Что такое диэлектрик

В разделе физики, описывающем влияние электрического поля на различные материалы и среды, выделяется отдельный класс веществ, названный диэлектриками. К ним относятся вещества во всевозможных агрегатных состояниях. Главное свойство, присущее всем диэлектрикам, — большая величина удельного электрического сопротивления, которая приводит к тому, что данные вещества слабо проводят электрический ток. Идеальным диэлектриком можно считать материал с электрической проводимостью равной нулю. В электротехнике электрические свойства диэлектриков находят широкое применение в качестве элементов изоляции.

Примеры диэлектриков

История термина

Выделить в отдельный класс вещества, плохо проводящие электрический ток и назвать их диэлектриками, предложил выдающийся британский физик-экспериментатор Майкл Фарадей. Кроме исследования физических свойств диэлектриков, Фарадей знаменит еще такими открытиями, как:

• явление электромагнитной индукции, на базе которого основано производство электрической энергии и последующее преобразование ее в механическую энергию;
• законы электролиза;
• изобретение трансформатора;
• изобретение электродвигателя;
• эффект воздействия магнитного поля на свет;
• эффект диамагнетизма.

Фарадей автор термина диэлектрик

Основные свойства

Диэлектрик как вещество характеризируют такие основные свойства, как электропроводность, удельное сопротивление, поляризация, диэлектрическая проницаемость, электрическая и механическая прочность.

Удельное электрическое сопротивление диэлектриков

Максимальная величина УЭС у известных диэлектриков может достигать значений 10¹⁷ Ом*м. Высокие проводящие свойства металлов (ρ < 10^-5 Ом*м), связаны с наличием большого количества свободных электронов, способных мгновенно создавать направленный ток при наличии электрического поля.

В диэлектриках свободные электроны практически отсутствуют, а их активации происходит с помощью внешнего воздействия, к которому относится:

• Повышение температуры.
• Увеличение электрического поля вплоть до пробойных значений.

Диапазоны УЭС

Диэлектрическая проницаемость

Одним из основных параметров диэлектриков является диэлектрическая проницаемость ε. Она характеризует процесс поляризации диэлектрика, помещённого во внешнее электрическое поле, то есть, показывает, во сколько раз электрическое поле ослабляется диэлектриком. Но утверждение, что внутреннее электрополе меньше внешнего в ε раз справедливо лишь в том случае, когда применяется однородный электрик.

Диэлектрическая проницаемость

Поляризация диэлектриков объясняется тем, что несмотря на электрическую нейтральность, строение молекул, состоящих из положительных зарядов ядер и отрицательных электронов способствует образованию диполей — двух зарядов противоположного знака, разнесённых на некоторое расстояние друг от друга.

Взаимодействие диполей с внешним электрическим полем вызывает поляризацию диэлектриков. Различают полярные и неполярные материалы. Эти два вида диэлектриков обладают как схожими свойствами, так и существенно отличающимися.

Определение поляризации

Тангенс угла диэлектрических потерь

Этот параметр характеризует поведение диэлектрика в переменном электрическом поле. В конденсаторе с идеальным диэлектрическим материалом разность фаз между напряжением и током составляет 90 градусов, а потери должны быть равны нулю. В реальных условиях всегда существует разность фаз δ, характеризующая долю потерь, переходящих в тепловую энергию.

Диэлектрические-потери

Электрическая прочность

Одной из основных характеристик, влияющих на способность диэлектрика работать в качестве изолятора, считается электрическая прочность — напряженность поля, при которой происходит пробой.

Пробой диэлектриков

Механические свойства

Механические свойства диэлектриков применительно к их твердотельной версии играют важную роль в электроизоляционных устройствах на их основе, обеспечивая надежность и долговечность этих устройств.

Механические характеристики

Классификация диэлектриков

Диэлектрические свойства есть у веществ, пребывающих во всех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твёрдом. Классификация материалов, обладающих диэлектрическими свойствами, основывается на их физических и химических характеристиках.

Классификация диэлектриков

Газообразные диэлектрики

Среди множества возможных вариантов применения газов или газовых смесей в качестве диэлектриков на практике востребованы:

• Воздух.
• Азот.
• Водород.
• Элегаз (SF₆ — гексафторид серы).
• Фреоны — производные метана CH₄, этана C₂H₆, в которых водород замещён хлором или фтором, например, дихлорфторметан CCl₂F₂ (фреон -12).
• Инертные газы (гелий, ксенон, криптон, неон, аргон). В основном их используют для наполнения электровакуумных устройств, радиоламп, газосветных трубок. Общая черта этих газов — низкий ионизационный потенциал, в силу чего они имеют низкий порог электрической прочности (у воздуха в 17 раз выше, чем у гелия).

Электротехнические газообразные диэлектрики

В таблице приведены свойства некоторых газов относительно свойств воздуха.

Таблица свойств                                                                                                                

Жидкие диэлектрики

Что такое жидкие диэлектрики? Так называют жидкости, обладающие диэлектрическими свойствами. Носители заряда в жидких диэлектриках при небольших значениях электрического поля — ионы и коллоидные частицы. В сильных полях «в работу» подключаются электроны.

Жидкие диэлектрики и их свойства применяют для изготовления изоляторов в высоковольтной аппаратуре:

• Высоковольтные трансформаторы, кабели, конденсаторы.
• Высоковольтные распределительные устройства (РУ) — подстанции.

Основные функции заключаются в следующем:

• Обеспечение надёжной электроизоляции токоведущих частей.
• Предотвращение образования коронного разряда или дуги.
• Охлаждение (служит хладоагентом или охлаждающей жидкостью).

Требования, предъявляемые к диэлектрическим жидкостям:

• Большая величина диэлектрической прочности.
• Термическая стабильность.
• Отсутствие химического воздействия (инертность) на материалы конструкции.
• Негорючесть.
• Высокая теплоотдача.
• Низкая стоимость.

Жидкие диэлектрики

Примеры жидких диэлектриков:

• Трансформаторное масло (смесь различных углеводородов). Значения пробивного напряжения лежат в диапазоне 20-50 МВ/м.
• Конденсаторное масло.
• Кабельное масло.
• Хлорированные углеводороды.
• Кремнийорганические жидкости (силиконы).
• Фторорганические жидкости.

Твердые диэлектрики

Диэлектрик в твердом состоянии — это различные пластики, стёкла, резины и другие материалы. Твердые материалы могут быть полярными, неполярными и сегнетоэлектриками. Эти типы диэлектриков отличаются друг от друга поляризационным механизмом.

Твердотелые виды диэлектриков нашли широкое применение в энергетической сфере. Например, керамика используется в качестве изоляторов разных типов на высоковольтных подстанциях. Для изоляции электрической аппаратуры применяют полимеры (пластики), стеклотекстолит, бумагу, лаки, компаунд, картон.

Твердотельные диэлектрики

Использование твердых диэлектриков в качестве изоляторов позволяет улучшить такие характеристики электрических устройств, как:

• Влагостойкость.
• Нагревостойкость (вплоть до 700 градусов).
• Морозостойкость (сохранение параметров до -90 градусов).
• Радиационная стойкость.

Примером влагостойкого материала является фторопласт, который практически негигроскопичен (не поглощает влагу). Твердые диэлектрики, обладающие радиационной стойкостью, применяются на объектах атомной энергетики и в космосе. Для вакуумных установок используются твердотельные вакуумно-плотные диэлектрические средства, которые изготавливают из специальной керамики.

Области применения диэлектриков

• Области приборостроения и энергетики, где применяются диэлектрики, простираются от бытовой техники до аппаратуры военного и космического назначения. В электротехнической индустрии используются как пассивные, так и активные свойства диэлектриков. Пассивные свойства являются основой:
• Для производства электроизоляционных материалов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию устройств.
• Для устранения нежелательных утечек электрических зарядов.
• Разграничения электрических цепей для предотвращения нежелательных контактов.
• Диэлектрических слоёв в конденсаторах. Диэлектрик в конденсаторе — это, как правило, твёрдотельный материал. В этих случаях предпочтительно применение материалов, имеющих максимальные значения диэлектрической проницаемости.

Применение диэлектриков

Параметры активных диэлектриков зависят от величины приложенного напряжения, воздействия внешней среды (температуры, давления). Примерами могут служить:

• Сегнетоэлектрики.
• Пьезоэлектрики.
• Пироэлектрики.
• Электролюминофоры.
• Электреты.

Основная сфера применения диэлектриков — изготовление электроизоляционных материалов, пьезоэлектриков — преобразование механических сигналов в электрические и наоборот, пироэлектриков — тепловые детекторы. Сегнетоэлектрики, являющиеся одновременно и пьезоэлектриками, и пироэлектриками, используются в конденсаторах, а также в качестве нелинейных элементов и элементов памяти в самых разных устройствах.

Видео по теме