Жидкие диэлектрики.
Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 10 12 ОмЧсм). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C 6 H 6), или ациклические соединения типа гексана . Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.
Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl 3) и четыреххлористый углерод (CCl 4), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.
Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.
Твердые диэлектрики.
К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь очень высокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимой ниже таблицы.
Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого или жидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов и образованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой является результатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрики подвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит к появлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторые материалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях.
Электромонтажные работы неразрывно связаны со строительством во всех областях народного хозяйства. Поэтому вполне естественно разнообразие технологических методов ведения электромонтажных работ и широкая номенклатура (перечень названий) применяющихся материалов и изделий.
Особенно разнообразны электромонтажные изделия для прокладки, закрепления, соединения и присоединения различных проводников (голых шин, кабелей, голых и изолированных проводов), защиты их в необходимых случаях от вредного воздействия окружающей среды и механических повреждений, а также для установки отдельных аппаратов, светильников и т. п.
Электромонтажные изделия почти не выпускаются заводами промышленности. В основном они изготовляются электромонтажными организациями в своих мастерских. Однако ведущие электромонтажные организации, одной из которых в области электромонтажа промышленных предприятий является Главэлектромонтаж Министерства строительства, уже многие годы производят на своих специализированных заводах электромонтажные изделия в сравнительно больших количествах и ассортименте. Эти изделия являются массовыми и полностью отвечают требованиям, предъявляемым к заводской продукции.
Ниже приводится описание электромонтажных изделий, применяемых только во внутренних электроустановках.
Электромонтажные изделия для наружных установок, воздушных линий электропередачи (которые принято называть арматурой линий), крановых троллеев,
а также муфты для соединения и оконцевания кабелей не рассматриваются.
В тексте, таблицах и на рисунках для изделий указаны типы, принятые в системе Главэлектромонтажа. В брошюре описаны лишь сами изделия. Об их использовании даны только самые общие сведения, гак как технике применения электромонтажных изделий посвящается другая брошюра, готовящаяся к печати в «Библиотеке электромонтера».
К основным электрическим характеристикам диэлектриков относятся диэлектрическая проницаемость , электропроводность , диэлектрические потери и электрическая прочность .
Диэлектрическая проницаемость
В диэлектрике носители электрического заряда прочно связаны с атомами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. При этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация . Различают следующие виды поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная и спонтанная (самопроизольная).
Рисунок 3.1 – Электронная поляризация атомов водорода
а – в отсутствии внешнего поля, б – при наличии поля
Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью . Она может быть найдена по измеренной емкости конденсатора с диэлектриком:
где С – емкость конденсатора с диэлектриком;
С 0 - емкость того же конденсатора в вакууме.
На рис. 3.2 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых равна S (м 2), а расстояние между ними h (м). В конденсаторе, изображенном на рис. 3.2, а, между электродами вакуум, а на рис. 3.2, б - диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродах U (В), то напряженность электрического поля равна Е = U/h (В/м).
Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом и равен Q 0 (Кл).
В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи (рис. 3.2, б).
Рис. 3.2 - Электрические заряды на электродах конденсатора при подаче напряжения U
Поэтому на поверхности диэлектрика образуются поляризационные заряды: отрицательный у положительного электрода, и наоборот. Для компенсации этих поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q д. Суммарный полный заряд Q в конденсаторе с диэлектриком равен
Q=Q 0 + Q д = ε r Q 0 ,
где ε r - относительная диэлектрическая проницаемость.
Электрическая емкость конденсатора с вакуумом и с диэлектриком между электродами равна
Емкость С 0 (Ф) называют геометрической емкостью конденсатора.
При этом емкость плоского конденсатора определяется по формуле
где ε 0 = 8,84·10 -12 Ф/м – диэлектрическая постоянная.
Емкость цилиндрического конденсатора
Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, в первую очередь, определяется механизмами поляризации. Однако величина в в большой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняются плотность вещества, его вязкость и изотропность.
Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и диэлектрическая проницаемость их близка к единице.
Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема газа, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.
Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей и чем больше число молекул в единице объема.
В твердых телах возможны все виды поляризации. Наименьшее значение диэлектрической проницаемости имеют твердые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающие только электронной поляризацией.
Диэлектрики подразделяются на полярные - ε r >2 – в них проявляется несколько видов поляризации и неполярные - ε r ≤2 – проявляется только электронная поляризация. Неполярные используются для создания электроизоляционных материалов, полярные – как диэлектрики в конденсаторах.
К неполярным диэлектрикам относятся газы, жидкости и твердые вещества, обладающие только электронной поляризацией (водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен). К полярным (дипольным) относятся жидкие и твердые вещества, имеющие одновременно несколько видов поляризаций (кремнийорганические соединения, смолы, компаунды и др.).
Г.А. Воробьев, Ю.П. Похолков, Ю.Д. Королев, В.И. Меркулов
диэлектриков
(область сильных полей)
Каф. ЭИКТ ЭЛТИ
Министерство образования Российской Федерации
Томский политехнический университет
Г.А. Воробьев, Ю.П. Похолков,
Ю.Д. Королев, В.И. Меркулов
Физика диэлектриков
(область сильных полей)
Учебное пособие
Издательство ТПУ
В пособии изложены основные сведения по физике газового разряда, включая ВЧ-, СВЧ- и оптический пробой. Рассмотрены теоретические представления о механизме пробоя твердых и жидких диэлектриков, процессах их старения и представлены некоторые экспериментальные данные об особенностях их пробоя в зависимости от различных факторов. Пособие предназначено для студентов направления «Электротехника, электромеханика, электротехнологии» и может быть полезно специалистам, занимающимся проектированием высоковольтных конструкций.
Рецензенты
Доктор технических наук, профессор ТГАСУ
Г.Г. Волокитин
Доктор физико-математических наук, профессор ТГАСУ
Л.А. Лисицина
Каф. ЭИКТ ЭЛТИ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Известно, что все вещества по электрическим свойствам подраз-
деляются на проводники, полупроводники и диэлектрики. Последние, пожалуй, являются наименее изученными. По физике пробоя диэлектриков имеются многочисленные монографии. Из них наиболее фундаментальными являются монографии В. Франца (1961 г.) и Г.И. Сканави (1958 г.). Но эти книги уже устарели, и их объем выходит за пределы программ учебных дисциплин вузов. Кроме того, эти книги стали библиографической редкостью и практически недоступны для студентов.
Известны также книги А.А. Воробьева, Ю.П. Райзера, Г.С. Кучинского, Б.И. Сажина, В.Я. Ушакова, Ю.Н. Вершинина и др., в которых отражены отдельные вопросы пробоя газообразных, твердых или жидких диэлектриков. Поэтому эти книги могут быть использованы студентами только для более углубленного изучения отдельных разделов курса, но не как учебное пособие. Широко известна книга Г.А. Воробьева (1977 г.) по физике диэлектриков (область сильных полей), которая пользуется спросом у студентов, но в настоящее время она также стала библиографической редкостью и требуется ее переиздание.
В основу представляемого пособия взята уже упомянутая книга Г.А. Воробьева, а также материалы лекций по курсу «Физика диэлектриков (область сильных полей)», которые читаются на протяжении многих лет Ю.П. Похолковым и В.И. Меркуловым для студентов специальности «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника» в Томском политехническом университете. При написании отдельных разделов по пробою газов, были использованы материалы, предоставленные Ю.Д. Королевым.
Ввиду многочисленности вопросов, рассматриваемых в данном пособии, при его подготовке для консультаций привлекались С.Г. Еханин, П.Е. Троян, В.В. Лопатин, Ю.И. Кузнецов и др., которые непосредственно занимались изучением пробоя диэлектриков и которым авторы выражают глубокую признательность.
Все появившиеся у читателей замечания просьба присылать по ад-
ресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, ТПУ.
Каф. ЭИКТ ЭЛТИ
ВВЕДЕНИЕ
В диэлектриках, как и в других веществах, всегда имеются заряженные частицы. Если к диэлектрику приложено слабое электрическое поле, то происходящие в нем процессы, связанные с перемещением заряженных частиц, не вызывают его разрушения. Такие явления составляют физику диэлектриков, область слабых полей. Если к диэлектрику приложено гораздо более сильное электрическое поле, при котором заряженные частицы вызывают, в конечном счете, разрушение диэлектрика, то такие явления составляют физику диэлектриков, область сильных полей. В сильных электрических полях в диэлектриках протекают качественно новые явления, которые в слабых электрических полях были невозможны. Для этих полей характерно наличие высокой кинетической энергии заряженных частиц, приобретаемой ими при движении в электрическом поле, которая становится сопоставимой с энергией возбуждения атомов и молекул и энергией их ионизации.
В большинстве случаев очень сильное электрическое поле вызывает резкое увеличение электропроводности, за счет чего диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Такое явление называется пробоем диэлектрика. Согласно ГОСТ 21515–76, пробой – это явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля. Минимальное электрическое напряжение, приложенное к диэлектрику, приводящее к пробою, называется пробивным и обозначаетсяU пр . Соответствующая минимальная напряженность од-
нородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика, называется электрической прочностью (пробивной напряженностью). В однородном электрическом поле она равна: E пр = U np d (гдеd –
толщина диэлектрика). В случае неоднородного электрического поля величина E пр.ср. = U пр d называется средней пробивной напряженно-
Механизм разрушения диэлектрика под действием электрического поля достаточно сложен и многообразен и может протекать по-разному в зависимости от вида воздействующего напряжения, времени его приложения, типа диэлектрика, его структуры, температуры и др. условий испытания. Это может быть развитие ударной ионизации, нарушение тепловой устойчивости и перегрев диэлектрика за счет высоких диэлектрических потерь или процессы электрохимического старения при длительном воздействии электрического поля. Можно также сказать, что пробой диэлектрика представляет собой сочетание многих физических процессов (электрических, тепловых, оптических, механических и др.), преимущественное развитие которых определяет его механизм.
Каф. ЭИКТ ЭЛТИ
Наиболее существенное влияние на механизм пробоя и его развитие оказывает вид диэлектрика. Так, например, пробой газообразных и жидких диэлектриков отличается от пробоя твердых диэлектриков отсутствием второй стадии, т.е. стадии разрушения. Эта стадия характеризуется остаточными изменениями диэлектрика, обусловленными термическим или механическим разрушением, приводящим к появлению проводящего канала. После пробоя газообразных и жидких диэлектриков таких необратимых изменений практически не наблюдается, т.е. имеет место самовосстановление их электрической прочности, если, конечно, не происходит химического изменения вещества.
Пробой диэлектрика обычно вызывает аварийное состояние электрического аппарата, и очень важно сконструировать электрический аппарат так, чтобы он имел минимальные размеры и при воздействии рабочего напряжения не пробивался в течение положенного времени эксплуатации. В то же время явления, сопровождающие пробой диэлектриков, находят практическое применение при разработке новых технологий. Такими примерами являются использование газового разряда в газоразрядных приборах, в газовых лазерах, в приборах со взрывной эмиссией, в электроискровой обработке конструкционных материалов, при электроимпульсном разрушении и измельчении горных пород, при получении смазочных масел и др. Во всех случаях важно знать закономерности пробоя диэлектриков.
Наиболее изученным является пробой газов, поэтому он рассматривается в первом разделе. Кроме того, многие представления о газовом разряде широко привлекаются для объяснения пробоя твердых и жидких диэлектриков. Далее по степени изученности идет пробой твердых и жидких диэлектриков, который рассмотрен во втором и третьем разделах.
В отличие от книги Г.А. Воробьева «Физика диэлектриков (область сильных полей)», в данном пособии значительно увеличен объем раздела по газовому разряду. Этому способствовало появление в 1987 г. фундаментальной монографии по физике газового разряда, изданной Ю.П. Райзером. Более подробно рассмотрены вопросы столкновения атомных частиц, особенности пробоя газа в разных частотных диапазонах, особенности тлеющего, дугового и коронного разрядов.
Все разделы по пробою твердых диэлектриков пересмотрены с учетом их важности с позиций современных теоретических представлений. Значительно уменьшен объем разделов, в которых излагаются теории теплового пробоя Вагнера, А.Ф. Вальтера и Н.Н. Семенова, строгая теория В.А. Фока, классические теории электрического пробоя Роговского и Иоффе и другие теории, представляющие большей частью исторический интерес. Сокращен также объем разделов, в кото-
Каф. ЭИКТ ЭЛТИ
рых излагаются квантово-механические теории электрического пробоя твердых диэлектриков неударным механизмом Зинера, Френкеля и Фаулера и квантово-механические теории ударным механизмом А. Хиппеля и Г. Фрелиха.
При объяснении механизма электрического пробоя твердых диэлектриков в литературе сложилось два научных направления. Большинство экспериментальных данных показывает, что электрический пробой твердых диэлектриков обусловлен ударной ионизацией электронами. Однако в работах Ю.Н. Вершинина и его сотрудников отрицается возможность развития в твердых диэлектриках ударной ионизации электронами. Они подходят к объяснению механизма электрического пробоя твердых диэлектриков с позиции перегревной электрической неустойчивости и электронной детонации при разрушении твердых диэлектриков. Эти вопросы рассматриваются в отдельном разделе.
Выделены в отдельный раздел и значительно расширены вопросы пробоя твердых диэлектриков в области сверхсильных электрических полей (электрическое упрочнение, электронные токи и свечение в микронных слоях, дислокации и трещины перед пробоем и др.), которые не противоречат механизму электрического пробоя ударной ионизацией электронами. Введены разделы по пробою диэлектрических пленок и формованных МДМ-систем.
Рассмотрены некоторые особенности пробоя полимерных диэлектриков согласно работам Артбауэра, Старка, Гартона, С.Н. Колесова. Расширен раздел электрического старения твердых диэлектриков под действием частичных разрядов согласно данным Г.С. Кучинского и С.Н. Койкова.
Раздел пробоя жидких диэлектриков дополнен новыми данными о развитии разряда в жидкости и влиянии ультразвука на ее электрическую прочность. Рассмотрены особенности и закономерности внедрения электрического разряда в твердый диэлектрик, погруженный в жидкость.
Все жидкие и твердые вещества по характеру действия на них электростатического поля делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Диэлектрики (изоляторы) – вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток. К диэлектрикам относят воздух, некоторые газы, стекло, пластмассы, различные смолы, многие виды резины.
Если поместить в электрическое поле нейтральные тела из таких материалов, как стекло, эбонит, можно наблюдать их притяжение как к положительно заряженным, так и к отрицательно заряженным телам, но значительно более слабое. Однако при разделении таких тел в электрическом поле их части оказываются нейтральными, как и всё тело в целом.
Следовательно, в таких телах нет свободных электрически заряженных частиц, способных перемещаться в теле под действием внешнего электрического поля. Вещества, не содержащие свободных электрически заряженных частиц, называют диэлектриками или изоляторами .
Притяжение незаряженных тел из диэлектриков к заряженным телам объясняется их способностью к поляризации.
Поляризация
– явление смещения связанных электрических зарядов внутри атомов, молекул или внутри кристаллов под действием внешнего электрического поля. Самый простой пример поляризации
– действие внешнего электрического поля на нейтральный атом. Во внешнем электрическом поле сила, действующая на отрицательно заряженную оболочку, направлена противоположно силе, которая действует на положительное ядро. Под действием этих сил электронная оболочка несколько смещается относительно ядра и деформируется. Атом остаётся в целом нейтральным, но центры положительного и отрицательного заряда в нём уже не совпадают. Такой атом можно рассматривать как систему из двух равных по модулю точечных зарядов противоположного знака, которую называют диполем.
Если поместить пластину из диэлектрика между двумя металлическими пластинами с зарядами противоположного знака, все диполи в диэлектрике под действием внешнего электрического поля оказываются обращёнными положительными зарядами к отрицательной пластине и отрицательными зарядами к положительно заряженной пластине. Пластина диэлектрика остаётся в целом нейтральной, но её поверхности покрыты противоположными по знаку связанными зарядами.
В электрическом поле поляризационные заряды на поверхности диэлектрика создают электрическое поле, противоположно направленное внешнему электрическому полю. В результате этого напряжённость электрического поля в диэлектрике уменьшается, но не становиться равной нулю.
Отношение модуля напряжённости E 0 электрического поля в вакууме к модулю напряжённости Е электрического поля в однородном диэлектрике называется диэлектрической проницаемостью ɛ вещества:
ɛ = Е 0 / Е
При взаимодействии двух точечных электрических зарядов в среде с диэлектрической проницаемостью ɛ в результате уменьшения напряжённости поля в ɛ раз кулоновская сила также убывает в ɛ раз:
F э = k (q 1 · q 2 / ɛr 2)
Диэлектрики способны ослаблять внешнее электрическое поле. Это их свойство применяется в конденсаторах.
Конденсаторы – это электрические приборы для накопления электрических зарядов. Простейший конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин, разделённым слоем диэлектрика. При сообщении пластинам равных по модулю и противоположных по знаку зарядов +q и –q между пластинами создаётся электрическое поле с напряжённостью Е . Вне пластин действие электрических полей, направленное противоположно заряженных пластин, взаимно компенсируется, напряжённость поля равна нулю. Напряжение U между пластинами прямо пропорционально заряду на одной пластине, поэтому отношение заряда q к напряжению U
C = q / U
является для конденсатора величиной постоянной при любых значениях заряда q. Это отношение С называется электроёмкостью конденсатора.
Остались вопросы? Не знаете, что такое диэлектрики?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «диэлектрик» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электростатическое поле. При помещении в электрическое поле любого вещества электроны и атомные ядра испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, создавая электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов (поляризация или электрическая проводимость) преобладает, вещества делят на диэлектрики (все неионизованные газы, некоторые жидкости и твёрдые тела) и проводники (металлы, электролиты, плазма).
Электрическая проводимость диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков 10 8 -10 17 Ом·см, металлов - 10 -6 -10 -4 Ом·см.
Количественное различие в электрической проводимости диэлектриков и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, в то время как в диэлектриках все электроны связаны (принадлежат отдельным атомам) и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их.
Квантовая теория твёрдого тела объясняет различие электрических свойств металлов и диэлектриков различным распределением электронов по энергетическим уровням. В диэлектриках верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (в металлах он лежит внутри разрешённой зоны), а ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной, преодолеть которую под действием не слишком сильных электрических полей электроны не могут (смотри Зонная теория). Действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, которое приводит к поляризации диэлектрика.
Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации диэлектриков зависят от характера химической связи, т. е. распределения электронной плотности в диэлектриках. В ионных кристаллах (например, NaCl) поляризация является результатом сдвига ионов относительно друг друга (ионная поляризация), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация), т. е. суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, алмаз), где электронная плотность равномерно распределена между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь. В так называемых полярных диэлектриках (например, твёрдый Н 2 S) группы атомов представляют собой электрические диполи, которые ориентированы хаотически в отсутствии электрического поля, а в поле приобретают преимущественную ориентацию. Такая ориентационная поляризация типична для многих жидкостей и газов. Похожий механизм поляризации связан с «перескоком» под действием электрического поля отдельных ионов из одних положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм наблюдается в веществах с водородной связью (например, лёд), где атомы водорода имеют несколько положений равновесия.
Поляризация диэлектриков характеризуется вектором поляризации Р, который представляет собой электрический дипольный момент единицы объёма диэлектрика:
где p i - дипольные моменты частиц (атомов, ионов, молекул), N - число частиц в единице объёма. Вектор Р зависит от напряжённости электрического поля Е. В слабых полях Ρ = ε 0 ϰΕ. Коэффициент пропорциональности ϰ называется диэлектрической восприимчивостью. Часто вместо вектора Р используют вектор электрической индукции (1)
где ε - диэлектрическая проницаемость, ε 0 - электрическая постоянная. Величины ϰ и ε - основные характеристики диэлектрика. В анизотропных диэлектриках (например, в некубических кристаллах) направление Р определяется не только направлением поля Е, но и направлением осей симметрии кристалла. Поэтому вектор Р будет составлять различные углы с вектором Е в зависимости от ориентации Е по отношению к осям симметрии кристалла. В этом случае вектор D будет определяться через вектор Е с помощью не одной величины ε, а нескольких (в общем случае шести), образующих тензор диэлектрической проницаемости.
Диэлектрики в переменном поле. Если поле Е изменяется во времени t, то поляризация диэлектрика не успевает следовать за ним, так как смещения зарядов не могут происходить мгновенно. Поскольку любое переменное поле можно представить в виде совокупности полей, меняющихся по гармоническому закону, то достаточно изучить поведение диэлектрика в поле Е = Е 0 sinωt, где ω - частота переменного поля, Е 0 - амплитуда напряжённости поля. Под действием этого поля D и Р будут колебаться тоже гармонически и с той же частотой. Однако между колебаниями Р и Е появляется разность фаз δ, что вызвано отставанием поляризации Р от поля Е. Гармонический закон можно представить в комплексном виде Е = Е 0 e iωt , тогда D = D 0 e iωt , причём D 0 = ε(ω)Ε 0 . Диэлектрическая проницаемость в этом случае является комплексной величиной: ε(ω) = ε’ + iε’’, ε’ и ε’’ зависят от частоты переменного электрического поля ω. Абсолютная величина
определяет амплитуду колебания D, а отношение ε’/ε" = tgδ - разность фаз между колебаниями D и Е. Величина δ называется углом диэлектрических потерь. В постоянном электрическом поле ω = 0, ε" = 0, ε’ = ε.
В переменных электрических полях высоких частот свойства диэлектрика характеризуются показателями преломления n и поглощения k (вместо ε’ и ε"). Первый равен отношению скоростей распространения электромагнитных волн в диэлектрике и в вакууме. Показатель поглощения k характеризует затухание электромагнитных волн в диэлектрике. Величины n, k, ε’ и ε" связаны соотношением (2)
Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля. В ряде твёрдых диэлектриков (пироэлектриках, сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, электретах) поляризация может существовать и без электрического поля, т. е. может быть вызвана другими причинами. Так, в пироэлектриках заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. диэлектрик спонтанно поляризован. Однако поляризация в пироэлектриках проявляется только при изменении температуры, когда компенсирующие поляризацию электрические заряды не успевают перестроиться. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, спонтанная поляризация которых может существенно изменяться под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического поля). В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформации кристалла, что связано с особенностями их кристаллической структуры. Поляризация в отсутствии поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами.
Электрическая проводимость диэлектриков мала, но всегда отлична от нуля. Подвижными носителями заряда в диэлектриках могут быть электроны и ионы. В обычных условиях электронная проводимость диэлектриков мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость может быть обусловлена перемещением как собственных ионов, так и примесных. Возможность перемещения ионов по кристаллу связана с наличием дефектов в кристаллах. Если, например, в кристалле есть вакансия, то под действием поля соседний ион может занять её, во вновь образовавшуюся вакансию может перейти следующий ион и т. д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов происходит и в результате их перескоков по междоузлиям. С ростом температуры ионная проводимость возрастает. Заметный вклад в электрическую проводимость диэлектрика может вносить поверхностная проводимость (смотри Поверхностные явления).
Пробой диэлектриков. Плотность электрического тока j через диэлектрик пропорциональна напряжённости электрического поля Е (закон Ома): j = ςЕ, где ς - электрическая проводимость диэлектрика. Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом значении Е пр наступает электрический пробой диэлектрика. Величина Е пр называется электрической прочностью диэлектрика. При пробое почти весь ток течёт по узкому каналу (смотри Шнурование тока). В этом канале j достигает больших величин, что может привести к разрушению диэлектрика: образуется сквозное отверстие или диэлектрик проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции; например, в органических диэлектриках осаждается углерод, в ионных кристаллах - металл (металлизация канала) и т. п. Пробою способствуют всегда присутствующие в диэлектрике неоднородности, поскольку в местах неоднородностей поле Е может локально возрастать.
В твёрдых диэлектриках различают тепловой и электрический пробои. При тепловом пробое с ростом j растёт количество теплоты, выделяемое в диэлектрике, и, следовательно, температура диэлектрика, что приводит к увеличению числа носителей заряда n и уменьшению удельного электрического сопротивления ρ. При электрическом пробое с ростом поля возрастает генерация носителей заряда под действием поля и ρ тоже уменьшается.
Электрическая прочность жидких диэлектриков в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает Е пр. Для чистых однородных жидких диэлектриков Е пр близка к Е пр твёрдых диэлектриков. Пробой в газе связан с ударной ионизацией и проявляется в виде электрического разряда.
Нелинейные свойства диэлектриков. Линейная зависимость Р = ε 0 ϰЕ справедлива только для полей Е, значительно меньших внутрикристаллических полей Е кр (Е кр порядка 10 8 В/см). Т.к. Е пр << Е кр, то в большинстве диэлектриков не удаётся наблюдать нелинейную зависимость Р(Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, в которых в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость Р(Е). При высоких частотах электрическая прочность диэлектрика повышается, поэтому нелинейные свойства любых диэлектриков проявляются в ВЧ-полях больших амплитуд. В частности, в луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённостью порядка 10 8 В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства диэлектрика, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная оптика).
Применение диэлектриков. Диэлектрики используются главным образом как электроизоляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразования механических сигналов (перемещений, деформаций, звуковых колебаний) в электрические и наоборот (смотри Пьезоэлектрический преобразователь); пироэлектрики - как тепловые детекторы различных излучений, особенно ИК-излучения; сегнетоэлектрики, будучи также пьезоэлектриками и пироэлектриками, применяются, кроме того, как конденсаторные материалы (из-за высокой диэлектрической проницаемости), а также как нелинейные элементы и элементы памяти в разнообразных устройствах. Большинство оптических материалов является диэлектриками.
Лит.: Фрелих Г. Теория диэлектриков. М., 1960; Хиппель А. Р. Диэлектрики и волны. М., 1960; Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М., 1966. Вып. 5: Электричество и магнетизм; Калашников С. Г. Электричество. 5-е изд. М., 1985.
А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.
