|
Диэлектрики Лекция. диэлектрики лекция 1. Диэлектриками называют твердые, жидкие и газообразные вещества, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации
диэлектрики
Диэлектриками называют твердые, жидкие и газообразные вещества, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации. Этот термин введен Фарадеем для обозначения веществ, проницаемых для электрического поля.
По-другому определению, это вещества с удельным электрическим сопротивлением, находящимся в пределах от 106 до 1016 Ом∙м, либо имеющие ширину запрещенной зоны Е, превышающую 3 эВ.
Диэлектрическими являются материалы с ковалентной, поляризационной или ионной связью между атомами, причем последние только в твердом состоянии.
Поляризация – состояние диэлектрика, при котором элементарный объем материала приобретает электрический момент (под действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно в сегнетоэлектриках). Поляризованность – количественная характеристика поляризации, определяющая ее интенсивность – P = dp/dV – отношение электрического момента dp элемента диэлектрика к объему этого элемента. [Кл/м2]. P = ε0(ε -1)E = ε 0χE. – для большинства диэлектриков (кроме сегнетоэлектриков) в слабых электрических полях. χ – диэлектрическая восприимчивость. ε– относительная диэлектрическая проницаемость – отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду конденсатора в вакууме без диэлектрика м/у его обкладками ε 0 = 8.854*10-12 Ф/м – электрическая постоянная. Виды поляризации диэлектриков - Быстрые поляризации
Это упругие поляризации, которые происходят практически мгновенно, без рассеяния энергии приложенного электрического поля, то есть без выделения тепла в диэлектрике. Быстрые поляризации обусловленные упруго связанными частицами. - Замедленные поляризации
Это релаксационные поляризации, которые происходят не мгновенно, с рассеянием (потерями) энергии приложенного электрического поля, с выделением тепла в материале. Замедленные поляризации обусловленные слабо связанными частицами . Быстрые поляризации
Электронная поляризация – это смещение электронного облака относительно центра ядра атома или иона.
Наблюдается во всех без исключения диэлектриках.
В неполярных диэлектриках – является единственным видом поляризации.
Время протекания поляризации 10-14 – 10-15с.
Быстрые поляризации Ионная поляризация проявляется в смещении друг относительно друга упруго связанных разноименно заряженных ионов на расстояния меньше периода кристаллической решетки. Время ионной поляризации на 2 – 3 порядка больше электронной поляризации. Замедленные поляризации - Дипольно-релаксационная поляризация
При дипольной поляризации диполи ориентируются под действием поля. Увеличение температуры приводит к ослаблению молекулярных сил вследствие чего поляризация может усилиться, но при этом растет энергия теплового движения молекул и ориентирующее влияние поля уменьшается, приводя к спаду проницаемости. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты полярного диэлектрика при различных температурах. После некоторой частоты диполи не успевают ориентироваться по полю и диэлектрическая проницаемость уменьшается. Замедленные поляризации Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с ионным типом химических связей. Слабо связанные ионы вещества под действием приложенного электрического поля смещаются на расстояния, превышающие постоянную кристаллической решетки. Электронно-релаксационная поляризация характерна для твердых диэлектриков, содержащих дефекты или примесные ионы, способные захватывать электроны. Такие захваченные на "ловушках" электроны или дырки при отсутствии электрического поля могут под действием тепловых флуктуаций переходить из одного вероятного положения в другое. Время релаксации данного механизма поляризации при комнатной температуре 10-2 – 10-7с. Этот вид поляризации существенную роль играет в поликристаллической керамике типа рутила TiO2, перовскита CaTiO3, в керамических материалах, изготовленных на основе сложных оксидов титана, циркония, ниобия, тантала, свинца, церия, висмута. Замедленные поляризации - Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках, имеющих проводящие и полупроводящие включения, слои с различной проводимостью и т.п. При внесении неоднородных диэлектриков в электрическое поле свободные заряды смещаются и концентрируются на граничных слоях включений, в приэлектродных слоях и т.д., образуя пространственные заряды, поле которых внешне проявляет себя как "дополнительный" механизм поляризации.
- Спонтанная поляризация
Фазовые переходы, при которых неполярные вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят в полярное состояние называют сегнетоэлектрическими, а сам процесс перехода в новое состояние спонтанной поляризацией. Для сегнетоэлектриков характерны зависимости диэлектрической проницаемости от температуры с резко выраженным максимумом, который наблюдается вблизи точки перехода - точки Кюри Тк Спонтанная поляризация - Характерные свойства сегнетоэлектриков обусловлены наличием у них доменной структуры – взаимосвязанных микрообластей, в пределах которых векторы поляризации структурных ячеек имеют одинаковое направление.
Классификация диэлектриков по механизмам поляризации Линейные диэлектрики Относят к пассивным диэлектрикам, применяемым в в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов. Характер изменения поляризованности и диэлектрической проницаемости от напряженности поля для линейных диэлектриков: Нелинейные диэлектрики Нелинейные диэлектрики являются активными диэлектриками, параметры которых зависят от величины приложенной разности потенциалов. Пропорциональности между векторами Р и Е нет у нелинейных диэлектриков, к которым относятся, в частности, сегнетоэлектрики Диэлектрические потери это часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла. Потери мощности Р в в диэлектрике выражаются как P = U2/R , где U - напряжение в вольтах. - Удельные потери для единичного объема диэлектрика будут определяться по формуле Pуд =E2/ρ= E2 γ
где E - напряженность электрического поля, В/м; ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом.м; γ - удельная электрическая проводимость, Ом-1м-1. - Тангенс угла диэлектрических потерь равен отношению активной мощности Ра к реактивной Рс
– идеального диэлектрика а);
– диэлектрика с потерями b), c);
b) параллельная схема; c) последовательная схема
Схемы замещения и векторные диаграммы:
Виды диэлектрических потерь - Потери на электропроводность
Потери на электропроводность обусловлены сквозными токами. Это единственный вид потерь в однородном неполярном диэлектрике. Наблюдаются во всех диэлектриках. - Релаксационные потери
Эти потери обусловлены абсорбционными токами, то есть замедленными поляризациями. Для чисто дипольного механизма потерь при частоте ωд будет наблюдаться максимум Релаксационные потери
Зависимость tgδ полярного диэлектрика от частоты
1 – потери за счет дипольной поляризации; 2 – потери за счет сквозной проводимости;
3 – суммарные потери
Зависимость tgδ полярных диэлектриков от температуры
1 – потери за счет дипольной поляризации; 2 – потери за счет сквозной проводимости;
3 – суммарные потери
Ионизационные потери - Ионизационные потери – возникают за счет ионизации молекул газа в основном в неоднородных электрических полях, при напряженности поля превышающей напряженность ионизации
Потери за счет неоднородности в диэлектриках - Эти потери обусловлены миграционной поляризацией. Наблюдаются в диэлектриках с проводящими или газовыми включениями, слоистых материалах (гетинакс, текстолит). Это дополнительные релаксационные потери.
Резонансные потери - Наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в зависимости tgδ(f) характерно и для резонансного механизма потерь, однако при изменении температуры максимум не смещается.
- Пробой диэлектрика – это потеря изоляционных свойств материала при его нахождении в электрическом поле. В диэлектрике образуется канал проводимости.
При пробое газообразного или жидкого диэлектрика в результате подвижности молекул после снятия напряжения «пробитый» участок восстанавливает свои первоначальные свойства. - Электрическая прочность Eпр – это минимальная напряженность однородного электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика.
- Eпр = Uпр / d,
где Eпр, В/м; Uпр - пробивное напряжение, (минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала),В; Близкое к однородному поле можно получить на электродах в виде дисков с закругленными краями или в виде шаров при малом расстоянии между ними. При использовании листовых образцов и плоских электродов однородное поле получается лишь в средней части образца между электродами, у краев поле искажается. Пробой диэлектрика - Полный пробой — канал проводимости проходит через всю толщу диэлектрика от одного электрода к другому
- Неполный пробой (например, коронный разряд) — канал проводимости не достигает одного из электродов и
- Частичный пробой происходит только в газовых или жидкостных включениях (порах) твердой изоляции.
- Поверхностный пробой происходит по границе раздела фаз при совместном использовании диэлектриков, находящихся в различных агрегатных состояниях.
Электрический пробой - Электрический пробой – это разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами из-за разрыва связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10-5 – 10-8 с.
- Епр при электрическом пробое зависит главным образом от внутреннего строения диэлектрика и практически не зависит: от температуры, частоты приложенного напряжения; геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10-4 - 10-5 см.
- На электрическую прочность диэлектриков значительное влияние оказывает неоднородность образующегося в них электрического поля, которая, в свою очередь, зависит от степени неоднородности строения самого твердого диэлектрика.
- Епр воздуха около 3 МВ/м, наибольших значений Епр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 102 – 103 МВ/м, у тщательно очищенных жидких диэлектриков Епр составляет примерно 102 МВ/м.
Электротепловой пробой - Электротепловой пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) - Q1 становится больше отводимой теплоты – Q2 (теплоотдачи в окружающую среду). Тепловой пробой происходит в течение 10-2–10-3 с при Епр около 10 МВ/м.
- Пробивное напряжение при тепловом пробое:
Электрохимический пробой - Электрохимический пробой происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения. Время развития этого вида пробоя 103-108 с. Причины (случаи) электрохимического пробоя:
1) Постоянное напряжение или низкие частоты: электрохимическое старение, приводящее к уменьшению электрического сопротивления. 2) На высоких частотах может происходить ионизация газа в закрытых порах, вызывающая тепловой эффект и восстановление (в керамике) окислов металлов переменной валентности. Электрохимический пробой также может наблюдаться во многих органических диэлектриках. На электрохимический пробой сильно влияют электроды материалов (серебро способное диффундировать в керамику облегчает пробой, в отличие от золота). - В газообразных диэлектриках есть некоторое количество свободных ионов и электронов, которые под действием электрического поля начинают перемещаться к аноду. Электрон при соударении с молекулой передает ей часть своей энергии, после этого возможны два варианта событий:
- 1) молекула ионизируется, испуская электрон, и таким образом, двигаются два электрона, которые могут ионизировать две другие молекулы и теперь уже движутся четыре свободных электрона, которые могут ионизировать следующие четыре молекулы – в результате наблюдается ударная ионизация приводящая к возникновению электронной лавины;
- 2) молекула переходит в возбужденное состояние и отдает избыточную энергию в форме излучения – фотона, который может ионизировать другую молекулу, таким образом, происходит фотонная ионизация.
- Фотоны, двигаясь со скоростью света, опережают электронные лавины и «столкнувшись» с нейтральными молекулами, ионизируют их, давая начало новым электронным («дочерним») лавинам.
- Основная и дочерние лавины, двигаясь к аноду, растут, догоняют друг друга, сливаются и образуют электроотрицательный стример — цепочку электронных лавин,. Также образуется поток из положительных ионов (электроположительный стример), который двигается в обратном направлении. Подходя к катоду, положительные ионы, ударяясь о его поверхность, образуют светящееся катодное пятно, излучающее «вторичные» электроны. Положительный стример, заполняясь вторичными электронами и электронами, образующимися в результате электронной ударной ионизации и фотоионизации, превращается в сквозной канал газоразрядной плазмы, по которому устремляется ток короткого замыкания Iкз.
- Образование плазменного газоразрядного канала фактически и есть электрический пробой газов. Возникновение Iкз — следствие пробоя.
Пробой газообразных диэлектриков Закон Пашена. - Закон Пашена показывает зависимость Unp газообразных диэлектриков в конкретной конструкции от произведения давления Р газа на расстояние h между электродами.
- Закон устанавливает, что каждому газу соответствует свое минимальное значение пробивного напряжения Unp.мин в зависимости от произведения Ph.
. Зависимость пробивного напряжения Uпр.макс воздуха (1) и неона (2) от от произведения давления газа Р на расстояние между электродами h
Пробой жидких диэлектриков - Электрическая форма пробоя наблюдается в тщательно очищенных жидких диэлектриках и связывается с инжекцией электронов с катода.
- В технически чистых жидких диэлектриках пробой носит тепловой характер. Энергия, выделяющаяся в ионизирующихся пузырьках газа, приводит к перегреву жидкости, что может послужить причинойзакипания капелек влаги (локальный перегрев) и возникновению газового канала между электродами.
- Сажа и обрывки волокон в жидкости приводят к искажению электрического поля в жидкости, понижая электрическую прочность жидкого диэлектрика.
- На высоких частотах происходит разогрев жидкости за счет релаксационных потерь и наблюдается термическое разрушение жидкости.
Пробой твердых многокомпонентных диэлектриков - В твердых диэлектриках может происходить электрический, тепловой или электрохимический пробой.
- Ионизационный пробой наблюдается в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.
- Электромеханический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.
- Электротермический пробой – механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.
Пробой неоднородных диэлектриков - Электрическая прочность очень тонких неоднородных образцов диэлектриков снижается с увеличением площади электродов, так как возрастает вероятность попадания под них слабых (дефектных) мест.
- С увеличением числа слоев тонкой изоляции Епр вначале повышается до определенного числа слоев (слабые места перекрываются здоровыми), а затем снижается, из-за увеличения неоднородности диэлектрика (больше воздуха между листами бумаги) и увеличения неоднородности поля на краях электрода.
Зависимость Eпр тонкослойной изоляции от числа слоев (схематически) |
|
|
Скачать 402.53 Kb.