Электричество и магнетизм

Согласно статистическому закону Больцмана (рис. 3.19), который описывает распределение энергии частиц во внешнем поле при термодинамическом равновесии, число частиц, дипольный момент которых направлен под углом , к внешнему полю, равно

3.3 Поляризация диэлектриков

Каждое вещество, независимо от его агрегатного состояния и деталей его атомной и молекулярной структуры, таких как атомный, молекулярный, ионный кристалл и т.д., в конечном итоге состоит из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Поэтому механизм поляризации один — смещение положительных зарядов вдоль поляризующего поля и отрицательных зарядов в направлении, противоположном поляризующему полю (рис. 3.14). На этом этапе следует подчеркнуть, что материя не поляризуется внешним полем (см., например. (3.2) выше), а суммарным полем, создаваемым как внешними (недиэлектрическими) зарядами, так и самой поляризованной материей. Мы не будем особенно подчеркивать это в остальной части текста.

Смещение положительных зарядов вдоль поляризующего поля
и отрицательные заряды по отношению к поляризующему полю

При изучении поляризационных свойств индивидуальных веществ целесообразно и полезно выделить те основные особенности механизма смещения единичного заряда под действием поляризующего поля, которые определяют результат: степень и характер поляризации вещества. Это приводит к рассмотрению ряда «специальных» механизмов поляризации, таких как:

— и многие другие.

Несколько слов о вышеупомянутой ионной поляризации, которая имеет место в кристаллах, таких как поваренная соль NaCl. Положительно заряженные ионы натрия Na + и отрицательно заряженные ионы хлора Cl — под действием поля смещаются в разные стороны от своих равновесных положений, в результате чего каждая ячейка кристалла приобретает электрический дипольный момент. Этот пример полезен в следующем смысле: каким бы сложным ни был диэлектрик — в данном случае ионный кристалл — его поляризация обусловлена смещением в противоположных направлениях положительных и отрицательных зарядов. Вопрос в том, какие конкретные носители заряда способны к такому сдвигу: свободные электроны в металле, прочно связанные электроны из электронной оболочки нейтральных атомов или молекул в газе или жидкости, ионы в узлах кристаллической решетки и т.д. Это зависит от того, как устроен диэлектрик.

Процессы, происходящие в диэлектрике, когда он поляризован, можно понять из концепции диэлектрика как среды, состоящей из пар разноименно заряженных пар. В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов, которые могут перемещаться по всему объему образца под воздействием внешнего поля. Заряды в диэлектрических молекулах прочно связаны и могут перемещаться только внутри своей молекулы (или атома), т.е. на расстояния порядка см.

Почти во всех случаях, когда диэлектрик состоит из электрически нейтральных молекул (атомов и молекул), независимо от их агрегатного состояния, можно свести все поляризационные «подмеханизмы» к двум типам. Для этого принято делить все атомы и молекулы, а также состоящие из них диэлектрики на два класса:


Рис. 3.15. Поляризация неполярных диэлектриков

Рис. 3.16. Механизм поляризационной ориентации диэлектриков

Это вектор дипольного момента одной частицы, суммирование происходит по всем частицам в физически бесконечном объеме. Например, рассмотрим равномерно поляризованную сферу (рис. 3.17).

Поляризация и электрическое поле равномерно поляризованной сферы Рис. 3.17.

При поляризации неполяризованного диэлектрика электронная оболочка атома или молекулы деформируется — электроны движутся в направлении, противоположном поляризующему полю, ядра движутся вдоль поля. Между ранее (в отсутствие поляризующего поля) сближающимися центрами положительных и отрицательных зарядов создается некоторое расстояние. В результате атом или молекула приобретает некоторые наведенные индуцированный дипольный момент.

Более или менее очевидно, что индуцированный дипольный момент будет пропорционален величине внешнего электрического поля. Это можно понять, рассмотрев поведение потенциальной энергии P(x) взаимодействия двух частиц, где х — расстояние между ними. Пусть равновесное состояние соответствует расстоянию (частицы находятся в одной точке и нет дипольного момента). В случае небольших отклонений от положения равновесия в разложении Тейлора потенциальной энергии мы можем ограничиться первыми несколькими членами

Учитывая, что первая производная в точке равновесия равна нулю, а вторая производная в точке равновесия положительна, находим, что вблизи точки устойчивого равновесия потенциальная энергия ведет себя как

Соответственно, при отклонении от этого положения сила

аналогично силе упругости при растяжении пружины. Если заряды в молекуле «связаны» такой «пружиной», то когда поле Е новое равновесное расстояние между частицами будет определяться соотношением

В результате получаем значение дипольного момента, индуцированного полем

Умножая индуцированный дипольный момент на концентрацию поляризованных молекул N/V (N — их общее количество в объеме V), мы получаем поляризацию диэлектрика

Если мы запишем поляризацию (3.16) в виде

где константа (для данного вещества) по определению равна диэлектрическая восприимчивость для , то в рамках этой модели диэлектрическая восприимчивость может быть рассчитана по следующей формуле

В молекуле, называемой полярной, центры положительных и отрицательных зарядов смещены относительно друг друга, так что молекула обладает собственным дипольным моментом. Когда такая молекула помещается в электрическое поле, ее электронная оболочка искажается, расстояние между центрами заряда увеличивается, и к первоначальному внутреннему дипольному моменту добавляется некоторый индуцированный дипольный момент. Однако можно показать, что этот дополнительный индуцированный дипольный момент намного меньше, чем внутренний дипольный момент. Это очевидно, если поляризующее поле намного меньше поля, существующего внутри молекулы. Порядок величины внутримолекулярного поля равен атомной единице напряженности электрического поля: В/м. В письменном выражении для атомной единицы напряженности электрического поля должны быть указаны масса электрона, его заряд и постоянная Планка. Учитывая, что, например, «пробой» — приводящий к искровому разряду — напряженности поля для сухого воздуха составляет всего В/м, то есть на пять порядков меньше, можно сказать, что в подавляющем большинстве экспериментов наведенным дипольным моментом, при наличии собственного, можно пренебречь. В остальной части статьи, при рассмотрении поляризации дипольных диэлектриков, этот эффект (индуцированный дополнительный импульс) не будет приниматься во внимание.

Векторы собственных моментов отдельных молекул в нормальном состоянии ориентированы хаотично из-за теплового движения. Поэтому в отсутствие внешнего электрического поля средний суммарный дипольный момент любого физически бесконечного объема диэлектрика равен нулю. Другими словами, диэлектрик не поляризован: его поляризация равна нулю.

Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекул параллельно вектору , а тепловое движение препятствует этому, диэлектрик поляризован, и его поляризация должна зависеть от температуры, то есть уменьшаться с ростом температуры. Эта зависимость будет рассчитана ниже, а также будет показано, что для полярных диэлектриков их поляризация пропорциональна напряженности поляризующего поля. Эта поляризация называется ориентация (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Ориентационная поляризация диэлектрика

Согласно формуле (3.8), потенциальная энергия диполя во внешнем поле Е зависит от ориентации диполя

Согласно статистическому закону Больцмана (рис. 3.19), описывающего распределение энергии частиц во внешнем поле при термодинамическом равновесии, число частиц, дипольный момент которых ориентирован под углом , к внешнему полю, равно

Здесь С — это константа нормализации, значение которой мы узнаем позже, Т — абсолютная температура, постоянная Больцмана kB = 1,38-10 -23 ДЖ/К. При нормальных (не очень низких) температурах, из-за малых дипольных моментов молекул, экспонента мала, и мы можем разложить ее в ряд Тейлора, оставив первые два члена

Рисунок 3.19: Л. Больцман (1844-1906) — австрийский физик

Подчеркнем, что использование приближенного выражения (3.18) и все вытекающие из него выводы оправданы при не слишком низких температурах, когда . Нетрудно вычислить это точно, используя (3.17) вместо приближения (3.18), что читатель может сделать сам.

Интеграл по суммарному телесному углу должен дать суммарное значение N частиц в системе. Поскольку среднее значение косинуса равно нулю, интегрируется только первый член в (3.18). Поскольку значение полного телесного угла равно , получаем

Теперь мы знаем константу С и мы можем записать (3.18) в виде

Необходимо найти проекцию полного дипольного момента на направление поля (другие проекции, очевидно, равны нулю в силу осевой симметрии задачи). Проекция дипольного момента одной частицы равна pcosa, поэтому полный дипольный момент Р всех частиц в единице объема составляет

Интеграл от равен , а интеграл от вычисляется путем подстановки переменной

Из (3.21) следует, что в случае дипольной ориентационной поляризации вещества поляризация пропорциональна напряженности электрического поля. Кроме того, обнаружена температурная зависимость поляризации. Это закон Кюри, который был подтвержден экспериментально (рис. 3.20).

Рисунок 3.20. Температурная зависимость поляризации полярного диэлектрика (точное решение)

Подводя итоги этой главы, мы кратко повторим основные выводы. Внешнее электрическое поле либо создает дипольные моменты, ориентированные вдоль поля, либо вызывает сдвиг дипольных моментов отдельных молекул, и диэлектрик приобретает определенный макроскопический дипольный момент. Этот вектор называется полярностью диэлектрика. Она пропорциональна напряженности внешнего электрического поля, и эта зависимость может быть представлена в виде

где — коэффициент пропорциональности (называется диэлектрическая восприимчивость). Этот коэффициент пропорционален концентрации частиц в диэлектрике и, в случае полярного диэлектрика, зависит от его температуры. Поскольку дипольный момент в СИ

вектор поляризации в СИ измеряется в кл/м2 . Его размерность совпадает с размерностью плотности поверхностного заряда. Это говорит о том, что вектор поляризации связан с плотностью поляризационного заряда, возникающего на поверхности и в объеме диэлектрика, помещенного во внешнее поле (рис. 3.21).

Рисунок 3.21: Вектор поляризации и плотность поляризационного заряда

Пропорциональность между поляризацией Р и интенсивность Е внешнего электростатического поля объясняется в случае электронной и ионной поляризации тем, что с увеличением Е увеличивать дипольные моменты отдельных атомов pi. При дипольной поляризации степень ориентации векторов возрастает пропорционально увеличению напряженности внешнего электростатического поля p i. Выше мы нашли общие формулы для диэлектрической восприимчивости для различных типов поляризации. Следует подчеркнуть, что они относятся к газам: мы не учитывали влияние молекул друг на друга, что допустимо для систем, в которых молекулы не слишком плотно упакованы. Однако общий вывод остается справедливым для конденсированных сред (жидкостей и твердых тел): под воздействием внешнего электрического поля единичный объем диэлектрической жидкости приобретает дипольный момент Рв простейших случаях существует линейная зависимость

Все три рассмотренных механизма вносят вклад в общую диэлектрическую восприимчивость диэлектрика:

Обычно редко бывает, чтобы все доли диэлектрической восприимчивости были одинаково велики. Например, в ионных кристаллах дипольная фракция полностью отсутствует. Экспериментально вклад каждой фракции может быть найден путем измерения диэлектрической проницаемости на различных частотах электромагнитной волны. На низких частотах (статическое поле, которое мы сейчас рассматриваем) все три доли диэлектрической проницаемости вносят свой вклад (рис. 3.22).

Рисунок 3.22: Зависимость полной диэлектрической проницаемости диэлектрика
в зависимости от частоты электромагнитной волны. Указаны диапазоны частот:
I — радио- и микроволновый диапазон, II — инфракрасный диапазон, III — ультрафиолетовый диапазон

При увеличении частоты сначала исчезает дипольный вклад: молекулы не успевают поворачиваться в соответствии с быстро меняющимся электрическим полем волны. Переход к новому режиму обычно происходит на радиочастотах. При дальнейшем увеличении частоты вклад ионной части исчезает: ионы более инертны, чем электроны. В оптическом диапазоне частот преобладает электронная часть поляризации. При переходе к еще более высоким частотам — за пределами ультрафиолетовой области — даже электронные облака не смогут следить за изменениями электрического поля, а поляризуемость диэлектрика исчезнет.

Например: диэлектрическая проницаемость поваренной соли NaCl составляет 5,62 в статическом поле и только 2,25 в поле электромагнитных волн оптического диапазона. В этих кристаллах нет дипольной поляризуемости, и разница должна быть отнесена к ионной поляризуемости.

Таким образом, частицы становятся полярными и могут рассматриваться как электрические диполи. Оси этих диполей будут направлены вдоль линий поля, создавая тем самым еще одно поле, создаваемое связанными зарядами. Очевидно, что это поле будет направлено против внешнего поля. Из этого можно сделать вывод, что поле внутри диэлектрика ослаблено — это то, что мы называем изоляцией. Поле внутри диэлектрика можно рассчитать, используя принцип суперпозиции полей:

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам из набора, необходимо добавить его в свой личный кабинет, купив в каталоге.

Получите удивительные возможности

Конспект урока «Поляризация диэлектриков».

Рассмотрим эксперимент Фарадея. В своих экспериментах Майкл Фарадей использовал устройство, состоящее из двух концентрических полых сфер. Внешняя сфера состоит из двух полушарий, так что внутренняя сфера может быть заключена между ними.

С помощью проволоки этот внутренний шар соединен с другим шаром снаружи. Провод тщательно изолирован. С помощью специального крана пространство между внешней и внутренней сферой может быть заполнено газом. Фарадей использовал два таких устройства для проведения своих экспериментов. Фарадей зарядил одну из внутренних сфер, а затем измерил ее заряд с помощью электрометра. Затем две сферы были соединены проводником, что привело к перераспределению заряда. Фарадей заметил, что если он использовал в обоих устройствах одно и то же вещество, которым заполнял пространство между внешней и внутренней сферами, то заряд делился пополам (то есть распределялся равномерно). Однако если использовались разные вещества, то заряд распределялся неравномерно. Исходя из этого, Фарадей предложил что под воздействием электрического поля молекулы изолятора претерпевают определенные изменения..

И это было правдой. В этом можно убедиться, поместив диэлектрик в однородное электрическое поле. Сначала рассмотрим поляризацию полярных диэлектриков. В результате теплового движения молекулы диэлектрика ориентированы случайным образом (т.е. беспорядочно).

Однако, как только электрическое поле начинает действовать на эти молекулы, оно стремится повернуть молекулу так, чтобы ее ось была направлена вдоль линии напряженности электрического поля.

Дело в том, что каждая молекула полярного диэлектрика является электрическим диполем. Поэтому на каждый диполь будут действовать две силы, равные по модулю и противоположные по направлению. Это заставит все положительные заряды двигаться в направлении электрического поля, а все отрицательные заряды — в противоположном направлении. Это называется поляризацией. Это означает, поляризация — это смещение положительных и отрицательных зарядов диэлектрических связей в противоположных направлениях.

Под связанными зарядами мы понимаем различные заряды, составляющие атомы или молекулы. Эти заряды, конечно, не могут двигаться независимо друг от друга.

Следует сказать, что тепловое движение не допускает строго упорядоченной ориентации, при которой все диполи выстраивались бы строго вдоль линий электрического поля. Это может происходить только при очень низких температурах (1-2 К). При более высоких температурах наблюдается только частичная ориентация диполей. Это означает, что большинство диполей будут ориентированы вдоль линий поля. Однако некоторые диполи все еще могут быть ориентированы противоположно полю. Обратите внимание, что, несмотря на поляризацию, средний электрический заряд поляризованной связи будет равен нулю, поскольку противоположные заряды диполей компенсируют друг друга.

Теперь поговорим о поляризации неполярных диэлектриков. Как и в предыдущем примере, мы рассмотрим диэлектрик в однородном электрическом поле, создаваемом двумя заряженными пластинами.

В неполярном диэлектрике существуют противоположные заряды, на которые воздействует электрическое поле. Поскольку заряды разноименны, силы, действующие на заряды со стороны поля, будут иметь противоположные направления. Это приводит к деформации молекул. Молекулы растягиваются, и их центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

Таким образом, молекулы становятся полярными и могут рассматриваться как электрические диполи. Оси этих диполей будут направлены вдоль линий поля, поэтому будет существовать еще одно поле, создаваемое связанными зарядами. Очевидно, что это поле будет направлено против внешнего поля. Из этого можно сделать вывод, что поле внутри диэлектрика ослаблено — это то, что мы называем изоляцией. Поле внутри диэлектрика можно рассчитать, используя принцип суперпозиции полей:

Вспомните, что не так давно мы познакомились с понятием диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость — это физическая величина, характеризующая изоляционные свойства среды. Другими словами, степень затухания поля в диэлектрике определяется диэлектрической проницаемостью данной среды.

где μ0 = 4π-10 -7 Г/м — магнитная постоянная.

► Сущность поляризации. ее количественное определение и влияние на диэлектрические свойства

Поляризация это государство диэлектрического материала, в котором каждый элемент его объема обладает электрическим моментом. Как правило, поляризация индуцируется внешним электрическим полем, хотя в некоторых случаях возможна спонтанная поляризация. Иногда поляризация вызывается механическим напряжением.

Кроме того, поляризация это сам процесс сам процесс движение и упорядочение связанных зарядов под воздействием внешнего поля.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется следующим образом относительная проницаемость εкоторая является характеристикой интенсивности процесса поляризации в данном диэлектрике.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость εазначение которой зависит от выбранной системы единиц измерения, связана с относительной проницаемостью через электрическую постоянную ε0 = 8,854*10 -12 Ф/м:

(4.1)

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, которые уменьшают напряженность поля внутри вещества. В результате каждый элементарный объем dV из диэлектрика получают индуцированный (индуцированный) электрический момент dpИменно его формирование является сутью явления поляризации.

Количественной характеристикой поляризации является поляризация диэлектрик — векторная физическая величина, равная отношению электрического момента элемента диэлектрика к объему этого элемента, выраженному в кель/м2 :

(4.2)

Направление поляризации совпадает с направлением электрического импульса — от отрицательного заряда к положительному.

При описании любых явлений в диэлектрике, включая поляризацию, мы обычно рассматриваем диэлектрическое тело с электродами, на которые подается электрическое напряжение, т.е. некоторый изолирующий участок. Рассмотрим простейший случай такого участка — планарный конденсатор с активным участком диэлектрика (т.е. площадью каждого электрода, т.е. обкладки) S и толщина диэлектрического слоя (т.е. расстояние между гранями) h (Рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 — Распределение заряда в поляризованном диэлектрическом плоском конденсаторе

Пусть поверхностная плотность связанных зарядов, выявленных поляризацией на диэлектрических поверхностях, прилегающих к оболочке, равна σ. Поскольку в глубине диэлектрика, как видно из рисунка 4.1, положительные и отрицательные заряды аннулируют друг друга, электрический импульс всего объема диэлектрика определяется произведением зарядов в каждом слое, равным σ·Sна расстояние между облицовками h. Объем диэлектрика может быть определен как S·hтогда поляризация будет

(4.3)

где рi — электрический момент i-частицы в элементарном объеме ΔV;

N — количество частиц в Δ V ..

Таким образом, поляризация однородного планарного диэлектрика в однородном электрическом поле численно равна поверхностной плотности зарядов, связанных в этом диэлектрике.

В обычных линейных диэлектриках поляризация пропорциональна напряженности внешнего поля Е:

(4.4)

Безразмерный параметр χ называется электрическая восприимчивость материал.

В изотропных веществах направления векторов Р и Е векторы совпадают. Для анизотропных диэлектриков (кристаллы, текстуры) направление Р формы с направлением Е под углом.

Электрическая восприимчивость χ и относительная проницаемость ε связаны друг с другом. Эта зависимость может быть выведена из другой физической характеристики поля — электрического смещения D:

(4.5)

В то же время, электрический сдвиг может быть найден по поляризации Р:

(4.6)

Затем, приравнивая правые части формул (4.5) и (4.6), подставляем вместо Р его выражение из (4.4) и уменьшая ε0мы получаем требуемое соотношение в виде

(4.7)

Для любого вещества ε > 1, так как χ — положительная величина. Только для вакуума χ = 0, поэтому ε = 1. Для газов, плотность которых мала и число поляризующих частиц на единицу объема пренебрежимо мало, ε ≈ 1 (например, для воздуха при нормальных условиях давления и температуры ε = 1,00058). Для жидкостей и твердых тел ε — это единицы, десятки или даже больше.

Значение ε характеризует способность диэлектрика создавать электрическую емкость. Емкость участка изоляции:

(4.8)

где Λ — уменьшенная длина участка изоляции.

Для тела с постоянным поперечным сечением по всей его длине S и длина h (например, жила провода или кабеля, диэлектрик плоского конденсатора):

(4.9)

a для цилиндра с наружным диаметром и внутренним диаметром D и d и осевой длины соответственно l (например, диэлектрик цилиндрического конденсатора или изоляция коаксиального кабеля):

(4.10)

Поэтому относительную проницаемость ε можно определить как число, определяющее, во сколько раз увеличивается емкость вакуумного конденсатора при заполнении его данным диэлектриком, а абсолютную проницаемость εа — как удельная емкость конденсатора.

Параметр ε также характеризует способность вещества накапливать электростатическую энергию:

(4.11)

где С — мощность изоляционной части;

U — напряжение между электродами.

Кроме того, ε, вместе с относительной магнитной проницаемостью μ, определяет условия распространения электромагнитных волн в различных средах. Скорость света (электромагнитной волны) в вакууме:

, (4.12)

где μ0 = 4π-10 -7 Г/м — магнитная постоянная.

Скорость электромагнитной волны в веществе:

(4.13)

Соотношение скоростей света в вакууме и в веществе с/v абсолютный показатель преломления n вещества; следовательно,

(4.14)

Большинство диэлектриков немагнитны, т.е. для них μ ≈ 1 i

(4.15)

Таким образом, для одного и того же периода колебаний Тволна распространяется в веществе медленнее, чем в вакууме, и ее длина λ в веществе меньше, чем в пустоте λ0:

(4.16)

Импеданс диэлектрической волны Z0т.е. отношение модулей напряженности электрического поля Е и магнитное поле Н электромагнитной волны в диэлектрике, определяется выражением:

(4.17)

Если рассматривать не макроскопический (т.е. содержащий очень большое число молекул) объем диэлектрика, а отдельную молекулу или другую частицу, способную к поляризации, то для линейных диэлектриков индуцированный электрический момент молекулы ри определяется как

(4.18)

где α — поляризуемость частицы.

Если в единице объема диэлектрика находится N частиц с поляризуемостью α каждая, тогда поляризуемость будет определяться как

(4.19)

что после сравнения с выражением (4.4) дает

(4.20)

или, с учетом (4.7), относительная проницаемость составит

(4.21)

Т.е. зависит от поляризуемости частиц и их содержания в объеме вещества.

© ФГБОУ ВПО «Государственный технологический университет нефти в Уфе
Редакционно-издательский центр
Подготовка к печати и отдел программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Большинство этих веществ обладают высокими электрическими и механическими свойствами и используются для изоляции электрооборудования для внутреннего и наружного применения.

Диэлектрики и их свойства, поляризация и пробивное напряжение диэлектриков

Вещества (тела) с пренебрежимо малой электропроводностью называются диэлектриками или изоляторами.

Диэлектрики или непроводники — это класс веществ, имеющих большое практическое значение в электротехнике. Они используются для изоляции электрических цепей, а также для придания особых свойств электрическим устройствам, что позволяет более эффективно использовать объем и вес их материалов.

Изоляторы на ВЛ

Диэлектрики могут быть веществами во всех состояниях материи: газообразном, жидком и твердом. На практике в качестве газообразных диэлектриков используются воздух, углекислый газ и водород в нормальном и сжатом состоянии.

Все эти газы имеют почти бесконечно высокое удельное сопротивление. Электрические свойства газов изотропны. Среди жидкостей диэлектрическими свойствами обладают химически чистая вода, многие органические вещества, природные и искусственные масла (трансформаторное масло, совол и т.д.).

Жидкие диэлектрики также обладают изотропными свойствами. Высокие изоляционные свойства этих веществ зависят от их чистоты.

Например, изоляционные свойства трансформаторного масла снижаются при поглощении влаги из воздуха. На практике чаще всего используются твердые изоляционные материалы. К ним относятся вещества неорганического происхождения (фарфор, кварц, мрамор, слюда, стекло и т.д.) и органического происхождения (бумага, янтарь, резина, различные искусственные органические вещества).

Жидкие диэлектрики

Большинство этих веществ обладают высокими электрическими и механическими свойствами и используются для изоляции электрооборудования для внутреннего и наружного применения.

Ряд веществ сохраняют свои высокие изоляционные свойства не только при нормальной, но и при повышенной температуре (кремний, кварц, кремнийорганические соединения). Твердые и жидкие диэлектрики имеют определенное количество свободных электронов, что придает хорошему диэлектрику удельное сопротивление около 10 15 — 10 16 Ом х м.

При определенных условиях диэлектрики расщепляют молекулы на ионы (например, под воздействием высокой температуры или сильного поля), после чего диэлектрики теряют свои изоляционные свойства и становятся проводниками.

Диэлектрики обладают свойством поляризуемости, и в них может существовать длительное электростатическое поле.

Отличительной особенностью всех диэлектриков является не только их высокое сопротивление протеканию электрического тока, обусловленное наличием небольшого числа электронов, свободно перемещающихся по всему объему диэлектрика, но и изменение их свойств под воздействием электрического поля, которое мы называем поляризацией. Поляризация оказывает большое влияние на электрическое поле в диэлектрике.

Одним из основных применений диэлектриков в электротехнике является изоляция компонентов электрооборудования от земли и друг от друга, поэтому нарушения изоляции нарушают нормальную работу электроустановок и приводят к авариям.
Чтобы избежать этого, при проектировании электрических машин и установок изоляция отдельных элементов выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, напряженность поля в диэлектриках не превышала их электрическую прочность, а с другой стороны, изоляция в отдельных элементах оборудования использовалась максимально полно (без чрезмерных запасов).
Для этого, прежде всего, необходимо знать, как распределяется электрическое поле в устройстве. Затем, выбрав соответствующие материалы и толщину, можно удовлетворительно решить вышеуказанную задачу.

Изоляторы в электрических системах

Если электрическое поле создается в вакууме, то величина и направление вектора напряженности поля в данной точке зависят только от величины и положения зарядов, создающих поле. Если поле генерируется в диэлектрике, то в молекулах диэлектрика происходят физические процессы, которые влияют на электрическое поле.

Под действием электрического поля электроны на своих орбиталях движутся в направлении, противоположном полю. В результате ранее нейтральные молекулы становятся диполями с равными зарядами на ядре и электронами на их орбиталях. Это явление называется диэлектрической поляризацией. Когда поле исчезает, исчезает и сдвиг. Молекулы снова становятся электрически нейтральными.

Поляризованные молекулы — диполи создают собственное электрическое поле, направление которого противоположно направлению основного (внешнего) поля, поэтому это поле, добавляясь к основному полю, ослабляет его.

Чем больше поляризован диэлектрик, тем слабее результирующее поле, тем меньше напряженность поля в любой точке, где присутствуют те же заряды, которые образуют первичное поле, и тем больше проницаемость диэлектрика.

Если диэлектрик находится в изменяющемся электрическом поле, то смещение электронов также становится переменным. Этот процесс увеличивает движение молекул и тем самым нагревает диэлектрик.

Чем больше изменяется электрическое поле, тем больше нагревается диэлектрик. На практике это явление используется для нагрева влажных материалов с целью их высушивания или для проведения химических реакций при повышенных температурах.

Изоляция для электрических машин

Полярные и неполярные диэлектрики

Хотя изоляторы практически не проводят электричество, они меняют свои свойства под воздействием электрического поля. В зависимости от структуры молекул и характера действующего на них электрического поля диэлектрики можно разделить на два типа: неполярные и полярные (электронно и ориентационно поляризованные).

В неполярных диэлектриках, если они не находятся в электрическом поле, электроны обращаются по орбитам, центр которых совпадает с центром ядра. Поэтому действие этих электронов можно рассматривать как действие отрицательных зарядов в центре ядра. Поскольку центры действия положительно заряженных частиц — протонов — также сосредоточены в центре ядра, атом воспринимается во внешнем пространстве как электрически нейтральный.

Когда эти вещества вносятся в электростатическое поле, электроны движутся под действием сил поля, и центры действия электронов и протонов не совпадают. Во внешнем пространстве атом в этом случае рассматривается как диполь, т.е. как система двух одинаковых разноименных точечных зарядов -q и + q, расположенных на некотором небольшом расстоянии a друг от друга, равном смещению орбитального центра электрона от центра ядра.

В такой системе положительный заряд смещается в направлении напряженности поля, а отрицательный — в противоположном направлении. Чем больше напряженность внешнего поля, тем больше относительный сдвиг заряда в каждой молекуле.

Когда поле исчезает, электроны возвращаются в свои исходные состояния движения относительно атомного ядра, и диэлектрик снова становится нейтральным. Изменение свойств диэлектрика под воздействием описанного выше поля называется электронной поляризацией.

В полярных диэлектриках молекулы являются диполями. Находясь в хаотическом тепловом движении, дипольный момент постоянно меняет свое положение. Это приводит к компенсации дипольных полей отдельных молекул и к тому, что при отсутствии внешнего поля макроскопическое поле вне диэлектрика отсутствует.

Когда к этим веществам прикладывается внешнее электростатическое поле, диполи поворачиваются и располагаются аксиально вдоль поля. Этому полностью упорядоченному расположению будет препятствовать тепловое движение.

При низких напряженностях поля диполи будут поворачиваться только на определенный угол в направлении поля, определяемый балансом между действием электрического поля и эффектом теплового движения.

С увеличением напряженности поля вращение молекул и, соответственно, степень поляризации увеличиваются. В таких случаях расстояние a между дипольными зарядами определяется средним значением проекций осей диполей на направление напряженности поля. В дополнение к этому типу поляризации, который называется ориентационной поляризацией, в этих диэлектриках также возникает поляризация электронов из-за смещения заряда.

Изоляция при эксплуатации электрооборудования

Описанные выше закономерности поляризации являются основными для всех изолирующих веществ: газообразных, жидких и твердых. В жидких и твердых диэлектриках, в которых среднее расстояние между молекулами меньше, чем в газах, явление поляризации становится более сложным, поскольку помимо смещения орбитального центра электрона относительно ядра или вращения полярных диполей, существует также взаимодействие между молекулами.

Поскольку отдельные атомы и молекулы в диэлектрической массе только поляризуются и не распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы, заряды обоих знаков равны в каждом элементе поляризованного объема диэлектрика. Поэтому диэлектрик остается электрически нейтральным во всем своем объеме.

Исключение составляют полярные заряды молекул, расположенных на граничных поверхностях диэлектрика. Эти заряды образуют тонкие заряженные слои на этих поверхностях. В однородной среде явление поляризации можно представить в виде стройной решетки диполей.

Средства защиты в электрических системах

Сопротивление проникновению диэлектриков

В нормальных условиях диэлектрик обладает незначительной электропроводностью. Это свойство сохраняется до тех пор, пока напряженность электрического поля не возрастет до определенного предела для каждого диэлектрика.

В сильном электрическом поле молекулы диэлектрика разделяются на ионы, и тело, которое в слабом поле было диэлектриком, становится проводником.

Напряженность электрического поля, при которой начинается ионизация молекул диэлектрика, называется напряженностью диэлектрического пробоя (диэлектрической проницаемостью).

Значение напряженности электрического поля, которое допускается в диэлектрике при его использовании в электроустановках, называется проницаемостью. Проницаемость обычно в несколько раз ниже пробивной прочности. Отношение напряжения пробоя к проницаемости определяет коэффициент безопасности. Лучшими непроводниками (диэлектриками) являются вакуум и газы, особенно при высоких давлениях.

Диэлектрический пробой

Распад происходит по-разному в газах, жидкостях и твердых телах и зависит от многих условий: диэлектрической однородности, давления, температуры, влажности, толщины диэлектрика и т.д. Поэтому при определении значения диэлектрической прочности обычно задаются эти условия.

Нормальные условия (например, температура +20° C, давление 760 мм) указаны для материалов, которые эксплуатируются, например, в помещении и не подвергаются воздействию погоды. Также нормируется влажность, иногда частота и т.д.

Газы имеют относительно низкую электрическую прочность. Например, градиент преломления воздуха при нормальных условиях составляет 30 кв/см. Преимущество газов в том, что их изоляционные свойства быстро восстанавливаются после разрушения.

Жидкие диэлектрики имеют несколько более высокую диэлектрическую прочность. Характерной особенностью жидкостей является хороший отвод тепла от устройств, нагревающихся при прохождении тока по проводникам. Присутствие примесей, особенно воды, значительно снижает электрическую прочность жидких диэлектриков. В жидкостях, как и в газах, их изоляционные свойства восстанавливаются после разрушения.

Твердые диэлектрики представляют собой обширный класс изоляционных материалов как природного, так и искусственного происхождения. Эти диэлектрики обладают широким спектром электрических и механических свойств.

Использование того или иного материала зависит от требований к изоляции установки и условий ее эксплуатации. Слюда, стекло, парафин, эбонит, а также различные волокнистые и синтетические органические вещества, бакелит, цетинакс и т.д. обладают высокой электрической прочностью.

Использование электротехнического фарфора в качестве изоляционного материала

Если, помимо требования высокого градиента пробоя, требуется высокая механическая прочность (напр. в опорных и подвесных изоляторах, для защиты оборудования от механических ударов), широко используется электротехнический фарфор.

В таблице приведены значения пробивного напряжения (в нормальных условиях и при равномерном постоянном токе) некоторых наиболее распространенных диэлектриков.

Значения диэлектрической проницаемости

Материал Пробивное напряжение, Q/мм
Бумага, пропитанная парафином 10,0-25,0
Воздух 3,0
Минеральное масло 6,0 -15,0
Мрамор 3,0 — 4,0
Миканит 15,0 — 20,0
Peelboard 9,0 — 14,0
Слюда 80,0 — 200,0
Стекло 10,0 — 40,0
Фарфор 6,0 — 7,5
Шифер 1,5 — 3,0

Если вам понравилась эта статья, не стесняйтесь поделиться ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Влияние частоты обусловлено сдвигом фаз параметров напряжения и тока на идеальном конденсаторе в цепях переменного тока на 90 градусов. Диэлектрические материалы, доступные инженерам, характеризуются различными типами дефектов, наличие которых вызывает дополнительные диэлектрические потери. В частности, величина угла задержки, определяющая расхождение между реальным и идеальным токами в конденсаторе, называется тангенсом угла потерь (tg δ) или тангенсом угла диэлектрических потерь. По мере увеличения характеристик диэлектрической проницаемости фактические значения тангенса угла диэлектрических потерь обычно увеличиваются.

Что такое поляризация

Это явление возникает, когда под воздействием внешнего электрического поля в изолирующем материале создается дипольный момент. Когда ток взаимодействует с диэлектриком (изолирующим материалом), последний реагирует изменением распределения заряженных частиц, при этом положительно заряженные частицы выстраиваются в направлении существующего поля, а отрицательно заряженные — в противоположном направлении. Характер распределения заряда не зависит от конструкции конденсатора.

Диэлектрическая поляризация — это термин, используемый для описания поведения материала с аналогичными свойствами, помещенного во внешнее поле. Существующие частицы взаимодействуют с электрическим полем, присутствующим на пластинах конденсатора, что приводит к образованию электрически связанных частиц. Они создаются в результате контакта пластин конденсатора друг с другом, в то же время свободные заряды могут свободно перемещаться. Используя модель конденсатора, можно определить диэлектрическую проницаемость. Для этого относительная проницаемость рассчитывается на основе значения емкости так называемого эталонного конденсатора. Эта емкость обычно связана с диэлектрической проницаемостью вакуума.

Понятие диэлектрической проницаемости является одним из определяющих понятий электростатики. Он уникальным образом связан с электронной поляризуемостью материалов, явлением, которое управляет всеми механизмами диэлектрической поляризации.

Типы диэлектрической поляризации

Интенсивность поляризационных процессов P, происходящих в любом диэлектрике, представляет собой отношение полного дипольного момента к единице объема конденсатора:

где ε0 — это константа, которая называется коэффициентом диэлектрической проницаемости абсолютного вакуума.

Общая интенсивность поляризационных процессов, происходящих в диэлектриках, является векторной суммой нескольких источников: смещения электронов Pэ, смещение ионов Pи, переориентация диполей Pди смещение заряда в пространстве Pп:

Поэтому важно знать, в какой степени типы поляризации диэлектриков влияют на их значение в эффективных электрических полях различной мощности.

Типы диэлектрической поляризации

Каждый тип поляризационного процесса имеет свои собственные временные характеристики, которые зависят от частотного индекса доступного электрического поля. Механизм смещения электронов является самым быстрым и чаще всего встречается в высокочастотных полях. Ионная поляризация, не говоря уже о дипольной поляризации, происходит на более низких частотах, поэтому диэлектрическая постоянная не является одной из электрофизических констант. Однако с увеличением частоты диэлектрическая проницаемость обычно уменьшается, и ее механизмы теряют свою первоначальную интенсивность.

Влияние частоты обусловлено сдвигом фаз параметров напряжения и тока на идеальном конденсаторе в цепях переменного тока на 90 градусов. Диэлектрические материалы, доступные инженерам, характеризуются различными типами дефектов, наличие которых вызывает дополнительные диэлектрические потери. В частности, значение угла задержки, определяющее расхождение между реальным и идеальным токами в конденсаторе, называется тангенсом угла потерь (tg δ) или коэффициентом диссипации. По мере увеличения характеристик диэлектрической проницаемости фактические значения тангенса угла потерь обычно увеличиваются.

Явление диэлектрической поляризации

Частота, на которой используется диэлектрик, определяет влияние механизмов поляризации, проявляемых его материалом. При непрерывном контроле изменения показателей электрического поля в цепи переменного тока возможны три варианта:

  • Когда время релаксации лишь немного превышает время инверсии поля, ионы вообще не могут следовать за полем, поэтому потери малы;
  • Когда время релаксации намного быстрее, чем инверсия поля, рассматриваемые процессы могут легко следовать за частотой поля, но потери все еще малы;
  • Когда время релаксации и частота поля одинаковы, процессы следуют за полем с некоторой задержкой, а генерируемые потери максимальны.

Таким образом, диэлектрическая эффективность минимальна, когда фактический период релаксации не зависит от характеристик поля. Этим свойством обладают, в частности, керамические диэлектрические композиции, которые почти всегда являются поликристаллами. В повышенных и высокочастотных электростатических системах он называется Q-фактором, который считается обратным коэффициенту дисперсии.

В электронном виде

Это происходит одновременно под активным воздействием электрического поля. В этом случае ядро атома вместе с его электронным облаком движутся во взаимно противоположных направлениях. В результате они удаляются друг от друга, и результирующий диполь очень мал. Следовательно, эффект поляризации, если он есть, имеет очень малый объем и влияние.

Рассматриваемый тип поляризации характеризуется небольшим относительным смещением положительных и отрицательных зарядов, которые движутся во взаимно противоположных направлениях. Поляризация электронов активна, если имеющееся электрическое поле деформирует область отрицательно заряженных электронов, находящихся вблизи положительно заряженных ядер. Существуют материалы, молекулы которых постоянно поляризованы. Причиной этого явления является наличие прочных и постоянных химических связей. В воде, например, поляризация электронного типа вызвана молекулами, которые постоянно вращаются под воздействием сильного электрического поля. В этом случае явление поляризации диэлектрика приводит к возникновению е-дипольного момента, равного расстоянию между центрами смещения отрицательного и положительного зарядов, умноженному на их количество. Значение индекса поляризации электронов P может быть рассчитано как значение дипольного момента p, который связан с единицей объема V поляризованного материала

Механизмы диэлектрической поляризации

ионный

В некоторых твердых диэлектриках, напр. В керамике ионы в кристаллической решетке распределены симметрично, естественно, что в этом случае поляризация не возникает. Однако если в такое электрическое поле поместить несколько положительно и отрицательно заряженных частиц, они будут притягиваться в разных направлениях. Это вызывает ионную поляризацию, которая приводит к изменению диэлектрических констант.

В молекуле твердого диэлектрика всегда существует определенное расстояние между соседними ядрами, поэтому в молекуле всегда существует дипольный момент, который не зависит от характеристик внешнего электрического поля. Как мы знаем, молекулы поваренной соли имеют только два иона, поэтому каждая молекула имеет свой собственный дипольный момент, направление которого идет от отрицательно заряженного иона к положительно заряженному иону.

Диполь

Существует множество ионных соединений, которые имеют более двух атомов. В этих случаях число ионных связей и, следовательно, число моментов также увеличивается. Результирующий параметр (который представляет собой разделение положительно и отрицательно заряженных молекул в структуре одной молекулы) будет векторной суммой отдельных дипольных моментов.

В случае, когда молекула имеет центр симметрии, равновесный дипольный момент молекулы равен нулю. Чистый дипольный момент молекулы возникает только в асимметричных молекулярных структурах. Мы называем эту величину постоянным дипольным моментом, потому что он присутствует даже при отсутствии внешнего поля.

Некоторые твердые тела имеют постоянные молекулярные диполи. Они вращаются, образуя средний дипольный момент, ориентированный в направлении приложенного поля. Дипольная ориентация часто встречается в полимерных материалах, атомная структура которых позволяет такую переориентацию.

Полевая поляризация диэлектриков

Спонтанный

Этот тип электрической поляризации характерен для некоторых непроводящих кристаллов или диэлектриков, которые имеют отдельный центр положительного и отрицательного электрического заряда. Таким образом, одна сторона кристалла имеет положительный заряд, а противоположная — отрицательный. Направление этой поляризации может быть изменено на противоположное путем приложения соответствующего электрического поля. Такие материалы называются ферроэлектриками. Типичным примером сегнетоэлектричества являются процессы, происходящие в кристаллах титаната бария BaTiO3 . Эта соль состоит из кристаллов, структурные единицы которых представляют собой крошечные электрические диполи, т.е. в каждой единице центры положительного и отрицательного заряда разделены. Иногда эти диполи спонтанно выстраиваются в кластеры, называемые доменами, а в сегнетоэлектриках домены ориентируются в основном в одном направлении под действием сильного внешнего электрического поля. Изменение внешнего поля меняет доминирующую ориентацию сегнетоэлектрических доменов, но переход к новому направлению происходит с задержкой по отношению к изменению внешнего электрического поля. Эта задержка называется сегнетоэлектрическим гистерезисом.

Выше характерной температуры, называемой температурой точки Кюри, явление сегнетоэлектричества исчезает, поскольку тепло интенсивно ударяет диполи и тем самым преодолевает силы, которые спонтанно выравнивают их.

Механизмы поляризации диэлектриков, помимо описанных, реализуются также в форме межфазной поляризации. В керамических материалах это явление вызывается посторонними зарядами, возникающими из-за примесей или неправильной геометрии на контактах поликристаллических твердых тел. Эти заряды частично подвижны и поэтому перемещаются под действием приложенного поля.

При изучении диэлектриков рассматриваются их заряженные компоненты (протоны и электроны). Если к атому приложено электрическое поле, электроны удаляются, а протоны остаются относительно открытыми. Это разделение создает дипольный момент.

Поляризация ионов

Ионные соединения — это постоянно разделенные заряды ионов. Примером может служить поваренная соль (NaCl), которая образуется из ионов Na+ и Cl. Технически они не связаны друг с другом химически, но они очень сильно взаимодействуют благодаря своим противоположным зарядам.

Ионы все еще свободны друг от друга и будут двигаться беспорядочно. Если они изначально имеют асимметричное движение и приводят к более высокой концентрации положительных ионов в одной области и отрицательных ионов в другой, образец ионного соединения будет поляризован (ионная поляризация).

Сохранить статью?
Услуги электромонтажа в Москве