Диэлектрики, сегнетоэлектрики

3. Электропроводность диэлектриков.

Любой радиотехнический материал – проводник, полупроводник или  диэлектрик – проводит электрический  ток. Но в диэлектриках протекают  токи очень малой величины, если даже они находятся под воздействием большого напряжения (500 В и выше).

Электрический ток в диэлектриках – это направленное движение электронов и ионов: положительных и (или) отрицательных  ионов. 

 

Основные виды электропроводности диэлектриков

1.      Абсорбционные токи

Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной  поляризации. Абсорбционные токи при  постоянном напряжении протекают в  диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и  выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают  в течение всего времени нахождения диэлектрика в электрическом  поле.

В общем случае электрический  ток j в диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока j_ск и тока абсорбции j_аб

j = j_ск + j_аб.

Ток абсорбции можно определить через ток смещения j_см - скорость изменения вектора электрической индукции D

Сквозной ток определяется переносом (движением) в электрическом  поле различных носителей заряда.

2.      Электронная электропроводность характеризуется перемещением электронов под действием поля. Кроме металлов она присутствует у углерода, оксидов металлов, сульфидов и др. веществ, а также у многих полупроводников.

3.      Ионная – обусловлена движением ионов. Наблюдается в растворах и расплавах электролитов – солей, кислот, щелочей, а также во многих диэлектриках. Она подразделяется на собственную и примесную проводимости. Собственная проводимость обусловлена движением ионов, получаемых при диссоциации молекул. Движение ионов в электрическом поле сопровождается электролизом – переносом вещества между электродами и выделением его на электродах. Полярные жидкости диссоциированы в большей степени и имеют большую электропроводность, чем неполярные.

В неполярных и слабополярных жидких диэлектриках (минеральные масла, кремнийорганические жидкости) электропроводность определяется примесями.

4.      Молионная электропроводность – обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами. Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях, суспензиях. Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом. При электрофорезе, в отличие от электролиза, новых веществ не образуется, меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных слоях жидкости. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, например, в маслах, содержащихэмульгированную воду.

 

 

4.  Электропроводность газов

Газы обладают малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть при наличии в них ионов  или свободных электронов, что  возможно под воздействием внешних  и внутренних ионизирующих факторов: космическое, рентгеновское или  радиоактивное излучение, тепловое воздействие, соударение заряженных частиц с молекулами.

Электропроводность газа, обусловленная действием внешних  ионизаторов и исчезающая после  прекращения его действия называется несамостоятельной. А электропроводность, обусловленная ударной ионизацией и не исчезающая после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельной. В слабых полях, в которых ударная ионизация отсутствует, самостоятельная электропроводность не наблюдается.

В слабых полях в газах  выполняется закон Ома, ток линейно  меняется с величиной приложенного напряжения. При более высоких  напряженностях электрического поля вплоть до возникновения ударной ионизации  наблюдается ток насыщения, величина которого не зависит от величины поля. В полях, величина которых достаточна для ионизации газа при столкновении частиц, наступает пробой газа. 

5. Электропроводность жидких диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков зависит от многих факторов: строения молекул, температуры, наличия  примесей, наличия крупных заряженных коллоидных частиц и других факторов.

Электропроводность неполярных жидкостей зависит от наличия диссоциированных примесей и влаги. В полярных жидкостях электропроводность создается кроме примесейдиссоциированными ионами самой жидкости. Полярные жидкости обладают повышенной проводимостью по сравнению с неполярными. С повышением диэлектрической проницаемости проводимость возрастает. Очистка жидкостей от примесей уменьшает их проводимость.

Удельная проводимость жидкого  диэлектрика экспоненциально зависит  от температуры и выражается уравнением

где А и a – постоянные, характеризующие жидкость.

Рост проводимости жидкости с ростом температуры вызывается уменьшением ее вязкости, приводящим к возрастанию подвижности ионов, и ростом степени диссоциации.

В области слабых полей  ток в жидких диэлектриках описывается  законом Ома. В отличие от газов  в зависимости тока от напряжения жидкого диэлектрика обычно отсутствует  участок насыщения, хотя он может  появиться при высокой степени  очистки жидкости. В области высоких  полей, превышающих 10 – 100 МВ/м, закон  Ома нарушается в результате увеличения числа ионов, движущихся под влиянием поля. 

6. Электропроводность твердых диэлектриков

Обусловлена, как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов примесей, а у некоторых материалов и наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наблюдается при сильных электрических полях. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы и ионы примесей, а при высоких температурах движутся термически освобождаемые ионы кристаллической решетки. Ионная электропроводность, в отличие от электронной, сопровождается переносом вещества.

Температурная зависимость  удельной проводимости твердых диэлектриков  описывается выражением

где W – энергия активации носителей заряда, k – постоянная Больцмана.

Для каменной соли энергия  активации ионов натрия 0,85 эВ, ионов хлора 2,5 эВ, электронов 6,0 эВ.

Кристаллы с одновалентными ионами, например NaCl, обладают большей проводимостью по сравнению с кристаллами с многовалентными ионами MgO, Al₂O₃.

При больших напряженностях (выше 10 - 100 МВ/м) электрического поля в  кристаллическом диэлектрике появляется значительный электронный ток, быстро возрастающий с ростом напряженности  поля, приводящий к нарушению закона Ома. 

7. Физико – механические и химические свойства диэлектриков

При выборе изоляционного  материала приходится учитывать  не только электрические свойства, но и влажностные, тепловые, химические, механические свойства, химическую стойкость  и активность диэлектрика его тропикостойкость и радиационную стойкость. 

 

Влажностные свойства диэлектриков

Влагостойкость  – это надежность эксплуатации изоляции при нахождении ее в атмосфере водяного пара близкого к насыщению. Влагостойкость оценивают по изменению электрических, механических и других физических свойств после нахождения материала в атмосфере с повышенной и высокой влажностью; по влаго- и водопроницаемости; по влаго- и водопоглощаемости.  

 

Влагопроницаемость – способность материала пропускать пары влаги при наличии разности относительных влажностей воздуха с двух сторон материала.

Влагопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном нахождении во влажной атмосфере близкой к состоянию насыщения.

Водопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном погружении его в воду.

Тропикостойкость и тропикализация оборудования – защита электрооборудования от влаги, плесени, грызунов. 

 

Тепловые свойства диэлектриков

Для характеристики тепловых свойств диэлектриков используются следующие величины.

Нагревостойкость – способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них выдерживать воздействие высокой температуры и резких смен температуры. Определяют по температуре, при которой наблюдается существенное изменение механических и электрических свойств, например, в органических диэлектриках начинается деформация растяжения или изгиба под нагрузкой.

Теплопроводность – процесс передачи тепла в материале. Характеризуется экспериментально определяемым коэффициентом теплопроводности λ_т. λ_т – количество теплоты, переданной за одну секунду через слой материала толщиной в 1 м и площадью поверхности – 1 м² при разности температур поверхностей слоя в 1 °К. Коэффициент теплопроводности диэлектриков изменяется в широких пределах. Самые низкие значения λ_т имеют газы, пористые диэлектрики и жидкости (для воздуха λ_т = 0,025 Вт/(м·К), для водыλ_т = 0,58 Вт/(м·К)), высокие значения имеют кристаллические диэлектрики (для кристаллического кварца λ_т = 12,5 Вт/(м·К)). Коэффициент теплопроводности диэлектриков зависит от их строения (для плавленого кварца λ_т = 1,25 Вт/(м·К)) и температуры.

Тепловое расширение диэлектриков оценивают температурным коэффициентом линейного расширения:  . Материалы с малым тепловым расширением, имеют, как правило, более высокую нагревостойкость и наоборот. Тепловое расширение органических диэлектриков значительно (в десятки и сотни раз) превышает расширение неорганических диэлектриков. Поэтому стабильность размеров деталей из неорганических диэлектриков при колебаниях температуры значительно выше по сравнению с органическими. 

 

Радиационная  стойкость диэлектриков

Современная техника может  подвергаться воздействию корпускулярных или волновых излучений высокой  энергии, которое изменяет физические и химические свойства материалов. Степень стойкости физико-химических свойств материала, степень сохранения ими электрических, механических и  других свойств к воздействию  излучения называетсярадиационной стойкостью.

Взаимодействие излучения  с веществом зависит от природы  вещества и излучения. Рассеяние  энергии излучения происходит в  основном за счет ионизации (внутренний фотоэффект), возбуждения атомов, комптоновского рассеяния, при очень больших  энергиях из-за ядерных преобразований. Часть энергии излучения расходуется  на выбивание атомов в междоузлия, т.е. на создание дефектов структуры  – вакансий и междоузельных атомов, в основном в поверхностном слое материала. Но воздействие излучений, обладающих большой длиной пробега  частиц, например, нейтронов, вызывает нарушение структуры по всему  объему облучаемого материала.

Воздействие излучения может  сопровождаться химическими превращениями - разрываются и перемещаются химические связи, образуются свободные радикалы. Так в органических полимерах  происходит выделение газов, образование  и ликвидация двойных связей, полимеризация  образование поперечных связей, вулканизация. Химические превращения сопровождаются изменением физических свойств материала.

Стойкие к воздействию  излучения материалы должны:

·           должны обладать способностью поглощать энергию без чрезмерной ионизации;

·           способностью в большей степени образовывать двойные связи, чем обнаруживать разрыв связей.

Наиболее стойкими к облучению  неорганическими диэлектриками  являются: кварц, слюда, глинозем, оксид  циркония оксид бериллия и слюдяные материалы со стекловидным связующим. Воздействие излучения приводит у них к снижению удельного сопротивления и электрической прочности, После прогрева облученных неорганических диэлектриков при высоких температурах (отжига) у них возможно восстановление первоначальных свойств.

Изучение влияния радиоактивного излучения на органические полимеры: полиэтилен, полистирол, синтетический  и натуральный каучуки и др. – показывает, что ароматические соединения проявляют большую стойкость к действию радиации по сравнению с алифатическими соединениями. Полагают, что бензольные кольца поглощают значительную часть радиоактивного излучения без деструкции. В результате повышается радиационная устойчивость соединений с бензольными кольцами (полистирол) по сравнению с полимерами алифатического ряда без бензольных колец (полиэтилен, фторопласт). Наименее устойчивы к действию радиации полидиметилсилоксаны.Фенильные группы в полимерах увеличивают стойкость к радиации.  

8. Электроизоляционные материалы

Электроизоляционные материалы  классифицируются по:

·           агрегатному состоянию – газообразные, жидкие, твердые и твердеющие (лаки, компаунды) материалы;

·           по химической природе – органические, неорганические, элементоорганические материалы.  

1.  Газообразные диэлектрики

Воздух и газы являются идеальными диэлектриками до процесса их ионизации. При ионизации космической  радиацией, нагревом их электроизоляционные  свойства резко снижаются.

Электрическая прочность  воздуха при нормальном давлении 2,1 МВ/м. Электрическая прочность  воздуха заметно зависит от частоты  электрического поля. Воздух при высоком  давлении превосходит по электрической  прочности такие диэлектрики, как  фарфор и трансформаторное масло.