Классификация диэлектриков

Лекция № 2 - Введение в курс ХТД (органические материалы)

Первый случай создания достаточно мощного источника электрической энергии относят к 1802 г. : Петров сконструировал батарею, э.д.с. которой обеспечивалась благодаря контактной разности потенциалов. С момента открытия электричества возник интерес и к диэлектрическим материалам. По мере развития представлений о свойствах электрического тока, способах его производства, преобразования и передачи совершенствовалось и познание диэлектриков.

В общем виде под диэлектриками понимают электротехнические материалы, выполняющие двойную функцию:

1.изолирующую, т.е. состоящую в разделении токоведущих частей электроустановок, а также токоведущих частей и элементов, имеющих потенциал земли;

2. накопление энергии, которая реализуется в конденсаторах благодаря способности диэлектриков поляризоваться.

Для того, чтобы количественно выделить диэлектрики среди прочих электротехнических материалов, часто в качестве критериальной характеристики используют удельное сопротивление – ρ, Ом•м.

Электротехнические материалы ρ

проводники 10^-8 – 10^-5

полупроводники 10^-6 – 10⁺⁸

диэлектрики 10⁺⁷ – 10⁺¹⁶

Номенклатура диэлектриков изменялась постепенно в соответствии с уровнем развития электротехники и электроэнергетики.

Первоначально человечество использовало те диэлектрические вещества, которые создала природа, т.е. натуральные или естественные. Например: бумага, мрамор, воск, янтарь, каучук и т.д. Эти материалы были первыми диэлектриками, обладающими своими плюсами и минусами.

Бумага – неоднородна по структуре, т.е. морфологически неоднородна; имеет низкие механические свойства; не выдерживает воздействия температуры (обугливается); легко поглощает влагу (гигроскопична), но устойчива к электрическому старению; производится из воспроизводимого источника сырья (древесины) и т.д.

Мрамор - природный неорганический диэлектрик (очень пористый и гигроскопичный).

Янтарь - природный материал, который не превзойден по ρ_v, но хрупок и дефицитен.

Воск и каучук – прекрасные природные диэлектрики, однако дороги и дефицитны.

Все перечисленные электроизоляционные материалы с электротехнической точки зрения вполне удовлетворяли требованиям до тех пор, пока конструкции работали на малых напряжениях, токах и частотах. Ведь их основная функция состояла в надежной изоляции токоведущих частей. Однако постепенно, по мере возрастания требований к технико-экономическим показателям электротехнических устройств, природные материалы оказались мало пригодными.

Требовалось: совершенствование свойств традиционных диэлектриков;

создание их искусственных аналогов;

разработка уникальных диэлектриков с заданными свойствами.

Решение указанных задач дало толчок развитию химии диэлектриков. Химия – это наука о строении веществ. В ее задачи входит подробное исследование натуральных диэлектриков и синтез искусственных материалов.

Задачи курса «Химия и технология органических диэлектриков» много шире. Необходимо знать:

- строение и состав диэлектриков природного происхождения;

- взаимосвязь химического строения и структурных особенностей с конкретными электрофизическими и механическими свойствами электроизоляционного материала;

- способы их совершенствования;

- способы получения их искусственных аналогов, необходимого состава и структуры;

- принципы создания диэлектриков с заданными свойствами;

- технологическое и техническое обеспечение решения поставленных задач;

- причины и механизмы изменения свойств диэлектриков под действием внешних факторов;

- способы замедления разрушения материалов в процессе эксплуатации.

Таким образом предмет настоящего курса много шире, глубже и объединяет достижения различных отраслей науки с целью совершенствования электроизоляционных материалов.

Классификация диэлектриков

Существует множество признаков, по которым диэлектрические материалы можно отнести к той или иной группе веществ, например:

1. по происхождению:

а. натуральные – мрамор, целлюлоза, керамика, пенька, каучук, масла, воск и т.д.;

б. синтетические – полимеры, керамика, стекло, каучук, масла и т.д.

2. по химической природе:

а. неорганические – кварц, стекло, керамика, мрамор и т.д.;

б. органические – полимеры, целлюлоза, масла, пенька и т.д.;

в. композиционные (или “составные” из органической связки и органических или неорганических наполнителей) – текстолит, лакоткань, стеклотекстолит и т.д.

3. по физическим свойствам, в частности, по отношению к температуре или воде;

4. по физическому состоянию - стеклообразные, высокоэластические, вязкотекучие;

5. по агрегатному состоянию – твердые, жидкие, газообразные;

6. по фазовому состоянию – кристаллические, аморфно-кристаллические или аморфные.

И так далее. В настоящем курсу мы будем изучатьорганические твердые и жидкие диэлектрики, уделив особое внимание полимерам. Неорганические и композиционные электроизоляциооные материалы будут рассмотрены позднее.