Механизмы поляризации диэлектриков
В зависимости от характера химической связи различают следующие 3 основные механизмы поляризации диэлектриков: электронную, ионную и дипольную (ориентационную).
Электронная поляризация присуща всем диэлектрикам и превалирует в кристаллах с ковалентной связью. Под действием внешнего электрического поля P происходит смещение электронов атома относительно его ядра (деформация его электронной оболочки) и возникают индуцированные диполи (рис. 104). Диэлектрические свойства индуцированных диполей относятся к числу резонансных явлений.
Электронный механизм поляризации является наименее инерционным, т.к. масса электрона значительно меньше массы частиц, участвующих в процессе поляризации. Время установления электронной поляризации составляет 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний.
Ионная поляризация наблюдается в ионных кристаллах и происходит в результате возникновения диполей вследствие относительного смещения (сдвига) положительных и отрицательных ионов под влиянием электрического поля. При этом имеет место также деформация электронных оболочек ионов, что порождает электронную поляризацию. Время установления ионной поляризации примерно на порядок больше ( 10-14 с).
Дипольная (ориентационная) поляризация наблюдается в полярных диэлектриках (например, в твердом H2S ). Существующие в отсутствии электрического поля электрические диполи ориентированы хаотично. При включении поля диполи приобретают преимущественную ориентацию. Этот процесс и называют дипольный или ориентационной поляризацией.
64. Понятие электропроводность диэлектриков, потери в диэлектрике, пробой в диэлктрикеЭлектропроводность диэлектриков. Используемые диэлектрики содержат в своем объеме небольшое количество свободных зарядов, которые перемещаются в электрическом поле. Этот ток называется сквозным током утечки. В диэлектриках свободными зарядами, которые перемещаются в электрическом поле, могут быть ионы (положительные и отрицательные), электроны и электронные вакансии (дырки), поляроны. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках 3...7 эВ, энергию, достаточную для перехода в зону проводимости электроны могут приобрести в результате нагревания диэлектрика или при ионизирующем облучении. В сильных полях возможна инжекция зарядов (электронов, дырок) в диэлектрик из металлических электродов; возможно образование свободных зарядов (ионов и электронов) в результате ударной ионизации, когда энергия свободных зарядов достаточна для ионизации атомов при соударении.Основные виды электропроводности диэлектриков1.Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной поляризации. Абсорбционные токи при постоянном напряжении протекают в диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают в течение всего времени нахождения диэлектрика в электрическом поле.
j = jск + jаб.
Ток абсорбции можно определить через ток смещения jсм - скорость изменения вектора электрической индукции D
Сквозной ток определяется переносом (движением) в электрическом поле различных носителей заряда.
2. Электроннаяэлектропроводность характеризуется перемещением электронов под действием поля. Кроме металлов она присутствует у углерода, оксидов металлов, сульфидов и др. веществ, а также у многих полупроводников.
3. Ионная –обусловлена движением ионов. Наблюдается в растворах и расплавах электролитов – солей, кислот, щелочей, а также во многих диэлектриках. Она подразделяется на собственную и примесную проводимости. Собственная проводимость обусловлена движением ионов, получаемых при диссоциации молекул. Движение ионов в электрическом поле сопровождается электролизом– переносом вещества между электродами и выделением его на электродах. Полярные жидкости диссоциированы в большей степени и имеют большую электропроводность, чем неполярные.
В неполярных и слабополярных жидких диэлектриках (минеральные масла, кремнийорганические жидкости) электропроводность определяется примесями.
4. Молионная электропроводность –обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами. Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях, суспензиях. Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, например, в маслах, содержащих эмульгированную воду.
Электропроводность газа, обусловленная действием внешних ионизаторов и исчезающая после прекращения его действия называется несамостоятельной. А электропроводность, обусловленная ударной ионизацией и не исчезающая после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельной. В слабых полях, в которых ударная ионизация отсутствует, самостоятельная электропроводность не наблюдается.
В слабых полях в газах выполняется закон Ома, ток линейно меняется с величиной приложенного напряжения. При более высоких напряженностях электрического поля вплоть до возникновения ударной ионизации наблюдается ток насыщения, величина которого не зависит от величины поля. В полях, величина которых достаточна для ионизации газа при столкновении частиц, наступает пробой газа.
Электропроводность жидких диэлектриков зависит от многих факторов: строения молекул, температуры, наличия примесей, наличия крупных заряженных коллоидных частиц и других факторов.
Электропроводностьнеполярных жидкостей зависит от наличия диссоциированных примесей и влаги. В полярных жидкостях электропроводность создается кроме примесей диссоциированными ионами самой жидкости. Полярные жидкости обладают повышенной проводимостью по сравнению с неполярными. С повышением диэлектрической проницаемости проводимость возрастает. Очистка жидкостей от примесей уменьшает их проводимость.
Электропроводность твердых диэлектриков обусловлена, как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов примесей, а у некоторых материалов и наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наблюдается при сильных электрических полях. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы и ионы примесей, а при высоких температурах движутся термически освобождаемые ионы кристаллической решетки. Ионная электропроводность, в отличие от электронной, сопровождается переносомвещества. Физико – механические и химические свойства диэлектриков.При выборе изоляционного материала приходится учитывать не только электрические свойства, но и влажностные, тепловые, химические, механические свойства, химическую стойкость и активность диэлектрика его тропикостойкость и радиационную стойкость.Диэлектрическими потеряминазывают мощность рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери мощности в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку диэлектрики не являются идеальными и в них всегда присутствует сквозной ток, обусловленный электропроводностью. При постоянном напряжении потери вызываются только одной сквозной проводимостью (объемной и поверхностной), а при переменном напряжении к ним добавляются потери на поляризацию, связанные с преодолением сил внутреннего трения при повороте дипольных молекул диэлектрика. Потери при переменном напряжении всегда больше, чем при постоянном.
Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям подразделяют на четыре основных вида:
1. потери на электропроводность;
2. релаксационные потери;
3.ионизационные потери;
4. резонансные потери
Пробой диэлектриков, резкое уменьшение электрического сопротивления (увеличение плотности тока j) диэлектрика, наступающее при достижении определённой величины напряжённости приложенного электрического поля Епр.
Виды пробоя
1) Электрический пробой – вызывается ударной ионизацией электронами, когда под действием большой напряженности электрического поля из небольшого числа начальных электронов в диэлектрике образуется сильная электронная лавина.
2) Тепловой пробой – если в результате диэлектрических потерь тепла в диэлектрике выделяется больше, чем отводится в результате его охлаждения, то диэлектрик нагревается и в месте наименьшего теплоотвода диэлектрик проплавляется, прожигается, то есть происходит КЗ – пробой.
3) Электрохимический пробой – по каким-либо причинам химический состав и структура диэлектриков медленно меняются так, что пробой может наступить при напряжении меньшем Uпр начального диэлектрика.
Смешанные виды пробоя
4) Ионизационный пробой – в твёрдых диэлектриках, в которых есть поры (бумаги, картоны) до пробоя самого диэлектрика начинается ионизация газов (воздуха) в порах. Образующиеся лавины вызывают эрозию стенок пор, химическую реакцию с озоном, нагрев диэлектрика вокруг пор, расширение диэлектрика в результате нагрева – образуются трещины, через них легко в диэлектрик проникает вода, которая уменьшает сопротивление диелектрика и т.д. Изоляционные свойства газообразных и жидких диэлектриков после пробоя восстанавливаются (хотя у жидких диэлектриков после каждого пробоя свойства понемногу ухудшаются), а у твёрдых – нет, остаются следы (также и при поверхностном пробое).
65.Классификация диэлектрических материалов. Газообразные, жидкие, твердые диэлектрические материалы.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. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т. е. поляризация. Диэлектрики содержат и свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.
Используемые в качестве изоляционных материалов диэлектрики называют пассивными. Существуют активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения.