Глава 4. Диэлектрические материалы

Классификация диэлектриков

Комментарии к рис. 4.1 и 4.2.

Диэлектрические материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей электрооборудования. Диэлектрические материалы обладают способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные.

Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют 1 – для создания электрической изоляции токопроводящих частей – они препятствуют прохождению электрического тока другими путями, не предусмотренными электрической схемой и являются электроизоляционными материалами; 2 – в электрических конденсаторах – для создания определенной емкости; здесь важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем она выше, тем меньше габариты конденсатора.

Активные диэлектрикив отличие от обычных применяются для изготовления активных элементов электрических схем. Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, преобразования электрического сигнала. К ним относят материалы, управляемые электрическим полем –сегнетоэлектрики,  механическим усилием – пьезоэлектрики, управляемые теплом – пироэлектрики, электреты, фотоэлектреты, люминофоры.

В 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляриза­ция. Сначала её обнаружили у кристаллов сегнетовой соли ( ), а затем и у других кристаллов. Всю эту группу веществ назвали сегнетоэлектрики (или ферроэлектрики). Детальное исследование диэлектрических свойств этих веществ было проведено в 1930 - 1934 г. И.В.Курчатовым в ленинградском физическом техникуме. Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). У изотропных диэлектриков поляризация всех молекул одинакова, у анизотропных - поляризация, и следовательно, вектор  в разных направлениях разные. В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков.

Рассмотрим основные свойства сегнетоэлектриков.

1. Диэлектрическая проницаемость е в некотором температурном интервале велика( ).

2. Значение е зависит не только от , но и от предыстории образца.

3. Диэлектрическая проницаемость  (а следовательно и Р) - нелинейно зависит от напряженности внешнего электростатического поля (нелинейные диэлектрики).

Рис. 4.2.

Классификация активных диэлектриков

Это свойство называется диэлектрическим гистерезисом. На рисунке 4.3 изображена кривая поляризации сегнетоэлектрика - петля гистерезиса.

Рис.4.3 Кривая поляризации сегнетоэлектрика

Здесь точка а - состояние насыщения.

При , это говорит о том, что в кристаллах имеется остаточная поляризованность  чтобы ее уничтожить необходимо при­ложить - коэрцитивную силу противоположного направления.

4. Наличие точки Кюри - температуры, при которой (и выше) сегнетоэлектрические свойства пропадают. При этой температуре происходит фазовый переход 2-го рода. (Например, титанат бария: 133°С; сегнетова соль: - 18 + 24°С; дигидрофосфат калия: - 150°С; ниобат лития 1210°С).

Причиной сегнетоэлектрических свойств является самопроизвольная (спонтанная) поляризация, возникающая под действием особо сильного взаимодействия между частицами, образующими вещество.

Стремление к минимальной потенциальной энергии и наличие дефектов структуры приводит к тому, что сегнетоэлектрик разбит на домены (рис. 4.4). Без внешнего поля, Р - электрический импульс кристалла, равен нулю (рис. 4.4 а). Во внешнем электростатическом поле домены ориентируются вдоль поля (рис. 4.4 б).

Рис. 4.4 Доменная структура сегнетоэлектрика

Сегнетоэлектрики используются для изготовления, многих радиотехнических приборов, например варикондов - конденсаторов с изме­няемой емкостью.

Среди диэлектриков есть вещества, называемые электреты - это диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электростатического поля (аналоги постоянных магнитов).

Электретами называют диэлектрики, длительное время сохраняю­щие электризованное состояния после окончания внешнего воздействия, вызвавшего электризацию. Электреты являются формальными аналогами постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле. Принципиальная возможность получения таких материалов была предсказана Фарадеем. Термин «электрет» был предложен Хевисайдом в 1896 году по аналогии с английским «magnet» - постоянный магнит, а первые электреты получены японским исследователем Егучи в 1922 году. Егучи охладил в сильном электрическом поле расплав карнаубского воска и канифоли. Электрическое поле сориентировало полярные молекулы, и после охлаждения материал остался в поляризованном состоянии. Для уточнения технологии такие материалы называют термоэлектретами.

Пъезоэлектрикиполяризуются не только под действием электростатического поля, но и под действием механической деформации. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом. Явление открыто братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.

Если на грани кристалла наложить металлические электроды (обкладки) то при деформации кристалла с помощью силы  на обкладках возникнет разность потенциалов. Если замкнуть обкладки, то потечет ток. Продемонстрировать пьезоэффект можно рисунком .4.5.

Рис.4.5 Явление пьезоэффета в диэлектриках

Сейчас известно более 1800 пьезокристаллов. Все сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическими свойствами.

Возможен и обратный пьезоэлектрический эффект. Возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями. Если на пьезоэлектрический кристалл подать напряжение, то возникнут механи­ческие деформации кристалла, причем, деформации будут пропорцио­нальны приложенному электростатическому полю .

Кроме сегнетоэлектриков, спонтанно поляризованными диэлектри­ками являются пироэлектрики (от греч. pyr - огонь). Пироэлектрики это кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной электрической поляризацией во всей температурной области, вплоть до температуры плавления.

В отличие от сегнетоэлектриков в пироэлектриках поляризация Р линейно зависит от величины внешнего электрического поля, т.е. пиро­электрики являются линейными диэлектриками.

Пироэлектричество- появление электрических зарядов на поверх­ности некоторых кристаллов при их нагревании или охлаждении. При нагревании один конец диэлектрика заряжается положительно, а при охлаждении он же - отрицательно. Появление зарядов связано с изме­нением существующей поляризации при изменении температуры кри­сталлов. Типичный пироэлектрик - турмалин.

Пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Некоторые пироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами. Из сказанного выше следует, что понятие «пироэлектрик» является более общим, чем «сегнетоэлектрик». В пироэлектриках поляризации Р линейно зависит от величины внешнего электростатического поля , т.е. пироэлектрики являются линейными диэлектриками.

В качестве примеров использования различных диэлектриков мож­но привести следующие:

· сегнетоэлектрики - электрические конденсаторы, ограничители предельно допустимого тока, позисторы, запоминающие устройства;

· пьезоэлектрики - генераторы ВЧ и пошаговые моторы, микрофоны, наушники, датчики давления, частотные фильтры, пьезоэлектрические адаптеры;

· пироэлектрики - позисторы, детекторы ИК-излучения, болометры (датчики инфракрасного излучения), электрооптические модуляторы.

Электреты – это вещества способные длительное время сохранять поляризованность и создавать в окружаемом их пространстве электрическое поле в отсутствии внешнего энергетического воздействия. Это – воск, парафин, канифоль, янтарь, слюда и др. ; синтетические полимеры – политетрафторэтилен, полистирол, полипропилен, поликарбонаты и др,; неорганические материалы – сера, сульфид цинка, стекла. В зависимости от метода получения различают следующие типы электретов:

термоэлектреты получаются в результате нагрева до температуры плавления кристаллических или размягчения аморфных тел с последующим охлаждением в сильном электрическом поле;

короноэлектреты – воздействием коронным разрядом в газовом промежутве между поверхностью диэлектрика и электродом;

фотоэлектреты – одновременным воздействием света и постоянным электрическим полем;

хемоэлектреты – электризацией в электрическом поле в процессе химических превращений;

радиоэлектреты – воздействием пучком заряженных частиц высокой энергии;

механоэлектреты – воздействием механических нагрузок, сопровождающимися контактной электризацией;

трибоэлектреты – воздействием трением, сопровождающимися контактной электризацией.

По агрегатному состоянию все диэлектрики делятся на твёрдые, жидкие и газообразные.

Преимуществом газообразных диэлектриков является высокое удельное сопротивление r, низкий угол диэлектрических потерь (tgd), малая диэлектрическая проницаемость e  и способность быстро восстанавливать электрическую прочность после пробоя. В качестве изоляции применяется двух- и трёхатомный газ: водород, углекислый газ, азот, а также элегаз (SF₆), фреон (CCl₂F₂). Водород имеет высокий коэффициент теплопроводности, но низкую электрическую прочность. Применяется в основном в турбогенераторах для охлаждения и изоляции. Элегаз имеет высокую электрическую прочность Е_пр, высокую плотность, нетоксичен, не разлагается при высоких температурах (<180°C). Применяется в трансформаторах, требующих повышенной пожаробезопасности.

Используются и инертные газы: гелий в высоковольтном оборудование и технике, в качестве добавки для повышения дугогасящей способности; ксенон, криптон используются при изготовлении электрических специализированных ламп; аргон и неон для изготовления газоразрядных приборов. Преимуществом инертных газов является их взрывобезопасность и химическая стойкость.

Жидкие диэлектрики предназначаются для пропитки электрической изоляции, для повышения её электрической прочности, силовых трансформаторов, кабелей, конденсаторов, также для отвода тепла и дугогашения. По химическому составу они делятся на минеральные (трансформаторные масла [нефтяные]) и синтетические (хлорированные и фторированные углеводороды, кремнийорганические жидкости).

К твердым диэлектрикам относят полимеры, волокнистые и текстильные материалы, слоистые пластики, стекла, керамику, слюдяные материалы.

В особую группу выделяют твердеющие материалы,т.е. при изготовлении изоляции эти материалы находятся в жидком состоянии, а при эксплуатации в твёрдом (пластмассы, лаки, битумы, компаунды).

По химической природе электроизоляция делится на органические и неорганические, элементоорганические. К органическим веществам относятся соединения углерода, содержащие водород, кислород, азот, галогены. К неорганическим относятся вещества, содержащие фосфор, кремний, алюминий.

В зависимости от влияния напряженности электрического поля на значение относительной диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики подразделяют на линейные и нелинейные.

Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.

Полярные (дипольные) диэлектрики - это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. К ним относятся нитробензол, кремнийорганические соединения, фенолформальдегидные смолы и др.