Диэлектрики и их свойства, поляризация и пробивная напряженность диэлектриков

Вещества (тела) с ничтожной электропроводностью называются диэлектриками или изоляторами. 

Диэлектрики, или непроводники, представляют большой важный для практических целей класс веществ, применяющихся в электротехнике. Они служат для изоляции электрических цепей, а также для сообщения электрическим устройствам особых свойств, позволяющих более полно использовать объем и вес материалов, из которых они изготовлены. 

Диэлектриками могут быть вещества во всех агрегатных состояниях: в газообразном, жидком и твердом. В качестве газообразных диэлектриков в практике используются воздух, углекислота, водород как в нормальном, так и в сжатом состояниях.

Все перечисленные газы имеют практически бесконечно большое сопротивление. Электрические свойства газов изотропны. Из жидких веществ свойствами диэлектрика обладают химически чистая вода, многие органические вещества, естественные и искусственные масла (трансформаторное масло, совол и т. д.).

Жидкие диэлектрики также имеют изотропные свойства. Высокие изоляционные качества этих веществ зависят от чистоты.

Например, изоляционные свойства трансформаторного масла при поглощении из воздуха влаги снижаются. Наиболее широко применяются в практике твердые диэлектрики. К ним относятся вещества неорганического (фарфор, кварц, мрамор, слюда, стекло и т. п.) и органического (бумага, янтарь, резина, различные искусственные органические вещества) происхождения.

Большинство из этих веществ отличаются высокими электрическими и механическими качествами и применяются для изоляции электротехнических устройств, рассчитанных на эксплуатацию внутри помещения и на открытом воздухе.

Ряд веществ сохраняют свои высокие изолирующие свойства не только при нормальной, но и повышенной температуре (кремний, кварц, кремнийорганические соединения). В твердых и жидких диэлектриках имеется некоторое количество свободных электронов, благодаря чему удельное сопротивление хорошего диэлектрика составляет около 10¹⁵  - 10¹⁶ ом х м.

При некоторых условиях в диэлектриках происходит расщепление молекул на ионы (например, под действием высокой температуры или в сильном поле), в этом случае диэлектрики теряют свои изолирующие свойства и становятся проводниками.

Диэлектрики обладают свойством поляризоваться и в них возможно длительное существование электростатического поля.

Отличительной особенностью всех диэлектриков является не только большое сопротивление прохождению электрического тока, определяемое наличием в них небольшого числа электронов, свободно перемещающихся во всем объеме диэлектрика, но и изменение их свойств под действием электрического поля, которое называется поляризацией. Поляризация оказывает большое влияние на электрическое поле в диэлектрике.

Одним из основных примеров применения диэлектриков в электротехнической практике является изоляция элементов электрических устройств от земли и друг от друга, поэтому пробой изоляции нарушает нормальную работу электрических установок, приводит к авариям.
Чтобы избежать этого, при проектировании электрических машин и установок изоляцию отдельных элементов выбирают с таким расчетом, чтобы, с одной стороны, нигде в диэлектриках напряженность поля не превосходила их электрической прочности, и, с другой стороны, чтобы изоляция в отдельных звеньях устройств использовалась возможно более полно (без излишних запасов).
Для этого в первую очередь необходимо знать, как распределяется электрическое поле в устройстве. Тогда подбором соответствующих материалов и их толщины можно удовлетворительно решить указанную выше задачу.

Поляризация диэлектриков

Если электрическое поле создается в вакууме, то величина и направление вектора напряженности поля в данной точке зависят только от величины и места расположения зарядов, создающих поле. Если же поле создается в каком-либо диэлектрике, то в молекулах последнего, происходят физические процессы, оказывающие влияние на электрическое поле.

Под действием сил электрического поля электроны на орбитах смещаются в направлении, противоположном полю. В результате ранее нейтральные молекулы становятся диполями с равными зарядами ядра и электронов на орбитах. Это явление называется поляризацией диэлектрика. При исчезновении поля исчезает и смещение. Молекулы опять становятся электрически нейтральными.

Поляризованные молекулы - диполи создают свое электрическое поле, направление которого противоположно направлению основного (внешнего) поля, поэтому добавочное поле, складываясь с основным, ослабляет его.

Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее получается результирующее поле, тем меньше становится его напряженность в каждой точке при тех же зарядах, создающих основное поле, а следовательно, диэлектрическая проницаемость такого диэлектрика больше. 

Если диэлектрик находится в переменном электрическом поле, то смещение электронов становится также переменным. Этот процесс приводит к усилению движения частиц и, следовательно, к нагреванию диэлектрика.

Чем чаще изменяется электрическое поле, тем сильнее нагревается диэлектрик. На практике это явление используется для нагрева влажных материалов с целью их сушки или получения химических реакций, происходящих при повышенной температуре.

Читайте также: Что такое диэлектрические потери из-за чего они возникают

Полярные и неполярные диэлектрики

Хотя диэлектрики практически не проводят электричества, тем не менее под действием электрического поля они изменяют свои свойства. В зависимости от строения молекул и характера воздействия на них электрического поля диэлектрики делятся на два вида: неполярные и полярные (с электронной и ориентационной поляризацией).

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

При внесении этих веществ в электростатическое поле электроны под влиянием сил поля смещаются и центры действия электронов и протонов не совпадают. Во внешнем пространстве атом в этом случае воспринимается как диполь, т. е. как система двух равных разнозначных точечных зарядов -q и + q, находящихся друг от друга на некотором малом расстоянии а, равном смещению центра орбиты электронов относительно центра ядра.

В такой системе положительный заряд оказывается смещенным в направлении напряженности поля, отрицательный заряд — в противоположном направлении. Чем больше напряженность внешнего поля, тем больше и относительное смещение зарядов в каждой молекуле.

При исчезновении поля электроны возвращаются в исходные состояния движения относительно ядра атома и диэлектрик опять становится нейтральным. Указанное выше изменение свойств диэлектрика под влиянием поля называется электронной поляризацией.

В полярных диэлектриках молекулы представляют собой диполи. Находясь в хаотическом тепловом движении, дипольный момент все время меняет свое положение. Это приводит к компенсации полей диполей отдельных молекул и к тому, что вне диэлектрика, когда внешнего поля нет, макроскопическое поле отсутствует.

При воздействии на эти вещества внешнего электростатического поля диполи будут поворачиваться и располагаться осями вдоль поля. Этому полностью упорядоченному расположению будет препятствовать тепловое движение.

При небольшой напряженности поля происходит лишь поворот диполей на некоторый угол в направлении поля, определяемый равновесием между действием электрического поля и эффектом от теплового движения.

С возрастанием напряженности поля поворот молекул и соответственно степень поляризации возрастают. В таких случаях расстояние а между зарядами диполей определяется средним значением проекций осей диполей на направление напряженности поля. Кроме такого вида поляризации, которая называется ориентационной, в этих диэлектриках возникает также и электронная поляризация, вызываемая смещением зарядов.

Описанные выше картины поляризации являются основными для всех изолирующих веществ: газообразных, жидких и твердых. В жидких и твердых диэлектриках, в которых средние расстояния между молекулами меньше, чем в газах, явление поляризации усложняется, так как кроме смещения центра орбиты электронов относительно ядра или поворота полярных диполей наблюдается еще взаимодействие между молекулами.

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

Исключение представляют заряды полюсов молекул, находящихся у граничных поверхностей диэлектрика. Такие заряды образуют тонкие заряженные слои у этих поверхностей. В однородной среде явление поляризации можно представить как стройное расположение диполей.

Пробивная напряженность диэлектриков

При нормальных условиях диэлектрик обладает незначительной электропроводностью. Это свойство сохраняется, пока напряженность электрического поля не увеличится до некоторого предельного для каждого диэлектрика значения.

В сильном электрическом поле происходит расщепление молекул диэлектрика на ионы и тело, которое в слабом поле было диэлектриком, становится проводником.

Напряженность электрического поля, при которой начинается ионизация молекул диэлектрика, называется пробивной напряженностью (электрической прочностью) диэлектрика.

Величина напряженности электрического поля, которая допускается в диэлектрике при его использовании в электрических установках, называется допустимой напряженностью. Допустимая напряженность обычно в несколько раз меньше пробивной. Отношение пробивной напряженности к допустимой определяет запас прочности. Лучшими непроводниками (диэлектриками) являются вакуум и газы, особенно при высоком давлении.

Пробой происходит различно в газообразных, жидких и твердых веществах и зависит от ряда условий: от однородности диэлектрика, давления, температуры, влажности, толщины диэлектрика и т. д. Поэтому, указывая значение электрической прочности, обычно оговаривают эти условия.

Для материалов, работающих, например, в закрытых помещениях и не подвергающихся атмосферному влиянию, устанавливаются нормальные условия (например, температура +20° С, давление 760 мм). Нормируется также влажность, иногда частота и т. д.

Газы обладают сравнительно низкой электрической прочностью. Так, пробивной градиент воздуха при нормальных условиях составляет 30 кв/см. Преимущество газов заключается в том, что после пробоя быстро восстанавливаются их изолирующие свойства.

Жидкие диэлектрики отличаются несколько более высокой электрической прочностью. Отличительным свойством жидкостей является хороший отвод тепла от нагреваемых при прохождении тока по проводникам устройств. Наличие примесей, в частности воды, значительно снижает электрическую прочность жидких диэлектриков. В жидкостях, как и в газах, восстанавливаются их изолирующие свойства после пробоя.

Твердые диэлектрики представляют обширный класс изоляционных материалов как естественного, так и искусственного происхождения. Эти диэлектрики имеют самые различные электрические и механические свойства.

Применение того или другого материала зависит от требований, предъявляемых к изоляции данной установки и условий ее работы. Большой электрической прочностью отличаются слюда, стекло, парафин, эбонит, а также различные волокнистые и синтетические органические вещества, бакелит, гетинакс и т. п.

Если кроме требования высокого пробивного градиента к материалу предъявляется и требование большой механической прочности (например, в опорных и подвесных изоляторах, для защиты аппаратуры от механических воздействий), широко применяется электротехнический фарфор. 

В таблице приведены значения пробивной напряженности (при нормальных условиях и в однородном постоянном ноле) некоторых наиболее распространенных диэлектриков.

Значения пробивной напряженности диэлектриков

Андрей Повный