Раздел 8. Физика диэлектриков

Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле лишь несколько смещаются относительно положения равновесия. Происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, то есть поляризация. Для диэлектриков характерно высокое сопротивление прохождению постоянного электрического тока. Мерой поляризуемости диэлектрика является относительная диэлектрическая проницаемость, равная отноше­нию емкости конденсатора с диэлектриком к емкости такого же конденсатора с вакуумом.

В зависимости от времени протекания все виды поляризации подразделяются на упругие (быстрые или деформационные) и релаксационные (медленные).

Упругие поляризации (электронная и ионная) заключаются в мгновенном смещении сильно связанных зарядов (электронов и ионов) при приложении электрического поля и мгновенном их возвращении в исходное равновесное состояние после прекращения действия поля.

Релаксационные поляризации (дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная, спонтанная, миграционная и резонансная) заключаются в относительно медленном смещении слабо связанных зарядов (диполей, ионов и др.) при приложении электрического поля и медленном их возвращении в равновесное состояние после прекращения действия поля.

Важнейшими параметрами, характеризующими электрическое сопротивление диэлектриков являются удельное объемное сопротивление и удельное поверхностное сопротивление.

Удельное объемное сопротивление диэлектрика (ρ_v ) численно равно сопротивлению куба с ребром 1м, если напряжение приложено к противоположным граням куба.

Удельное поверхностное сопротивление диэлектрика (ρ_s) численно равно сопротивлению поверхности квадрата со стороной 1м, если напряжение приложено к противоположным сторонам квадрата.

Полный ток, протекающий через конденсатор, между обкладками которого находится диэлектрик, состоит из тока смещения, емкостного тока и тока сквозной проводимости.

Емкостной ток, обусловлен смещением сильно связанных зарядов в процессе электронной и ионной поляризаций.

Ток абсорбции обусловлен смещением слабо связанных зарядов в процессах релаксационных видов поляризации.

Ток сквозной проводимости обусловлен движением свободных зарядов в диэлектрике под действием электрического поля.

Диэлектрические потери – часть энергии приложенного электрического поля, которая поглощается в диэлектрике. Эта энергия превращается в тепло и нагревает диэлектрик.

Удельные диэлектрические потери - энергия электрического поля, поглощаемая единицей объема диэлектрика.

Уровень диэлектрических потерь в диэлектрике оценивают с помощью тангенса угла диэлектрических потерь tg δ. Чем меньше tg δ тем меньше диэлектрические потери и выше качество диэлектрика.

Важнейшей характеристикой диэлектрических материалов является электрическая прочность. При превышении в объеме диэлектрика некоторой критической величины напряженности электрического поля происходит пробой. Под напряженностью электрического поля понимают отношение приложенного к диэлектрику напряжения к расстоянию между подводящими напряжение электродами. Значение напряжения в момент пробоя называют пробивным напряжением, а достигнутую к этому моменту напряженность - электрической прочностью.

Вопросы для самопроверки

3. Что такое поляризация диэлектрика? Как количественно оценивается поляризация диэлектрика?

4. Что такое диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая восприимчивость, поляризуемость частиц?

5. Основные виды поляризации диэлектриков. Как классифицируются диэлектрики по виду поляризации?

6. Какова зависимость диэлектрической проницаемости жидких нейтральных и полярных диэлектриков от частоты?

7. Какова зависимость диэлектрической проницаемости различных типов твердых диэлектриков от температуры и частоты?

8. Каковы особенности поляризации сегнетоэлектриков?

9. Как определяется диэлектрическая проницаемость для смеси нескольких диэлектриков?

11. Запишите основное уравнение электропроводности диэлектриков.

12. Что такое подвижность носителей зарядов?

13. Что такое удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления диэлектриков? Каковы их единицы измерения?

14. Какими процессами в диэлектриках обусловлены токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости?

15. Чем отличаются слабые и сильные электрические поля?

16. Что такое молионы?

17. В чем заключаются самостоятельная и несамостоятельная электропроводности газообразных диэлектриков?

18. В чем различие механизма электропроводности полярных и неполярных жидких диэлектриков?

19. В чем особенность электропроводности твердых диэлектриков молекулярного и ионного строения?

20. Что такое радиационная проводимость?

21. Что такое диэлектрические потери?

22. Что такое тангенс угла диэлектрических потерь?

23. Что такое удельные диэлектрические потери и по какой формуле их можно рассчитать?

24. Что представляют собой потери на электропроводность и как они зависят от температуры и частоты?

25. Какие виды поляризации влияют на диэлектрические потери?

26. Как влияет частота переменного тока на тангенс угла диэлектрических потерь у неполярных диэлектриков?

27. Как влияет температура на тангенс угла диэлектрических потерь полярных и неполярных диэлектриков?

28. В каких диэлектриках возникают ионизационные потери и как они зависят от величины приложенного напряжения?

29. Чем обусловлены потери в неоднородных диэлектриках?

30. В чем заключается явление пробоя диэлектриков?

31. Как зависит электрическая прочность воздуха при нормальных условиях в однородном электрическом поле от расстояния между электродами?

32. От каких внешних факторов зависит характер пробоя жидких диэлектриков?

33. Чем обусловлен тепловой пробой твердого диэлектрика?

34. Опишите классы нагревостойкости электрической изоляции?

35. Какое практическое значение имеет теплопроводность электроизоляционных материалов? В каких единицах измеряется удельная теплопроводность?