Электрические свойства диэлектриков кратко

Обновлено: 05.07.2024

Электроизоляционный материал – это диэлектрический материал, предназначенный для электрической изоляции. Величина электрического сопротивления находится в диапазоне от 10 6 Ом∙м до 10 17 Ом∙м, для неионизированных газов еще выше.

Электроизоляционные материалы в зависимости от агрегатного состояния подразделяют на газообразные, жидкие и твердые. По химическому составу – на органические (полиэтилен, полистирол и др.) и неорганические (слюда, мрамор и т.д.).

Основные свойства диэлектриков:

- температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ определяет изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры, 0 С -1 :

ТКρ=(1/ ρ 2)( dρ / dt ),

где ρ2 – удельное сопротивление при температуре t 2; dρ – изменение удельного сопротивления; dt – изменение температуры с начальной до t 2.

- диэлектрическая проницаемость диэлектрика ε. Различают относительную диэлектрическую проницаемость ε r , абсолютную ε и диэлектрическую проницаемость вакуума ε0 (электрическая постоянная e 0= 8,85 × 10 -12 Ф/м ) . Их связывает соотношение:

ε=ε r ∙ε0 или ε r =ε/ε0.

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз диэлектрическая проницаемость среды больше диэлектрической проницаемости вакуума.

Диэлектрическая проницаемость газообразных диэлектриков составляет около 1, для неполярных жидких и твердых диэлектриков она обычно равна 2-2,5, для полярных – обычно в пределах 3-8, но может и достигать нескольких десятков и сотен.

- Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКε r – позволяет оценить изменение диэлектрической проницаемости с изменением температуры:

ТКε r =(1/ ε r )( d ε r / dt ).

- Диэлектрические потери - мощность, рассеиваемая в диэлектрике при действии на него переменного электромагнитного поля. Диэлектрические потери могут быть обусловлены как токами проводимости (потери проводимости), так и запаздыванием поляризации при изменении поля (релаксационные, миграционные и резонансные потери). Кроме того, в сильных электрических полях приналичии в диэлектрике воздушных включений наблюдаются дополнительные потери энергии (ионизационные потери). Диэлектрические потери зависят от приложенного напряжения U , В, частоты f , Гц, емкости C , Ф и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ , Вт:

P = U 2∙ C ∙2 πf ∙ tgδ .

- Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ определяет рассеиваемую в диэлектрике мощность при переменном электромагнитном поле. Произведение tgδ на величину относительной диэлектрической проницаемости называется фактором потерь:

- Электрическая прочность диэлектрика E пр – напряженность электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой:

где U пр – пробивное напряжение, наибольшее значение напряжения, которое было приложено к диэлектрику в момент пробоя, h – толщина диэлектрика. Размерность электрической прочности – В/м.

- нагревостойкость. ГОСТ 21515-76 определяет нагревостойкость как способность диэлектрика длительно выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств.

По рекомендациям МЭК введена характеристика – температурный индекс (ТИ) – это температура, при которой срок службы материала составляет 20000 часов.

По нагревостойкости диэлектрики делятся на 7 классов. Температурные индексы, классы нагревостойкости приведены в табл. 1.

Таблица 1. Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов.

ТИ Класс нагревостойкости Температура, 0 С

180 C Более 180

Указанные температуры являются предельно допустимыми при их длительном использовании.

Удельное объемное электрическое сопротивление, относительная диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, электрическая прочность основных электроизоляционных материалов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Электрические свойства основных электроизоляционных материалов (при 20 0 С)

Название ρ, Ом∙м ε r tgδ E пр, кВ/мм

При 50 Гц При 50 Гц

Полистирол 10 13 - 10 15 2,4-2,7 (2-4)∙10 -4 25-30

Полиэтилен 10 13 - 10 15 2,3 (2-3)∙10 -4 40-42

Полиэтилен 10 13 - 10 15 2,4 5∙10 -4 40-42

Полипропилен 10 13 - 10 15 2,1 (2-3)∙10 -4 30-35

Поли- 10 12 - 10 13 3,7 (3-5)∙10 -4 24

Полиуретан 10 12 - 10 13 4,6 12∙10 -3 20-25

Полиметил- 10 10 - 10 12 3,6 6∙10 -2 15-18

ПВХ 10 10 - 10 12 4,7 (3-8)∙10 -2 15-20

ПЭТФ 10 12 - 10 13 3,5 (2-6)∙10 -4 30

Фторопласт-4 10 16 - 10 18 2,0 (1-3)∙10 -4 27-40

Обозначения: ρ - удельное объемное электрическое сопротивление, ε r - относительная диэлектрическая проницаемость, tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь, E пр - электрическая прочность.

1) удельное электрическое сопротивление ρ_v и ρ_s;

2) диэлектрическая проницаемость Е, относительная – Е_r = E/E₀;

3) электрическая прочность Е_пр = U_пр : h, В/м.
1. Сопротивление диэлектрика
Способность материала проводить электрический ток называется электрической проводимостью или электропроводностью. Величина ей обратная – электрическое сопротивление.
Если для проводников удельное сопротивление более 10 -9 Ом .

м, то для диэлектриков оно более 10 10 ÷ 10 19 Ом . м, поэтому диэлектрики используются как изоляционный материал. Величина сопротивления диэлектриков говорит о том, что сквозной ток проводимости в диэлектриках очень и очень мал. Однако он существует и его тоже надо учитывать.
Ток в диэлектрике, вызванный электропроводностью, называют током утечки. В твёрдых диэлектриках различают два тока утечки – объёмный I_v, идущий через толщу диэлектрика, и поверхностный I_s, идущий по поверхности диэлектрика. Сумма этих токов определяет общий ток утечки. Соответственно двум видам токов утечки различают объёмное удельное сопротивление ρ_v и поверхностное удельное сопротивление ρ_s. Единица измерения объёмного удельного сопротивления [ρ_v] – Ом . м. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата поверхности материала, когда постоянный ток подведён к двум противоположным сторонам квадрата: [ρ_s] = 1 Ом. Тогда единицы измерения удельных проводимостей: объемной – См/м (сименс/м), поверхностной – См (сименс).

Для определения ρ_v и ρ_s необходимо разделить в образце диэлектрика токи утечки I_v и I_s, замерить их отдельно, по напряжению и току посчитать сопротивление и потом уже рассчитать ρ_v и ρ_s. Для этого используется трёхэлектродная схема (см. учебник).

2. Относительная диэлектрическая проницаемость
Относительная диэлектрическая проницаемость ε_r показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этом диэлектрике меньше силы взаимодействия этих зарядов в вакууме. Существует также понятие абсолютная диэлектрическая проницаемость:

4) ионно-релаксационная – в некоторых твёрдых диэлектриках отдельные ионы слабо связаны с другими (из-за примесей, дефектов кристаллической решётки, своей химической природы) и могут быть переброшены внешним электрическим полем.
5) миграционная поляризация – образуется в слоистой, твёрдой изоляции, состоящей из разных диэлектриков.

6) доменная поляризация – присуща сегнетоэлектрикам, веществам, в которых имеется спонтанная поляризация – без наличия внешнего электрического поля в диэлектрике есть области со смещенными электрическими зарядами. Во внешнем электрическом поле они могут переориентироваться, значит, их относительная диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности электрического поля, а также от температуры.
От комбинации разных видов поляризации (то есть от вида диэлектрика) зависит способность материала к поляризации, которая и характеризуется абсолютной диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость определяет ёмкостные свойства диэлектрика, показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с диэлектриком больше ёмкости того же самого конденсатора в вакууме.

3. Электрическая прочность
Любой диэлектрик может быть использован при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определённых условиях. При напряжении выше этих предельных значений наступает явление пробоя диэлектрика – то есть полная потеря им изоляционных свойств с образованием канала высокой проводимости, приводящего к короткому замыканию электродов. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжениемU_пр. Напряжённость электрического поля, при которой произошёл пробой, называется электрической прочностью Е_пр =U_пр / h, В/м, где h – расстояние между плоскими электродами (эта формула справедлива для равномерного поля). То есть электрическая прочность диэлектрика Е_пр – это напряжённость электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой.
На твёрдых образцах вместо пробоя – КЗ через толщу диэлектрика – может наблюдаться явление поверхностного разрядаили перекрытия, когда КЗ происходит за счёт пробоя окружающей среды – воздуха, трансформаторного масла – по поверхности диэлектрика. Напряжение перекрытия является параметром данной электроизоляционной конструкции, но зависит также от материала диэлектрика.

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10 8 см −3 . Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Содержание

Физические свойства

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ −5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 10 8 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10 −8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10 16 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10 −5 —10 8 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 10-20 МОм·см.

Параметры

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

Примеры

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.

Использование

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства диэлектриков

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активные свойства диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Проводники и диэлектрики — физические вещества, имеющие различную степень электропроводимости и по-разному реагирующие на воздействие электрического поля. Противоположные свойства материалов широко используются во всех сферах электротехники.

Что такое проводники и диэлектрики

Проводники — вещества, со свободными электрическими зарядами, способными направленно перемещаться под воздействием внешнего электрического поля. Такими особенностями обладают:

металлы и их расплавы;
природный углерод (каменный уголь, графит);
электролиты — растворы солей, кислот и щелочей;
ионизированный газ (плазма).

Главное свойство материалов : свободные заряды — электроны у твёрдых проводников и ионы у растворов и расплавов, перемещаясь по всему объёму проводника проводят электрический ток. Под воздействием приложенного к проводнику электрического напряжения создаётся ток проводимости. Удельное сопротивление и электропроводимость — основные показатели материала.

Свойства диэлектрических материалов противоположны проводникам электричества. Диэлектрики (изоляторы) — состоят из нейтральных атомов и молекул. Они не имеют способности к перемещению заряженных частиц под воздействием электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле накапливают на поверхности нескомпенсированные заряды. Они образуют электрическое поле, направленное внутрь изолятора, происходит поляризация диэлектрика.

В результате поляризации, заряды на поверхности диэлектрика стремятся уменьшить электрическое поле. Это свойство электроизоляционных материалов называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Характеристики и физические свойства материалов

Параметры проводников определяют область их применения. Основные физические характеристики:

удельное электрическое сопротивление — характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока;
температурный коэффициент сопротивления — величина, характеризующая изменение показателя в зависимости от температуры;
теплопроводность — количество тепла, проходящее в единицу времени через слой материала;
контактная разность потенциалов — происходит при соприкосновении двух разнородных металлов, применяется в термопарах для измерения температуры;
временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении — зависит от вида металла.

При охлаждении до критических температур удельное сопротивление проводника стремится к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью.

Свойства, характеризующие проводник:

электрические — сопротивление и электропроводимость;
химические — взаимодействие с окружающей средой, антикоррозийность, способность соединения при помощи сварки или пайки;
физические — плотность, температура плавления.

Особенность диэлектриков — противостоять воздействию электротока. Физические свойства электроизоляционных материалов:

диэлектрическая проницаемость — способность изоляторов поляризоваться в электрическом поле;
удельное объёмное сопротивление;
электрическая прочность;
тангенс угла диэлектрических потерь.

Изоляционные материалы характеризуются по следующим параметрам:

электрические — величина пробивного напряжения, электрическая прочность;
физические — термостойкость;
химические — растворимость в агрессивных средствах, влагостойкость.

Виды и классификация диэлектрических материалов

Изоляторы подразделяются на группы по нескольким критериям.

Классификация по агрегатному состоянию вещества:

твёрдые — стекло, керамика, асбест;
жидкие — растительные и синтетические масла, парафин, сжиженный газ, синтетические диэлектрики (кремний- и фторорганические соединения хладон, фреон);
газообразные — воздух, азот, водород.

Диэлектрики могут иметь природное или искусственное происхождение, иметь органическую или синтетическую природу.

К органическим природным изоляционным материалам относят растительные масла, целлюлоза, каучук. Они отличаются низкой термо и влагостойкостью, быстрым старением. Синтетические органические материалы — различные виды пластика.

К неорганическим диэлектрикам естественного происхождения относятся: слюда, асбест, мусковит, флогопит. Вещества устойчивы к химическому воздействию, выдерживают высокие температуры. Искусственные неорганические диэлектрические материалы — стекло, фарфор, керамика.

Почему диэлектрики не проводят электрический ток

Низкая проводимость обусловлена строением молекул диэлектрика. Частицы вещества тесно связаны друг с другом, не могут покинуть пределы атома и перемещаться по всему объёму материала. Под воздействием электрического поля частицы атома способны слегка расшатываться — поляризоваться.

В зависимости от механизма поляризации, диэлектрические материалы подразделяются на:

неполярные — вещества в различном агрегатном состоянии с электронной поляризацией (инертные газы, водород, полистирол, бензол);
полярные — обладают дипольно-релаксационной и электронной поляризацией (различные смолы, целлюлоза, вода);
ионные — твёрдые диэлектрики неорганического происхождения (стекло, керамика).

Диэлектрические свойства вещества непостоянны. Под воздействием высокой температуры или повышенной влажности электроны отрываются от ядра и приобретают свойства свободных электрических зарядов. Изоляционные качества диэлектрика в этом случае понижаются.

Надёжный диэлектрик — материал с малым током утечки, не превышающим критическую величину и не нарушающим работу системы.

Где применяются диэлектрики и проводники

Материалы применяются во всех сферах деятельности человека, где используется электрический ток: в промышленности, сельском хозяйстве, приборостроении, электрических сетях и бытовых электроприборах.

Выбор проводника обусловлен его техническими характеристиками. Наименьшим удельным сопротивлением обладают изделия из серебра, золота, платины. Использование их ограничено космическими и военными целями из-за высокой себестоимости. Медь и алюминий проводят ток несколько хуже, но сравнительная дешевизна привела к их повсеместному применению в качестве проводов и кабельной продукции.

Чистые металлы без примесей лучше проводят ток, но в ряде случаев требуется использовать проводники с высоким удельным сопротивлением — для производства реостатов, электрических печей, электронагревательных приборов. Для этих целей используются сплавы никеля, меди, марганца (манганин, константан). Электропроводность вольфрама и молибдена в 3 раза ниже, чем у меди, но их свойства широко используются в производстве электроламп и радиоприборов.

Твёрдые диэлектрики — материалы, обеспечивающие безопасность и бесперебойную работу токопроводящих элементов. Они используются в качестве электроизоляционного материала, не допуская утечки тока, изолируют проводники между собой, от корпуса прибора, от земли. Примером такого изделия являются диэлектрические перчатки, про которые написано в нашей статье.

Жидкие диэлектрики используют в конденсаторах, силовых кабелях , циркулирующих системах охлаждения турбогенераторов и высоковольтных масляных выключателей. Материалы применяют в качестве заливки и пропитки.

Газообразные изоляционные материалы. Воздух — естественный изолятор, одновременно обеспечивающий отвод тепла. Азот применяется в местах, где недопустимы окислительные процессы. Водород применяется в мощных генераторах с высокой теплоёмкостью.

Слаженная работа проводников и диэлектриков обеспечивает безопасную и стабильную работу оборудования и сетей электроснабжения. Выбор конкретного элемента для поставленной задачи зависит от физических свойств и технических параметров вещества.

Читайте также: