Свойства диэлектриков, принцип работы

Диэлектрики
вещества, в которых может сохраняться более или менее длительное время раз созданное электрическое поле без затраты энергий на поддержание его.

Если в диэлектрике имеются свободные заряды, то они будут, перемещаясь под действием электрического поля и доходя до поверхности, нейтрализовать внешние заряды, создающие поле, или же создавать обратное поле, ослабляющее внешнее, приложенное. Перемещение зарядов будет длиться до тех пор, пока результирующее поле в нем не станет равным нулю.

Движение свободных зарядов обусловливает электропроводность. Требование, чтобы в веществе существовало электрическое поле, может быть сведено к тому, чтобы электропроводность вещества была достаточно мала. Практически можно считать диэлектриком вещество, уд. сопротивление которого > 10 в 10 -й степени Q-см.

Термин диэлектрик является условным: когда вещество подвергается лишь кратковременному воздействию напряжения и поле в диэлектриках существует лишь кратковременно, они могут считаться вещества, обладающие значительно меньшим удельным сопротивлением, чем указано выше, например дестилированная вода. Наоборот, при длительно приложенном постоянном напряжении мы вынуждены в ряде случаев трактовать вещества с указанным выше уд. сопротивлением как проводники.

Все вещества независимо от агрегатного состояния построены из зарядов, связанных большими или меньшими силами взаимодействия. Чтобы вещество было диэлектриком, т. е..обладало малой электропроводностью, необходимо, чтобы заряды, ионы и электроны, из которых оно построено, при наложении поля не могли свободно перемещаться.

В изолированном атоме энергия электронов может иметь согласно требованиям волновой механики не любые, а лишь определенные дискретные значения W1, W2, W3,... (фигура, а). При соединении атомов в твердую кристаллическую решетку каждый из этих уровней несколько смещается и расщепляется на целый ряд тесно расположенных новых уровней, образующих зону, общую для всего кристалла (фигура, б).

поляризация диэлектриков

В кристаллической решетке энергия электронов может иметь лишь значения, лежащие в пределах зон; значения же энергии, которые соответствуют промежуткам между зонами, для электронов запрещены. Каждая зона согласно принципу Паули может вместить лишь ограниченное количество электронов. Электроны будут стремиться расположиться на возможно более низких энергетических уровнях, однако нижняя зона не сможет их всех вместить, и они заполнят ряд зон.

Если при этом наиболее высокая из тех зон, в которых размещены электроны, будет заполнена ими лишь частично, то находящиеся в этой зоне электроны при наложении поля будут иметь возможность в пределах зоны свободно перемещаться и могут считаться свободными; данное вещество будет хорошо проводить ток (являться проводником). Если же эта наиболее высокая из занятых зон будет заполнена электронами полностью, то электроны не могут смещаться под влиянием поля и должны считаться связанными, — данное вещество является диэлектриком. В случае аморфных твердых веществ, характеризуемых беспорядочным расположением атомов, зоны, общие для всего кристалла, не могут образоваться, поэтому электроны будут лишены возможности перемещаться, и следовательно такое вещество окажется диэлектриком.

Помимо движения электронов необходимо учесть также движение атомов или ионов. Тепловое движение этих частиц будет заключаться в колебаниях около положения равновесия. В наличии окажется однако некоторое количество ионов, энергия теплового движения которых столь велика, что они могут преодолеть связывающие их силы. Эти ионы мы назовем условно «свободными». Такие ионы покинут свои места и перейдут на другие, где их потенциальная энергия, так же как и в местах, откуда они ушли, будет возможно малой. В случае диэлектрика, имеющих кристаллическую решетку с плотной упаковкой, местами, где могут находиться ионы в равновесном состоянии, являются узлы решетки. Перескоки ионов в таких материалах согласно Шоттки могут происходить лишь в том случае, когда некоторое количество узлов решетки с самого начала не занято ионами (в решетке имеются «дырки»). Тепловое движение в этом случае сводится к беспорядочным перескокам ионов с одних узлов решетки на другие.

диэлектрики фото

Аморфные диэлектрики

В аморфных диэлектриках с их более рыхлой структурой имеется значительно больше мест, в которых может находиться ион в равновесном состоянии. Затрата энергии при переходе из одного равновесного состояния в другое также будет различна. Будут существовать переходы, требующие меньшей затраты энергии, при которых ион не будет однако полностью освобождаться от связывающих его сил, а, оставаясь «полусвязанным», перемещаться лишь на небольшое расстояние. Эти переходы и будут в основном происходить в результате теплового движения. Некоторое значительно меньшее количество ионов, более богатых энергией, сможет полностью оторваться от связующих их сил. Эти ионы по аналогии со случаем кристаллической решетки можно условно назвать «свободными». Данная картина теплового движения соответствует твердому состоянию.

Переход от твердого к жидкому состоянию

Переход от твердого к жидкому состоянию происходит различно для кристаллических и для аморфных веществ. В первом случае мы наблюдаем резкую t°пл T8, причем вязкость жидкости уже при температуре Тs мала. В случае аморфных диэлектриков t°пл не наблюдается, а переход из одного состояния в другое происходит в первом приближении непрерывно путем постепенного уменьшения вязкости. Более детальное изучение явления перехода из твердого в жидкое состояние показывает однако, что существует некоторая характерная для данного вещества температуpa Тg, при которой вязкость испытывает резкий скачок и вещество, оставаясь весьма вязким, начинает течь.

Ниже температуры Тg вещество следует считать твердым, выше — жидкостью. При температуpax, несколько превышающих Тg, аморфный диэлектрик сохраняет ряд свойств, характерных для твердого состояния. Молекулы диэлектрика остаются еще частично упруго связанными. Чем выше температура, тем слабее эти упругие связи; при температурах, значительно превосходящих Тg, можно в первом приближении считать, что молекулы в жидкости перемещаются свободно. При температуpax, близких к началу размягчения, перемещение молекул хотя уже и является принципиально возможным, но сильно затруднено. Внешне это сказывается в том, что вязкость такой жидкости еще очень велика. При повышении температуры перемещение молекул встречает меньше препятствия; параллельно убывает и вязкость.

За меру того, в какой степени молекулы «свободны» в своих перемещениях, мы можем поэтому выбрать вязкость жидкости. Тепловое движение молекул в жидкостях заключается:

  1. в колебании около положения равновесии, когда они связаны в комплексы,
  2. в поступательных и вращательных перемещениях когда они свободны.

При плавлении кристаллического диэлектрика, имеющих ионную решетку (например солей), получается как правило проводящая жидкость, которая диэлектриком считаться не может. В случае кристаллов с атомной и молекулярной решеткой плавление приводит в диэлектрическим жидкостям, имеющим малую вязкость; перемещение молекул в этих жидкостях можно считать свободным.

Жидкости кроме нейтральных молекул всегда содержат некоторое количество ионов, получившихся как вследствие диссоциации молекул жидкости, так и вследствие диссоциации молекул примесей. В газообразном состоянии как поступательное, так и вращательное движение молекул ничем не ограничено.

Диэлектрик в постоянном электрическом поле

При помещении диэлектрика в постоянное электрическое поле заряды, из которых он построен, оказываются подверженными действию сил обусловливающих:

  1. смещение связанных зарядов (электроны, ионы),
  2. наложение на беспорядочное тепловое движение некоторого упорядоченного, состоящего в перемещении положительных зарядов в направлении поля, отрицательных зарядов — в обратном направлении.

Это упорядоченное перемещение может:

  • а) привести к новому равновесному состоянию с несколько измененным распределением зарядов, по достижению которого упорядоченное движение прекращается (вращение дипольных молекул, перемещение полусвязанных ионов);
  • б) продолжаться непрерывно, пока в нем существует в электрическое поле (свободные ионы и электроны).

Поляризации диэлектрика

Эти процессы будут развиваться с разной скоростью. Смещение связанных зарядов потребует для своего завершения лишь весьма малого времени; значительно медленнее протекают процессы. Смещение зарядов в электрическом поле, указанное, вызывает образование обратного поля, которое ослабляет приложенное внешнее поле. Это явление носит название поляризации диэлектрика. Мерой ослабления поля внутри него служит электрическая проницаемость (постоянная). Поскольку процесс поляризации не протекает мгновенно, а требует для завершения некоторого конечного промежутка времени, постольку связанные с явлением поляризации величины, в частности диэлектрическая проницаемость, не являются константами, а переменными величинами, зависящими от времени. При повышении температуры увеличивается интенсивность теплового движения, и переход в упорядоченное состояние затрудняется. Вследствие этого при наличии процессов, на поляризацию диэлектрика и его диэлектрическую проницаемость должна влиять и температуpa, причем при повышении температуры диэлектрическая проницаемость должна убывать.

Пробой диэлектрика

При всех указанных явлениях в диэлектрике после приложения напряжения через больший или меньший промежуток времени создается стационарное или квазистационарное (при переменном напряжении) состояние, характеризуемое устойчивыми во времени значениями поляризации, электропроводности или соответственно диэлектрических потерь. Однако, если увеличивать напряженность поля, то имеется некорый предел, выше которого стационарное состояние нарушается. Текущий через него ток начинает ускоренно возрастать во времени, электропроводность резко увеличивается, вещество перестает быть диэлектриком и становится проводником, происходит пробой.

Характеризующее пробой прогрессирующее во времени возрастание электропроводности может находиться в зависимости от рода вещества и его агрегатного состояния, а также таких факторов, как температуpa, вид напряжения, длительность воздействия напряжения и т. д., и обусловлено различными явлениями. Эти явления могут быть сведены в две основные группы:

  1. явления тепловые: возрастание электропроводности обусловлено прогрессирующим разогревом диэлектрика, выделяющимися в нем потерями; пробой наступает тогда, когда стационарное тепловое состояние его становится невозможным;
  2. явления чисто электрические: возрастание электропроводности обусловлено увеличением числа свободных зарядов в результате либо ударной ионизации, т. е. срыва связанных зарядов движущимися зарядами, либо срыва связанных зарядов непосредственно самим полем.

Диэлектрики находят широкое применение в технике как электроизолирующие материалы.


Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на обработку персональных данных в соответствии с Условиями