Очень многие школьники и студенты не любят физику из-за большого количества заумных слов и странных формул. Одной из таких загадочный тем становятся диэлектрика. Что это, где она применяется и зачем вообще нужна? Дети никак не могут понять, а учителя нормально не объясняют важную информацию. Именно поэтому сегодня я, учитель физики, хочу помочь студентам и школьникам в изучении диэлектрики.
Диэлектрики или изоляторы – это вещества, которые немного или вообще не проводят ток. К ним можно отнести все неприводимое: воздух, газы, древесину, стекло, пластмассу и многое другое. Они применяются во многих технологиях и машинах, позволяют ограничить распространение тока.
Возьмем, например, пластик. Если мы поместим небольшой кусок в электризованную среду, то заметим необычное явление: он начнет притягиваться к положительным или отрицательным зарядам. Но как только мы выключим поле, все прекратится. Пластик перестанет притягиваться и останется на месте.
Собственно, этот эксперимент и показывает, что изоляторы не могут переводить ток, а являются для него некой преградой, которая мешает ему, распространится дальше. И если даже электричество проходит, то в минимальных, безвредных количествах.
Иногда происходит очень сильная путаница со свойствами диэлектриков. Многие дают им бесполезные и невозможные функции, которые никогда не встречались у этих материалов, или, наоборот, – убирают. Сейчас я кратко и быстро расскажу вам о всех свойствах диэлектриков.
Электрические диэлектрики. Какие они?
Как нас учили в школе, некоторые вещества плохо проводят электрический ток, а некоторые хорошо. Например, дерево очень плохо проводит, а вот алюминий проводит в разы лучше. Так вот, если вспомнить терминологию, то вещества, проводящие электричество хорошо, называются проводниками, а те, что его проводят плохо, называются… Ну как же их? Ах да, они называются электрическими диэлектриками.
Конечно мы не говорим о том, что они совсем ток не проводят, нет. Они, конечно же являются проводниками, просто сравнительно довольно плохими. Диэлектрики с другой стороны еще и вещества, которые могут довольно долго хранить в себе электрическое поле, причем на это не нужна будет внешняя энергия.
Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов
Класс нагревостойкости диэлектриков указывается буквой латинского алфавита. Перечислим основные из них:
- Y – максимальная температура 90 град. Цельсия. К данной категории относятся различные волокнистые изделия из хлопка, натуральных тканей и целлюлоза. Они не пропитываются и не дополняются жидкими электроизоляторами.
- A – 105 град. Цельсия. Все материалы, перечисленные выше, и синтетический шелк, пропитываемые жидкими диэлектриками (погружаемые в них).
- E – 120 град. Цельсия. Синтетические изделия, включая волокна, пленки и компаунды.
- B – 130 град. Цельсия. Слюдинитовые диэлектрики, асбест и стекловолокно вкупе с органическим связующим и пропиткой.
- F – 155 град. Цельсия. Слюдинитовые материалы, в качестве связующего звена которых выступают синтетические компоненты.
- H – 180 град. Цельсия. Слюдинитовые диэлектрики с кремнийорганическими соединениями, выступающими в качестве связующего.
- C – более 180 град. Цельсия. Все перечисленные выше изделия, в которых не используется связующее или применяются неорганические адгезивы.
Выбор электроизоляционных материалов зависит не только от мощностей оборудования, но и от условий его эксплуатации. Например, для высоковольтных линий электропередач должны использоваться диэлектрики с повышенной морозостойкостью и защитой от воздействия ультрафиолетовых лучей.
Таким образом, информация выше может использоваться только в качестве ознакомительных целей, а окончательное решение должен принимать профессиональный, квалифицированный специалист.
Что будет, если воздействовать извне?
Если приложить к электрическому диэлектрику внешнее электрическое поле, то свободные заряды диэлектрика начнут постепенно нейтрализовывать его. Причем, это будет происходить до тех пор, пока не закончатся электроны или результирующее поле не станет равным нулю.
Чтобы понять то какие вещества вообще могут взаимодействовать с электрическими полями, нам нужно разобраться в таком термине, как электропроводность. Если говорить простым языком, то для взаимодействия с электрическим полем у вещества должна быть довольно низкая электропроводность.
Если мы будем говорить точнее, то удельное сопротивление должно быть сравнимо с 1010 Q-см или даже сильно превосходило это значение.
А откуда берется низкая электропроводность?
Как мы знаем из базовой программы по физике, все вещества состоят из атомов. И эти атомы очень активно взаимодействуют друг с другом. У каждого из них есть свой заряд, и благодаря зарядам атомы так или иначе взаимодействуют.
Однако, как же создается такая низкая электропроводность? Вроде же есть атомы, они как-то там взаимодействуют и ток по ним мог бы идти, но не все так просто. Залогом того, чтобы проводимость вещества была низкой, выступает очень важный факт.
Если при наложении поля электроны, ионы и другие частицы не смогут свободно перемещаться или будут это делать очень плохо, то и электропроводность будет низкая, ведь все будет стоять на своих местах и свободным электронам будет просто некуда деться.
Кристаллическая решетка поможет разобраться
Сейчас в познании электрических диэлектриков нам поможет разобраться кристаллическая решетка. Для того, чтобы термины не казались нам непонятными, давайте их освежим в своей голове. Кристаллическая решетка — это группа таких точек, которые образуются в веществах (а точнее в кристаллах) под воздействием сдвигов (они, кстати, могут происходить из-за воздействия электрического поля. Отлично, вспомнили. Давайте теперь разбираться.
Как мы помним, в атоме, который в данный момент изолирован, энергия электронов не может принимать какие угодно значения. В таком состоянии энергия будет принимать четко обозначенные значение W1, W2, W3 и т.д. Вот, взгляните на график:
Конечно же, каждый из этих уровней будет немного смещен после того, как атомы войдут в состав твердой кристаллической решетки. В итоге зона, в которой будет концентрировать вся энергия будет общей для всей решетки.
Итак, в кристаллической решетке энергия электронов лежит в пределах четко определенных зон и все значения, которые находятся вне этой зоны, запрещены. Это мы поняли. Двигаемся дальше. По принципу Паули каждая зона может вместить в себя ограниченное количество электронов. Сначала электроны будут заполнять нижние уровни, а когда эти ряды заполняться полностью, они будут заполнять верхние ряды.
И вот теперь ключевая мысль, которую нужно понять, чтобы разобраться в том, почему те или иные вещества проводят электрический ток. Раз электроны постепенно заполняют ряды от нижнего к верхнему, то на самом верхнем ряду они либо заполнят этот ряд полностью, либо только частично.
Так вот, при частичном заполнении ряда электроны смогут свободно по нему перемещаться, а значит и будут проводить ток. Бинго! А вот в случае, если электроны все-таки заполнят верхний уровень, то при воздействии электрического поля никаких сдвигов не произойдет и, соответственно, такое вещество можно назвать диэлектриком.
Очень похожая ситуация происходит и с аморфными твердыми телами (ну например янтарь или полиэтилен). По определению, у таких веществ расположение атомов очень случайно, а зоны, общие для всего кристалла просто не могут существовать, а значит они тоже электрические диэлектрики.
Слюда
Минерал кристаллического строения. Благодаря своему строению слюда легко расщепляется на отдельные листочки. Она обладает высокой электрической прочностью (80 – 200 кВ/мм), высокой нагревостойкостью, влагостойкостью, механической прочностью и гибкостью. В электротехнике применяют два вида слюды: мусковит и флогопит, различающиеся по составу, цвету и свойствам. Лучшей слюдой является мусковит. Из листочков слюды штампуют прямоугольные пластинки для конденсаторов, шайбы для электротехнических приборов и тому подобное. Однако чаще отдельные листочки слюды при помощи клеящих лаков (глифталевого, битумно-масляного, шеллачного и других) склеивают между собой. Такой материал называется миканитом. Различают миканиты: коллекторный (для изоляции коллекторных пластин), прокладочный (для изоляции шайб, прокладок), формовочный (прессуется при нагреве для изготовления фасонных деталей), гибкий (для межвитковой и пазовой изоляции электрических машин), жароупорный (для электронагревательных приборов). Иногда пластинки слюды наклеивают на бумагу или ткани (микалента, микафолий, стекломикафолий).
Ионы
Точно, кроме электронов же еще есть ионы, и они тоже могут повлиять на конечную ситуацию. Их тепловое движение состоит в том, что они колеблются где-то около положения равновесия. Однако интересно то, что некоторые из них все же способны вырваться и преодолеть то, что их сдерживает.
Такие ионы можно условно называть свободными. Они перемещаются в места, где потенциальная энергия их будет очень мала. Если мы говорим об электрических диэлектриках (а мы все еще о них говорим), то такие места в плотной кристаллической решетке для них — это узлы.
Так вот, согласно теории Вальтера Шоттки, такое может происходить только тогда, когда некоторое количество узлов в решетке уже занято ионами. В физике часто называют такие узлы “дырками”. Тогда тепловое движение будет сводиться к беспорядочному перескакиванию ионов с одного узла на другой.
Диэлектрик раз и навсегда?
Когда мы называем то или иное вещество диэлектриком, мы должны понимать, что это название довольно-таки условное, ведь при определенном воздействии на вещество оно уже может потерять свойства диэлектрика. Почему так происходит?
Дело в том, что электрический ток воздействует на вещество лишь очень короткий отрезок времени, из-за чего поле в нем тоже возникает ненадолго. Поэтому, даже вещества с очень низким удельным сопротивлением можно тоже считать диэлектриком при определенных условиях.
Хорошим примером будет дистиллированная вода. А вот если напряжение будет очень долго воздействовать на вещество, то его уже можно смело называть проводником. Вот такая магия.
Конденсаторы.
Диэлектрики находят широкое применение в конденсаторах. Конденсаторы имеют многообразные применения, среди которых накопление электрического заряда, нейтрализация эффектов индуктивности в цепях переменного тока и получение импульсов тока для различных приложений. Емкость конденсатора часто может быть рассчитана исходя из конфигурации системы или измерена путем определения величины заряда на одной из обкладок конденсатора при приложении заданного напряжения между обкладками. Энергия заряженного конденсатора равна 1/2 CE2 и выражается в микроджоулях (мкДж), если С выражено в микрофарадах (мкФ), а Е – в вольтах (В).
Аморфные диэлектрики. Какие они?
Чем особенны аморфные диэлектрики? Главное, что отличает их от других — это довольно рыхлая структура, а значит очень много пустот внутри и большое пространство, где ионы могут находится в состоянии равновесия. При этом, при переходе от одного равновесного состояния до другого энергия, расходуемая ионом будет всегда разной. В некоторых переходах ион не будет полностью высвобождаться от сдерживающих его сил, поэтому можно его условно охарактеризовать как наполовину связанный этими силами.
Такие переходы будут тратить очень небольшое количество энергии, и перемещаться ион при таких переходах сможет лишь на очень небольшое расстояние. В результате теплового перемещения такие переходы внутри аморфных тел будут встречаться гораздо чаще, ведь они требуют гораздо меньше энергии, чем другие.
Однако, небольшое количество ионов, которые содержат в себе большие запасы энергии, смогут таки преодолевать связывающие их силы и будут перемещаться на сравнительно большие расстояния.
Если провести аналогию с кристаллической решеткой, то как раз эти ионы и можно назвать свободными. Как мы с вами теперь выяснили, в целом такая обстановка при движении ионов в аморфных телах идентична твердым, но с небольшими оговорками.
Помещаем в постоянное поле
Теперь давайте немного отойдем от того, какие вещества могут быть диэлектриками и какие не могут ими быть, тем более что мы уже достаточно хорошо разобрались в этом вопросе.
Давайте попробуем сейчас ответить на такой интересный вопрос: что же будет, если диэлектрик поместить в постоянное электрическое поле? Сначала давайте дадим краткий ответ, а потом уже разберемся в этом вопросе более подробно. Так вот, если поместить диэлектрик в электрическое поле, то заряды диэлектрика, из которых он состоит будут под воздействием некоторых сил, которые будут:
- смещать связанные заряды (это только электроны и ионы)
- накладывать на беспорядочное движение тепла поля, которое будет это движение упорядочивать (положительные заряды будут идти в одну сторону с полем, а отрицательные — в обратную)
Что будет давать упорядоченное перемещение
При упорядочивании зарядов диэлектрика есть целых два варианта развития событий:
- новое равновесное состояние с другим распределением зарядов, причем движение сразу прекращается при достижении равновесия
- пока поле будет действовать, упорядочивание может длится, пока в нем еще останутся свободные электроны или свободные ионы, о которых мы поговорили выше
Поговорим о поляризации
Следующий важный термин, о котором пришло время узнать — это поляризация диэлектриков. Дело в том, что процессы смещения зарядов диэлектрика протекают с разной скоростью. Как мы уже сказали ранее, для связанных зарядов время смещения гораздо меньше, а вот другие процессы протекают очень медленно.
При смещении зарядов диэлектрика образуется еще одно поле. Оно как раз и делает главное (внешнее) поле слабее. Как раз явление образования нового поля и называется поляризацией диэлектрика. Теперь давайте углубимся в этот процесс, ведь тут очень много интересных подробностей.
Для начала давайте поймем, почему новое поле появляется именно при смещении. Тут как раз все просто, ведь теперь из беспорядочного состояния диэлектрик становится более упорядоченным — отрицательные заряды теперь расположены левее своих положительных зарядов. Как раз это и создает новое поле.
Проницаемость диэлектрика
А как же измерить, насколько внутреннее поле ослабевает внешнее? Что-ж, здесь все очень просто. Такая мера называется электрическая проницаемость или проницаемость диэлектрика (наверняка вы уже слышали такой термин). Обычно говорят, что проницаемость диэлектрика это постоянная, но на самом деле в связи с тем, что поляризация протекает довольно долго, будем говорить, что эта величина зависит от времени действия внешнего поля.
Как на проницаемость диэлектрика влияет температура?
Но только ли время влияет на электрическую проницаемость. Выясняется, что не только. Оказывается, если увеличить температура, то вместе с этим еще и увеличивается интенсивность теплового движения, а это, как вы понимаете, напрямую влияет на проницаемость диэлектрика. Почему? Все просто: переход в устойчивое состояние становится более сложным, а поэтому диэлектрическая проницаемость с увеличением температуры становится все меньше.
Каучук
Каучук (резина) получается из сока растений каучуконосов. Такой каучук называют натуральным (НК). Каучук можно получить также искусственным путем. Искусственный или синтетический каучуке (СК) изготовляют из спирта или нефтепродуктов. Нагретый до 50 °С каучук размягчается и становится липким, а при низкой температуре – хрупким. Каучук хорошо растворяется в углеводородах и сероуглероде. Для увеличения механической прочности, нагревостойкости и морозоустойчивости, стойкости к растворителям к каучуку добавляют 3 – 10 % серы. Этот процесс называется вулканизацией, в результате чего получается резина. В электротехнике резину применяют для изоляции установочных и монтажных проводов и кабелей некоторых конструкций, для изолирующих трубок, защитных перчаток, галош, ковриков и тому подобного. Резина обладает высокими электроизоляционными свойствами, влагостойкостью, непроницаемостью для воды и газов, имеет невысокую нагревостойкость (при нагреве свыше 60 – 75 °С резина делается хрупкой и трескается), при действии на резину нефтяных масел она набухает, при действии света – стареет. Электрическая прочность резины 24 кВ/мм; ε = 2,5 – 3.
Пробой диэлектрика
Помните мы в данной статье уже говорили о том, что у каждого диэлектрика есть свой предел и что нельзя однозначно называть вещество диэлектриком и нужно рассматривать его в динамике. Так вот, давайте вернемся к этой теме и немного углубимся в нее. Знаете ли вы, что происходит при поляризации?
Дело в том, что при этом явлении начинается такое состояние, называемое стационарным или же квазистанционырным, если воздействие напряжения извне переменное. Такое состояние отличается от обычного тем, что значения поляризации могут очень долго держаться на одном уровне. Вместе с ними стабилизируется и электропроводность.
Если сразу же начать увеличивать напряженность в таком поле, то можно будет очень точно определить тот предел, при котором эта самая стабильность будет резко нарушаться. Сразу же увеличиться ток, электропроводность, а это уже прямой путь из диэлектрика в проводники. Действительно, после этого вещество уже нельзя охарактеризовать, как диэлектрик. Такой процесс перехода диэлектрика в проводники называется пробоем диэлектрика.
Когда мы поняли, что такое пробой, давайте теперь поймем, как можно легко определить, в какой момент пробой диэлектрика происходит. Как мы можем понять, временной порог пробоя может зависеть от температуры, агрегатного состояния вещества и многих других факторов, тут важно другое. Давайте разберем основные случаи пробоя, их всего лишь два, поэтому не пугайтесь:
- тепловые явления, при которых возрастающая электропроводность обуславливается тем, что диэлектрик очень быстро нагревается, из-за чего стационарным тепловое состояние уже быть не может
- электрические явления, которые происходят из-за увеличения количества свободных электронов и ионов. Это тоже происходит в двух случаях. Либо появление свободных зарядов обусловлено сбитием их другими движущимися зарядами, либо сбитием полем.
Стекло
Получают переплавкой кремнезема – SiO2 (в виде песка) с окислами различных металлов – натрия, калия, свинца, кальция (в виде соды, селитры, буры, различных каменных пород). Стекло – аморфное тело, поэтому оно не имеет определенной температуры плавления. При нагреве стекло размягчается и становится жидким. В этом состоянии стекло можно выдувать, вытягивать, прессовать, отливать. Физические и механические свойства стекла зависят от его состава и обработки. Если обычное стекло хрупкое, то особо закаленное стекло – сталинит обладает высокой прочностью на удар. Стекло практически водонепроницаемо, на него не действуют кислоты (за исключением плавиковой) и щелочи. Однако, стекла, содержащие только щелочные окислы (Na2O, K2O), хорошо растворяются в воде (жидкое стекло). Электроизоляционные свойства стекла очень высоки. С нагревом стекло быстро теряет изоляционные качества. В электротехнике стекло используют для изготовления баллонов осветительных и электронных ламп, изоляторов и тому подобного. Из стекла можно получить волокна диаметром до 0,005 – 0,006 мм. Отдельные волокна свиваются в нити. Стеклянные нити (стеклопряжа) используют для нагревостойкой изоляции проводников марки ПСД. Электрическая прочность стекла 10 – 40 кВ/мм; ε = 5,5 – 10.
Поле в диэлектрике
Как мы уже поняли, поле в диэлектрике направлено ровно против внешнего электрического поля. Но этих знаний нам не хватит, чтобы хорошо разбираться в диэлектриках.
Поэтому давайте немного углубимся в эту тему. Напомним, что поляризация диэлектрика — это когда заряды перенаправляются так, что минусы смотря в одну сторону, а плюсы — в другую. Так вот, давайте же разберемся в видах поляризации.
Деформационная (или же электронная)
Этот вид поляризации интересует нас больше всего. Стоит отметить, что такая поляризация характерна для веществ, состоящих из неполярных молекул, то есть у которых нет дипольных моментов. Что происходит? Все просто — главное, что нужно понять, это то, что смещаются электронные оболочки. При этом, положительно заряженные атомные ядра смещаются по направлению к внешнему полю, а отрицательно заряженные электронные оболочки — против поля.
Дипольная (или же ориентационная)
Это один из наиболее распространенных видов поляризации. Однако здесь все с точностью до наоборот. Здесь уже меняют ориентацию диполи. Здесь все еще просто — когда поле снаружи не воздействует на вещество, порядок у диполей абсолютно хаотичен, но когда внешнее поле начинает воздействовать на вещество, то абсолютно все диполи разворачиваются положительной стороной к полю, которое на него воздействует. Как мы уже разбирались выше, стабильность положения диполей определяется напряженностью поля и температурой вещества.
Ионная
Да, этот вид поляризации мы тоже не забыли. Здесь речь идет о смещении положительной решетки ионов. Они расположатся вдоль поля, а отрицательные — против.
Так почему же в самом начале мы сказали, что нас больше всего будет интересовать именно первый вид поляризации, если мы будет рассматривать положительные заряды? Все просто. Положительные заряды играют какую-то роль только при таком воздействии внешнего поля на вещество. Поэтому можете считать, что вы уже знаете о них все, что нужно.
Низковольтные конденсаторы.
Для слаботочных и низковольтных приложений, таких, как радио- и телефонные сети и низковольтные выпрямители, конденсаторы изготавливаются обычно из слоев алюминиевой или другой металлической фольги, разделенных диэлектриком из одного или нескольких слоев пропарафиненной бумаги. Очень компактный низковольтный конденсатор – т.н. электролитический – изготавливается нанесением (посредством электролитического осаждения) тонкой изолирующей оксидной пленки на поверхность металлической фольги; при этом достигается достаточно высокая емкость на единицу площади поверхности конденсатора. Полученный материал наматывается в виде обмотки компактных размеров.
Плоский диэлектрик
Почему-то многие иногда называют диэлектрик внутри плоского конденсатора. Быть может, так его называть просто удобнее. На самом деле, плоский конденсатор — это очень интересное устройство, поэтому поговорим о нем и о его диэлектрике (плоском диэлектрике раз уж на то пошло).
Раз уж мы говорим о конденсаторе, то давайте сразу же научимся определять его емкость (или же емкость диэлектрика). Для этого воспользуемся этой прекрасной формулой:
Давайте поймем, что здесь означает каждая из букв. S — это, очевидно, площадь обкладок данного плоского конденсатора. Буква d обозначает расстояние между обкладками, а остальные две переменные — это диэлектрическая проницаемость диэлектрика (плоского диэлектрика) и электрическая постоянная (если кто-то из вас подзабыл, 8,854 пФ/м)
Странно, но сейчас плоские конденсаторы встречаются очень редко. Возможно, это связано с пленочными технологии, которые настолько микроскопически, что делать их довольно сложно и дорого.
Почему плоский с конденсатор с диэлектриком не могут друг без друга?
Ответ на этот вопрос не так уж сложен. Все дело в том, что от диэлектрика зависит самый важный и основной элемент в плоском конденсаторе — его емкость. Давайте поговорим о том, как это работает. Как мы знаем, аморфное вещество состоит из диполей, которые, в свою очередь, укреплены на своих местах и хаотично ориентированы.
Когда поле извне воздействует на это самое аморфное вещество, диполи разворачиваются вдоль силовых линий это внешнего поля. При этом, поле ослабевает, а заряд постепенно накапливается, пока поле не перестанет действовать. И так длится цикл за циклом. Именно поэтому плоский конденсатор с диэлектриком можно рассматривать только вместе.
Как не путать проводники и диэлектрики
До этого мы с вами очень подробно рассмотрели диэлектрики, узнали, как они работают, как устроены внутри. Теперь же давайте узнаем, как они используются в реальной жизни и как не спутать их с проводниками.
Где применяются диэлектрики
Диэлектрики применяются во многих сферах жизни, а именно в тех, где нужен электрический ток.
Особенно активно их используют в сельском хозяйстве, промышленности и приборостроении.
Твердые диэлектрики
Диэлектрики бывают разные. Например, твердые диэлектрики могут обеспечивать безопасность приборов, работающий на электричестве. Они являются хорошими изоляторами тока, а значит очень сильно влияют на долговечность этих приборов. Одним из примеров можно назвать диэлектрические перчатки.
Жидкие диэлектрики
А вот диэлектрики жидкие нужны немного для другого. Они то используются в конденсаторах, кабелях, системах охлаждения с циркуляцией воздуха и во многих других приборах.
Параметры изоляции
К числу основных относятся:
- электропрочность;
- удельное электрическое сопротивление;
- относительная проницаемость;
- угол диэлектрических потерь.
Оценивая качество и эффективность диэлектриков, и сравнивая их свойства, нужно выявить зависимость перечисленных параметров от значений тока и напряжения. По сравнению с проводниками электроизоляционные компоненты имеют повышенную электрическую прочность. Учитывая сказанное выше, не менее важным является то, насколько хорошо изоляторы сохраняют свои полезные свойства и удельные величины при нагревании, увеличении напряжения и других воздействиях.
