощью контролируемой кристаллизации.

В их состав входят SiO₂, LiO₂, TiO₂, MgO, Al₂O_3.

Эти окислы способствуют образованию кристаллов.

После кристаллизации ситаллы подвергают ТО. Первая ТО — …˚С, а вторая – 900-1100˚С

На первой ступени образуются зародыши кристалла, а ан второй происходит их рост.

Ситаллы в 10 раз прочнее обычных стекол, обладают высокой нагревостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами.

Изготавливают баллоны в вакуумных приборах, основы печатных плат, обтекатели антенн, маски цветных тел.

Электроизоляционная керамика.

Керамика – материал, который получают из минерального сырья путем высокотемпературного спекания.

Исходным сырьем для получения керамики является каомин, кварц, полевой шпат, тальк, окислы титана, алюминия и др.

Технология изготовления керамики включает измельчение и перемешивание составных частей, изготовление изделий из полученной массы, сушку и обжиг.

Керамика подразделяется на установочную и конденсаторную.

Установочная керамика обладает малыми диэлектрическими потерями, высокой электрической прочностью, морозо- и нагревостойкостью, влагостойкостью.

Из нее изготавливают изоляторы линии передач, плат, панелей, катушек и т.д.

К установочной керамике относятся электрофарфор и стеатит.

Электрофарфор состоит из каомина и полевого шпата, кварцевого песка с добавками огнеупорной глины. Он применяется в целях низкого напряжения. …

С повышением температуры электрофарфора возрастают диэлектрические потери.

Ультрафарфор – состоит из окиси …, огнеупорной глины.

Обладают высокими механическими и диэлектрическими свойствами.

Применяется в деталях высокого напряжения и различных видах конденсатора.

Стеатит содержит в своей основе тальк, …

Применяется в качестве изоляторов в радиоаппаратуре. Его свойства чувствительны к температуре.

Конденсаторная керамика используется в качестве диэлектриков конденсаторов. …

Обладает высокой диэлектрической проницаемостью.

studfile.net

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, изоляторы – газообразные, жидкие или твердые материалы, которые не проводят электрический ток.

Газообразные изоляторы.

Коронный разряд.

Одним из наиболее известных и распространенных изоляторов является воздух при атмосферном давлении и нормальной температуре. Для низких напряжений удельное электрическое сопротивление такого воздуха составляет ок. 10¹⁸ ОмЧсм. Когда напряженность электрического поля поперек однородной воздушной щели достигает 30 кВ/см, проводимость увеличивается, так как начинается фотоионизация воздуха и в конце концов между электродами проскакивает искра. Если геометрия электродов разнородна, как, например, в случае острия и плоскости или провода линии электропередачи над поверхностью земли, вокруг острия или провода при достаточно большой напряженности электрического поля возникает светящаяся область ионизованного воздуха, называемая коронным разрядом. Ток коронного разряда возрастает с увеличением напряжения, и в конце концов возникает искра или дуга в зависимости от мощности источника и сопротивления внешней цепи.

Электрическая прочность.

Повышение давления воздуха приводит к увеличению напряжения коронного разряда и напряженности электрического поля, при которой происходит пробой для рассматриваемой системы электродов. Согласно закону Пашена, в однородном электрическом поле напряжение пробоя не изменится, если при уменьшении межэлектродного зазора во столько же раз увеличить давление газа в зазоре. Такие распространенные газы, как азот, кислород и двуокись углерода, по своей изолирующей способности близки к воздуху при атмосферном давлении. Некоторые пары, особенно те, что содержат серу, хлор или фтор, такие, как гексафторид серы (SF₆), четыреххлористый углерод (CCl₄) и фреон-12 (CCl₂F₂), имеют втрое большую электрическую прочность, чем воздух при том же давлении. Влияние давления на напряжение пробоя для некоторых материалов показано на рисунке.

Электроизолирующие свойства газов оказываются наихудшими при давлениях от 1 до 0,01 кПа. Прохождение тока через газ при таких давлениях сопровождается ярким свечением (например, в ртутных или неоновых лампах). Это явление называется тлеющим разрядом.

Жидкие диэлектрики.

Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 10¹² ОмЧсм). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C₆H₆), или ациклические соединения типа гексана [CH₃ (CH₂)₄CH₃]. Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.

Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl₃) и четыреххлористый углерод (CCl₄), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.

Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.

Твердые диэлектрики.

К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь очень высокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимой ниже таблицы.

Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого или жидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов и образованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой является результатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрики подвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит к появлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторые материалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях.

Таблица: Свойства твердых диэлектриков

СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Материал	Электрическая прочность, кВ/см	Диэлектрическая проницаемость	Удельное электрическое сопротивление, 1014 ОмЧсм
Слюда	280	5,0–7,0	2000
Стекло (разное)	200–700	3,0–12,0	10–6 ё104
Метилметакрилат (люсит)	650	3,3–4,5	1
Фарфор (неглазурованный)	130	5,0–7,0	3
Эбонит	650	2,0–3,5	104

Вакуум как изолятор.

Когда металлические электроды помещены в газ с давлением меньше 10^-2 Па, молекул газа недостаточно для образования заметного тока в межэлектродном зазоре, и в этом случае говорят об изоляции высоким вакуумом. Ионизация молекул остаточного газа при соударении с электронами или положительно заряженными ионами, вылетающими с электродов, при таких давлениях происходит редко. В условиях высокого вакуума при постоянном напряжении ниже 20 кВ на поверхности катода пробой может не наступать при напряженности поля до 5 МВ/см, а на аноде – при напряженности в несколько раз большей. Однако при более высоких напряжениях катодный градиент, при котором наступает пробой, быстро уменьшается. Пробой между металлическими электродами в вакууме происходит из-за обмена заряженными частицами между катодом и анодом. Электрон, вылетающий из катода, ускоряется электрическим полем и ударяет в анод, выбивая положительные ионы и фотоны. Положительные ионы и часть фотонов попадают на катод; ионы ускоряются электрическим полем и вызывают эмиссию вторичных электронов. При некотором критическом значении напряжения и градиента электрического поля для данного материала электродов этот процесс становится неустойчивым, и происходит искровой пробой.

Изоляция высоким вакуумом особенно широко применяется в электронике как для ускорения электронов низкой энергии в обычных электровакуумных приборах, так и для высоковольтных приложений в рентгеновских приборах и ускорителях для ядерных исследований.

Конденсаторы.

Диэлектрики находят широкое применение в конденсаторах. Конденсаторы имеют многообразные применения, среди которых накопление электрического заряда, нейтрализация эффектов индуктивности в цепях переменного тока и получение импульсов тока для различных приложений. Емкость конденсатора часто может быть рассчитана исходя из конфигурации системы или измерена путем определения величины заряда на одной из обкладок конденсатора при приложении заданного напряжения между обкладками. Энергия заряженного конденсатора равна 1/2 CE² и выражается в микроджоулях (мкДж), если С выражено в микрофарадах (мкФ), а Е – в вольтах (В).

Низковольтные конденсаторы.

Для слаботочных и низковольтных приложений, таких, как радио- и телефонные сети и низковольтные выпрямители, конденсаторы изготавливаются обычно из слоев алюминиевой или другой металлической фольги, разделенных диэлектриком из одного или нескольких слоев пропарафиненной бумаги. Очень компактный низковольтный конденсатор – т.н. электролитический – изготавливается нанесением (посредством электролитического осаждения) тонкой изолирующей оксидной пленки на поверхность металлической фольги; при этом достигается достаточно высокая емкость на единицу площади поверхности конденсатора. Полученный материал наматывается в виде обмотки компактных размеров.

Высоковольтные конденсаторы.

В конденсаторах для высоких напряжений, которые используются в радиопередающих устройствах, в качестве изолятора часто применяется слюда. Конденсаторы для очень высоких напряжений обычно изготавливаются из металлической фольги с большим числом слоев диэлектрической бумаги, помещенных в заполненный маслом контейнер, или из металлических пластин, разделенных газообразным или жидким диэлектриком. В таких конструкциях для высокочастотных конденсаторов, в которых важно иметь низкие диэлектрические потери, в качестве диэлектрика используется и вакуум.

www.krugosvet.ru

Пробой твердых диэлектриков

Существует четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1. Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлектриков.

Такой вид пробоя характеризуется тем, что в некотором месте твердого диэлектрика создается электронная лавина. Плотность тока в этом месте повышается и затем наступает пробой благодаря возникновению ударной ионизации.

Электрический пробой макроскопически однородных твердых диэлектриков не связан с электропроводностью и с диэлектрическими потерями, поэтому он не приводит к нагреву твердого диэлектрика. Он характерен быстрым развитием и наступает за время 10^-8— 10^-7с.

2. Электрический пробой макроскопически неоднородных твердых диэлектриков.

Такой механизм пробоя наблюдается в твердых диэлектриках неоднородной структуры, т.е. в слоистых диэлектриках (слюда, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком, стекла), в диэлектриках с открытой пористостью (непропитанная бумага, дерево, пористая керамика), в диэлектриках, содержащих газовые включения (плотная керамика) и т. д.

У большинства таких диэлектриков в однородном и неоднородном электрическом поле пробивные напряжения имеют небольшие значения и мало отличаются друг от друга. В однородном поле пробивное напряжение стекла, электротехнического фарфора, керамики практически не зависит от толщины образца. За счет неоднородной структуры таких диэлектриков в них наблюдается тепловой пробой, а также большая мощность диэлектрических потерь на ионизацию. Эти факторы приводят к разогреву указанных выше диэлектриков.

3. Тепловой пробой твердых диэлектриков.

Тепловой пробой твердого диэлектрика наступает, когда количество теплоты, выделяющееся в твердом диэлектрике, устойчиво превысит количество теплоты, которое отдается в окружающую среду.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию. По толщине твердого диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в поверхностных слоях. Играет роль также и теплопроводность материала электродов. Все это способствует пробою образцов при более низких напряжениях.

Активную мощность диэлектрических потерь, которая греет твердый диэлектрик, определим по формуле:

.

Активная мощность, которая выделяется в окружающую среду:

,

где — коэффициент теплоотражения,,

S– площадь поверхности твердого диэлектрика,,

T₀– начальная температура твердого диэлектрика,К,

Т– конечная температура твердого диэлектрика,К.

На основе выполнения равенства находим значение электротеплового пробивного напряжения:

.

Электротепловое пробивное напряжение зависит от частоты поля , от качества твердого диэлектрика (С, tg,_r), его размеров (S), условий охлаждения ((Т-Т₀),) диэлектрика. Кроме того, на электротепловое пробивное напряжение влияет органическое или неорганическое происхождение твердого диэлектрика (у неорганических диэлектриков выше нагревостойкость).

4. Электрохимический пробой твердых диэлектриков.

Электрохимический пробой может наблюдаться при повышенной температуре и повышенной влажности окружающей среды в тех случаях, когда твердый диэлектрик находится длительное время в эксплуатации под номинальным напряжением постоянного тока или переменного тока низкой частоты. Кроме того, электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, оксидах металлов переменной валентности (например, TiO₂).

За счет электрохимических процессов, происходящих в твердом диэлектрике, с течением длительного времени существенно снижается его сопротивление изоляции, что приводит к увеличению сквозного тока утечки через диэлектрик, т.е. этот механизм пробоя связан с явлением электропроводности, а также с ионизацией газовых включений в неоднородных твердых диэлектриках. Такой вид пробоя приводит к некоторому разогреву диэлектрика.

studfile.net