Основные характеристики диэлектрических материалов

Для диэлектрических материалов наибольшее практическое значение среди электрических свойств и характеристик имеют поляри­зация, диэлектрические потери, пробой и электрическая прочность.

Поляризация−это процесс упорядочения (смещения и деформации элек­тронных оболочек), связанных электрических зарядов вещества под действием приложенного электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость − величина, показывающая, во сколь­ко раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме.

Наименьшую диэлектрическую проницаемость имеет вакуум (ε₀=1), диэлектрическая проницаемость воздуха 1,00058; жидкие и твердые ди­электрики − 2...17, а у сегнетоэлектриков − 1500...7500.

На величину диэлектрической проницаемости оказывают влияние из­менение температура (с увеличением температуры ее величина понижает­ся) и частота приложенного к диэлектрику напряжения.

Диэлектрические потери— часть энергии (мощности) электрического переменного поля, которая при переполяризации превращается в диэлек­трике в теплоту и нагревает его.

Диэлектрические потери количественно характеризуются величиной тангенса угла диэлектрических потерь tgδ (угол δ — разность фаз между векторами поляризации электрических зарядов и напряженности электри­ческого поля). У твердых диэлектриков величины диэлектрических потерь — (2...5)^.10^-3. Наименьшими значениями диэлектрических потерь обладают неионизированные газы, которые все являются диэлектриками.

Диэлектрические потери диэлектрика, включенного под постоянное напряжение, значительно меньше. При этом неравенство потерь энергии при действии постоянного или переменного напряжения наблюдается только в диэлектриках. Особенно большие потери мощности могут возни­кать при больших частотах.

Большие активные потери энергии вызывают нагрев диэлектрика и его преждевременное разрушение. Разрушение твердых диэлектриков под действием электрического тока может быть двух видов: пробой толщи ма­териала и разряд по его поверхности. Наибольшие разрушения вызывает пробой.

Пробой− резкое возрастание электропроводности вещества в электриче­ском поле, напряженность которого превышает определенное значение.

Пробой проходит в три стадии: формирование разряда, завершение разряда и послепробойная стадия. При пробое протекание тока происхо­дит по узкому каналу и сопровождается, как правило, необратимыми раз­рушениями вещества: образуется сквозное отверстие или проплавляется канал. Наличие в материале пор, воздушных и газовых включений определяет благоприятные условия для пробоя, так как в них возникают допол­нительные микроразряды.

Различают тепловой пробой, происходящий при существенном тепло­вом воздействии на материал, и чисто электрический пробой, вызванный увеличением напряжения внешнего поля до критического значения (элек­трической прочности).

Электрическая прочность− величина критического напряжения од­нородного электрического поля при пробое, позволяющая оценить спо­собность материала противостоять его разрушению электрическим напря­жением.

Числовые значения электрической прочности твердых диэлектриков очень большие (несколько миллионов вольт на 1 м толщины материала). Электрическая прочность чистых однородных жидких диэлектриков по ве­личине близка к электрической прочности твердых диэлектриков, но нали­чие примесей и загрязнений существенно ее понижают.

У слюды, кварца и других «хороших» диэлектриков электрическая прочность ~ 10⁸...10⁹ В/м; у очищенных жидких диэлектриков ~10⁸ В/м; у воздуха при нормальных условиях и толщине слоя ~0,01 м − 3^.10⁶ В/м. У полупроводников электрическая прочность изменяется от 10⁸ до 10³ В/ м.

Разрушение твердого диэлектрика от электрического разряда в виде электрической дуги начинается и происходит в газе над его поверхностью. Под влиянием дуговых разрядов и искрения происходит прогрессирующее поверхностное эрозионное разрушение в виде токопроводящего следа или токопроводящей дорожки, имеющих древовидную форму. И дуга, и токопроводящий слой вызывают высокотемпературные реакции разложения и горения диэлектрика.

Диэлектрики используются, главным образом, как электроизо­ляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразо­вания звуковых колебаний в электрические и наоборот; пироэлектрики − для индикации и измерения интенсивности инфракрасного излучения; сегнетоэлектрики − как нелинейные элементы в радио­электронике. Из жидких диэлектриков наибольшее применение име­ют минеральные масла (в трансформаторах, конденсаторах и т.д.).

Требования к электроизоляционным материалам рудничного оборудова­ния (ГОСТ Р 51330.20-99)

Рудничное электрооборудование может иметь два уровня изо­ляции − 1 или 2.

Рудничное электрооборудование с изоляцией уровня 1 должно быть рассчитано для работы при относительной влажности окру­жающей среды 98 ± 2 % (с конденсацией влаги) при температуре :5 ± 2°С. Электрооборудование с изоляцией уровня 2 должно быть рассчитано для работы при относительной влажности окружающей среды 98 ± 2 % при температуре 25 ± 2°С.

Электрооборудование, предназначенное для работы в уголь­ных шахтах, должно иметь уровень изоляции 1.

Электроизоляционные материалы, применяемые для изготов­ления деталей рудничного оборудования, классифицируются по срав­нительному индексу трекингостойкости (СИТ) на группы (а, ..., г).

В табл. 4.5 приведена примерная классификация электроизоля­ционных материалов по группам трекингостойкости.

Для рудничного электрооборудования и электрооборудова­ния угольных шахт не допускается применение гигроскопических ди­электриков, имеющих влагопоглощение за 24 ч более 2 % (например, шифер, мрамор, древесина и т.п.).

Электроизоляционные материалы для деталей рудничного и шахтного оборудования должны обладать:

· функциональными свойствами, например прочностью и твер­достью, гарантирующими их работоспособность;

· ударной вязкостью, кДж/ м², не менее, для материалов:

керамических − 3;

пластических масс, слоистых пластиков, литых смол и компаундов − 4;

изоляционных для изготовления электрических со­единителей − 7;

· теплостойкостью не менее чем на 20°С выше их наиболь­шей рабочей температуры.

Таблица 4.5

Примерная классификация электроизоляционных материалов по трекингостойкости

Изоляционные части, изготовленные из пластмассы или пла­стин, в которых полностью или частично удален поверхностный слой, должны покрываться изоляционным лаком, имеющим значение СИТ не ниже, чем первоначальный слой.

Магнитные свойства

Общие сведения

Магнитное состояние веществ определяет магнетизм.

Магнетизм − особая форма взаимодействия, осуществляемого маг­нитным полем, между движущимися электрически заряженными частицами (телам) или частицами (телами) с магнитным моментом.

Магнитный момент М − векторная величина, характеризующая веще­ства как источник магнитного поля. Характеристикой магнитного состояния вещества является на­магниченность J, которая определяется как отношение магнитного момента М вещества к его объему V. При этом достижение макси­мально возможного для данного вещества значения намагниченности называется магнитным насыщением.

Совокупность атомов с упорядоченно ориентированными маг­нитными моментами может образовать самостоятельный элемент структуры вещества − домен.

Домен− элемент субструктуры химически однородного веще­ства, характеризующийся спонтанной (самопроизвольной) намагни­ченностью. Обычно домены имеют размеры ~ 10^-5 ...10^{-2 см и доступны} непосредственному наблюдению.

Вещества в соответствии со схемами ориентации магнитных моментов их атомов классифицируются по магнитному состоянию на парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

У парамагнетиковмагнитные моменты атомов внутри каждого домена ориентированы хаотично и взаимно компенсируют друг друга, поэтому материал в целом не намагничен. Парамагнетиками являются: все переход­ные металлы с недостроенными f- и d-электронными оболочками; щелоч­ные и щелочноземельные металлы, ряд солей Fe, Co, Ni и редкоземельных элементов; водные растворы солей, содержащих ионы переходных элемен­тов; из газов − кислород О₂.

У ферромагнетиковвнутри каждого домена магнитные моменты ато­мов расположены параллельно друг другу в одном направлении, и поэтому каждый домен спонтанно намагничен до величины магнитного насыще­ния. Вектора намагниченности доменов ферромагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы таким образом, что результи­рующая намагниченность образца в целом, как правило, равна нулю.

Ферромагнетизм проявляется в кристаллах Fe, Co, Ni, ряде редкозе­мельных металлов (Gd, Dy, Er и др.), в сплавах и соединениях с участием этих элементов, а также в сплавах Сr, Мn и в соединениях U. Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов (например, Fe или Со) в диамагнитной матрице Pd. Ферромагнитные свойства обнаружены также в металлических стеклах и аморфных полупроводниках.

У некоторых веществ более выгодным является антипараллельное упорядочение магнитных моментов в доменах. В этом случае домен состо­ит из двух подрешеток с противоположной ориентацией магнитных мо­ментов атомов. Если магнитные моменты двух подрешеток скомпенсиро­ваны, то такие вещества называют антиферромагнетиками, а если не ском­пенсированы, то возникает результирующий магнитный момент и такие тела называют ферримагнетиками. Антиферромагнитные материалы отно­сятся к группе парамагнетиков, а ферримагнитные − к группе ферромаг­нетиков.

К антиферромагнетикам относятся ряд элементов (твердый кислород, Сг, α-марганец и др.) и порядка тысячи известных химических соединений металлов (NiF₂, FeO и др.). Значительная часть ферримагнетиков − это диэлектрические или полупроводниковые ионные кристаллы, содержащие магнитные ионы различных элементов или одного элемента, но находя­щиеся в разных кристаллографических позициях (в неэквивалентных узлах кристаллической решетки). К ферримагнетикам относятся также ряд упо­рядоченных металлических сплавов, интерметаллиды и, главным образом, различные оксиды, в том числе ферриты.

Вещества даже одного и того же химического состава в зави­симости от кристаллического строения и фазового состава могут на­ходиться в различных магнитных состояниях. Например, Fe, Co и Ni с кристаллическим строением ниже определенной температуры (точ­ка Кюри) обладают ферромагнитными свойствами, а выше этой тем­пературы они парамагнитны. Переход из парамагнитного состояния в антиферромагнитное происходит при понижении температуры (ни­же температуры НееляT_N) и представляет собой фазовое превращение 2-го рода. У некоторых редкоземельных металлов между ферро- и парамагнитной температурными областями существует антиферро­магнитная область.

Под влиянием внешнего магнитного поля в веществах проте­кают процессы намагничивания, то есть изменения намагниченности, и возникают дополнительные магнитные моменты:

диамагнитный, обусловленный орбитальным движением электронов;

парамагнитный, складывающийся из спиновых магнитных моментов атомов и движения свободных электронов.

Преобладание той или другой составляющей определяет маг­нитные свойства материалов, характеризующие их способность на­магничиваться при воздействии внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм− свойство веществ (диамагнетиков) намагни­чиваться в направлении, противоположном действующему на них внешнему магнитному полю. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако во многих случаях он маскируется парамагнетизмом, ферро­магнетизмом и др. Диамагнетиками являются инертные газы (N₂, Н₂), некоторые металлы (Si, P, Bi, Zn, Си, Au, Ag, Hg), растворы, сплавы и химические соединения (например, галогенов), а также многие ор­ганические и неорганические соединения с неполярной связью. На­магниченность, связанная с диамагнетизмом, обычно невелика, и ис­ключение представляют сверхпроводники, которые иногда относят к диамагнетикам.

Парамагнетизм− свойство веществ (парамагнетиков), поме­ченных во внешнее магнитное поле, намагничиваться в направлении, совпадающем с направлением этого поля. В парамагнетиках проис­ходит ориентация хаотически колеблющихся магнитных моментов атомов или ионов в направлении поля. Парамагнетизм наблюдается у щелочных (Li, К, Na и др.), щелочноземельных (Са, Ra, Ba) и пере­ходных металлов (кроме Fe, Ni, Со, Мn, Сr).

В ферромагнетиках под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счет других доменов. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Кроме того, векторы намагниченности отдельных доменов могут поворачиваться по полю. Изменение формы, размеров и ори­ентации доменов может привести к магнитострикции.

В достаточно сильном магнитном поле ферромагнитный обра­зец намагничивается до насыщения.

Намагниченность насыщения− состояние ферромагнетика, при котором его намагниченность достигает предельного значения J_m, не меняющегося при дальнейшем увеличении напряженности намагни­чивающего поля. При этом образец состоит как бы из одного домена с намагниченностью насыщения, направленной по полю.

Намагниченность насыщения чистых металлов является кон­стантой и не изменяется при пластической деформации или термиче­ской обработке. Намагниченность насыщения однофазных сплавов определяется их составом, а гетерогенных, состоящих из ферромаг­нитной и парамагнитной фаз, − составом и количеством ферромаг­нитной фазы. Она не зависит от дисперсности фаз, уровня микро- и макронапряжений, изменения плотности дислокаций. Таким образом, намагниченность насыщения не является структурно чувствительным свойством.