|
| |
|
Главная Промышленность © ® © © © ® ® ® © ® сЭсЭ  Рис. 17.24. Схемы электронной (а), ионной (б) и дипольно - релаксационной (е) поляризации видов поляризации, которые в сумме определяют величину е и ее зависимость от температуры и частоты поля. Конструкционные диэлектрики общего назначения имеют небольшое значение е-до 10-12. Диэлектрики, которые используются в конденсаторах, должны иметь высокие значения е, чтобы увеличить емкость конденсатора. У конденсаторных диэлектриков е меняется от 12-15 до 100000. Наиболее важными видами поляризации являются электронная, ионная, ди-польно-релаксационная (рис. 17.24) и самопроизвольная (спонтанная). Электронная поляризация вызывается деформацией электронных оболочек атомов. Электроны смещаются почти мгновенно, время установления поляризации ничтожно мало (10"* с), и поэтому она не зависит от частоты. Ионная поляризация возникает при упругом смещении ионов на расстояния, не превышающие межионные. Отрицательные ионы смещаются в сторону положительного электрода, а положительные ионы-в сторону отрицательного. Время установления ионной поляризации очень мало (10~ с), и е также не зависит от частоты. Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных диэлектриках. Повороты диполей существенно меняют е. У неполярных диэлектриков 8 немного больше 2, у полярных-в несколько раз больше. Повороты диполей при наложении поля и возвращение диполей к неупорядоченному состоянию после снятия поля требуют преодоления некоторого сопротивления молекулярных сил. Эта поляризация появляется и исчезает значительно медленнее электронной или ионной поляризации. При нагреве диэлектрическая проницаемость е изменяется, температурный коэффициент е (ТКе) принимает значения от -1300 до --3000 10"°С~. Отрицательный ТКе имеют диэлектрики с электронной поляризацией, при нагреве увеличивается их объем и соответственно уменьшается плотность зарядов. Диэлектрики с ионной поляризацией имеют положительный ТКе. При нагреве поляризация увеличивается вплоть до верхней границы рабочего интервала температур. Это объясняется ослаблением притяжения между ионами и увеличением их смещения. Особенно сильно повышается поляризация, когда ионы начинают смещаться на расстояния больше межионных. В этом случае поляризация зависит от частоты, устанавливается медленно-за 10~-10~ с и называется ионно-релаксационной. Изменения дипольно-релаксационной поляризации при нагреве определяются соотношением межмолекулярного притяжения и теплового движения. Ослаб- ление притяжения облегчает ориентацию диполей, а усиление теплового движения ей мешает. В связи с этим поляризация сначала увеличивается до некоторого максимума, а затем уменьшается. Самопроизвольная поляризация наблюдается только у одного класса диэлектриков-сегнетоэлектриков. При охлаждении сегнетоэлектрика ниже определенной температуры, которую называют точкой Кюри, самопроизвольно, без внешних воздействий, возникает поляризация. Обьем сегнетоэлектрика разбивается на домены, в каждом из которых вешество сильно поляризовано. В отсутствие поля домены расположены беспорядочно, и суммарная поляризация равна нулю. При наложении поля поляризация увеличивается нелинейно благодаря переориентации поляризации доменов. При циклическом изменении поля от -I- £ до -Е возникает петля гистерезиса (рис. 17.25). Когда напряженность поля возрастает, поляризация достигает насыщения; при этом е увеличивается до максимального значения и вновь уменьшается. По аналогии с ферромагнетиками напряженность поля Ее, при которой меняется направление поляризации, называется коэрцитивной силой. Когда £<0,1 МВ/м, сегне-тоэлектрик является мягким; когда Е > > 1 МВ/м, материал жесткий. Известно около 500 сегнетоэлектриков. Они принадлежат к классу активных диэлектри-  Рис. 17.25. Зависимость поляризации Р (а) и диэлектрической проницаемости £ (б) сегнетоэлектрика от напряженности поля Е ков, которые используются для генерации и преобразования электрических сигналов. Между электрическими, механическими, тепловыми и другими свойствами сегнетоэлектриков существуют нелинейные зависимости. Значения свойств вблизи точки Кюри имеют максимумы или минимумы. В частности, максимальное значение е достигается около точки Кюри. Электропроводимость твердых диэлектриков связана с появлением в них свободных ионов или электронов. Основное значение имеет ионная проводимость, обусловленная примесями. Электропроводимость диэлектрика подразделяют на обьемную (сквозную) и поверхностную. Каждая из них характеризуется своим удельным электрическим сопротивлением - обьемным ру (Ом-м) и поверхностным ps (Ом). Диэлектрики имеют высокое удельное обьемное электрическое сопротивление (РуЮ Ом-м). При нагреве оно понижается в результате роста подвижности ионов. Поверхностное электрическое сопротивление Ps зависит как от состава и структуры диэлектрика, так и состояния его поверхности и влажности среды. Загрязнения и влага на шероховатой или пористой поверхности образуют проводящую пленку, диэлектрик может полностью утратить изоляционные свойства, хотя его обьемное электрическое сопротивление при этом останется высоким. Для повышения поверхностного электрического сопротивления поверхность изделий стремятся сохранить чистой и гладкой, используя для этого покрытия-лаки и эмали. Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика. Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор   Рис. 17.26. Векторные диаграммы идеального (о) и реального (б) диэлектриков в цепи переменного тока (рис. 17.26). У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током / и напряжением и равен 90°, поэтому активная мощность Р = /[/со8ф равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньще 90° на угол 5. Этот угол называют углом диэлектрических потерь. Тангенс угла 5 и диэлектрическая постоянная Ё характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), Вт/м: P = /c£VEtg5, где /с-коэффициент; £-напряженность электрического поля, В/м; /-частота поля, Гц. Произведение EtgS называют коэффициентом диэлектрических потерь. По величине tg5 диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg5 = 0,14-0,001) и высокочастотные (tg5 < 0,001). К основным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электропроводимость, ионизация газов в имеющихся порах и неоднородность структуры из-за примесей и включений. Электрическая прочность характеризуется сопротивлением пробою. Пробой-это необратимое разрущение твердого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств. Электрической прочностью или пробивной напряженностью называется отно-щение пробивного напряжения [/„р к толщине диэлектрика в месте пробоя. Различают три вида пробоя: электрический, тепловой и электрохимический. Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (за 10~-10~® с) под действием поля большой напряженности (свыше 1000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке. Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева, причем пробивная напряженность £пр из-за повышения температуры диэлектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура диэлектрика и выше £пр. Тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как при этом возрастают потери) и замедлении те-плоотвода. Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопровождающемся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением его электрической прочности. По химическому составу диэлектрики разделяют на органические и неорганические. К органическим относятся полимеры, резина, шелк; к неорганическим-слюда, керамика, стекло, ситаллы. По электрическим свойствам диэлектрики подразделяют на низкочастотные (электротехнические) и высокочастотные (радиотехнические). Для электроизоляционных материалов решающее значение имеет их нагре-востойкость, т. е. способность без ущерба для свойств вьщерживать нагрев в течение длительного времени. По на-гревостойкости диэлектрики разделяют на семь классов (ГОСТ 8865-70), обозначенных Y, А, Е, В, F, Н, С. В классе Y объединены наименее стойкие целлюлозные, шелковые и полимерные материалы, для них рабочая температура не превышает 90 °С. Самыми нагревостой-кими являются материалы класса С-слюда, керамика, стекло, ситаллы. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 [ 51 ] 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 |
