Область применения и общие характеристики газообразных диэлектриков.

Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона — это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” — запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) — то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

В данной статье речь далее пойдет только о диэлектриках. И раз уж мы чуть углубились в науку, то поговорим далее о свойствах и величинах, которые характеризуют эти электротехнические материалы в общем.

Диэлектрики

Публикации по материалам Д. Джанколи. «Физика в двух томах» 1984 г. Том 2.

В большинстве конденсаторов между пластинами проложен изолирующий материал (диэлектрик), например, бумага или пластмассовая пленка. Этим достигается сразу несколько целей. Во-первых, диэлектрики лучше противостоят электрическому пробою, чем воздух, и к конденсатору можно приложить более высокое напряжение без утечки заряда через зазор между обкладками. Во-вторых, при наличии прокладки из диэлектрика пластины можно расположить ближе друг к другу без опасения, что они могут соприкасаться. Наконец, экспериментально обнаружено, что при заполнении пространства между пластинами диэлектриком его емкость увеличивается в К

раз, т.е.

С = КС0

, (25.7)

где С0

— емкость, отвечающая вакууму между обкладками, а
С
— емкость в случае, когда пространство между пластинами заполнено диэлектриком. Множитель
К
называют относительной диэлектрической проницаемостью; значения
К
для ряда диэлектриков приведены в табл. 25.1. Обратите внимание на то, что для воздуха при давлении 1 атм
К
= 1,0006, и поэтому емкость конденсатора с воздушным зазором очень мало отличается от емкости этого конденсатора в вакууме.

Для плоского конденсатора:

С = К?0 A/d

— [плоский конденсатор] (25.8),

когда пространство между пластинами целиком заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью К

. Величина
К?0
так часто встречается в формулах, что нередко вводят величину

? = К?0

, (25.9)

которую называют абсолютной диэлектрической проницаемостью. Тогда емкость плоского конденсатора принимает вид

C = ?A/d

Напомним, что ?0

— это электрическая постоянная. Плотность энергии, запасенной электрическим полем
Е
Влияние диэлектрика на емкость впервые всесторонне исследовал Фарадей. Он обнаружил, что, когда пространство между пластинами конденсатора заполнено диэлектриком, на пластинах при том же напряжении накапливается несколько больший заряд, нежели когда между пластинами воздух. Иначе говоря, если заряд на каждой пластине конденсатора с воздушным промежутком равен Q0

, то после введения диэлектрика и подключения конденсатора к батарее с прежним напряжением
V0
заряд каждой из пластин увеличится до

Q = KQ0

[при постоянном напряжении] .

Это соответствует формуле (25.7), поскольку после введения диэлектрика емкость равна

C = Q/V0 = KQ0/V0 = KC0

где С0 = Q0/V0

— емкость в отсутствие диэлектрика.

Рассмотрим теперь несколько иной случай (выше мы, вводя диэлектрик, поддерживали напряжение постоянным). Пусть пластины конденсатора, подключенного к батарее с напряжением V0

, приобретают заряд

Q0 = CV0

.

Прежде чем ввести диэлектрик, отключим конденсатор от батареи. После введения диэлектрика (который заполняет все пространство между пластинами) заряд Q0

на каждой из пластин не изменится. В этом случае мы обнаружим, что разность потенциалов между пластинами уменьшится в
К
раз:

V = V0/K

Емкость же вновь будет равна

Оба этих результата согласуются с выражением (25.7).

Электрическое поле внутри диэлектрика также изменяется. При отсутствии диэлектрика между пластинами напряженность электрического поля между обкладками плоского конденсатора определяется формулой (24.3):

Е0 = V0/d

,

где V0

— разность потенциалов между пластинами, a
d
— расстояние между ними. Если конденсатор изолирован, так что заряд на пластинах после введения диэлектрика не изменяется, то разность потенциалов упадет до значения
V = V0/K
. Напряженность электрического поля в диэлектрике теперь будет равна

E = V/d = V0/Kd

или
Е = E0/К
[в диэлектрике]. (25.10)

Таким образом, напряженность электрического поля внутри диэлектрика также ослабляется в К

раз. Электрическое поле внутри диэлектрика (изолятора) ослабляется, но, не до нуля, как в случае проводника.

Происходящее в диэлектрике можно объяснить с молекулярной точки зрения. Рассмотрим конденсатор, обкладки которого разделены воздушным «промежутком. На одной обкладке имеется заряд +Q

, на другой заряд
-Q
(рис. 25.7, а).

Конденсатор изолирован (не подключен к батарее). Разность потенциалов между пластинами V0 определяется выражением (25.1): Q = C0V0. (Индекс 0 соответствует воздуху между пластинами.) Введем теперь между пластинами диэлектрик (рис. 25.7, b). Молекулы диэлектрика могут быть полярными — иначе говоря, они могут обладать постоянным дипольным моментом, будучи нейтральными. В электрическом поле возникнет вращательный момент, который будет стремиться развернуть диполи параллельно полю (рис. 25.7, b); тепловое движение препятствует идеальной ориентации всех молекул, однако, чем сильнее поле, тем выше будет степень выстроенности молекул. Даже если молекулы не полярны, в электрическом поле между обкладками у них произойдет разделение заряда, и молекулы приобретут индуцированный (наведенный) дипольный момент: электроны, не отрываясь от молекулы, сместятся в сторону положительной обкладки. Поэтому картина всегда будет такой, как показано на рис. 25.7, b. В конечном итоге все выглядит так, как если бы на обращенной к положительной обкладке внешней стороне диэлектрика имелся результирующий отрицательный заряд, а на противоположной — положительный (рис. 25.7, c). Из-за появления на диэлектрике этого индуцированного заряда часть электрических силовых линий не пройдет сквозь диэлектрик, а будет заканчиваться (или начинаться) на зарядах, наведенных на его поверхности. Соответственно напряженность электрического поля внутри диэлектрика окажется меньше, чем в воздухе.

Можно представить себе эту картину и по-иному (рис. 25.7, d). Напряженность электрического поля внутри диэлектрика представляет собой векторную сумму напряженности поля Е0

, создаваемого «свободными» зарядами на обкладках, и напряженности поля
Еинд
, создаваемого зарядами, индуцированными в диэлектрике; поскольку эти поля направлены в противоположные стороны, результирующая напряженность электрического поля внутри диэлектрика
Е0 — Еинд
будет меньше
Е0
. Точное соотношение дается формулой (25.10):

Из соображений симметрии ясно, что, если размеры пластин велики по сравнению с расстоянием между ними, заряд, индуцированный на поверхности диэлектрика, не зависит от того, заполняет ли диэлектрик все пространство между пластинами или нет, если только его поверхности параллельны обкладкам. Формула (25.10) справедлива и в этом случае, хотя равенство V = V0/K

уже не верно (почему?). Электрическое поле между двумя параллельными пластинами связано с поверхностной плотностью заряда
?
выражением

Е = ?/е0

(разд. 23.3).

Таким образом, где ? = Q/A

— поверхностная плотность заряда на обкладке, а
Q
— полный заряд проводника, называемый часто свободным зарядом (поскольку в проводнике заряды могут свободно перемещаться). Аналогично мы определим поверхностную плотность индуцированного заряда
?инд
Еинд = ?инд/?0

где Eинд

— напряженность электрического поля, создаваемого индуцированным зарядом
Qинд = ?индA
на поверхности диэлектрика (рис. 25.7, г);
Qинд
называют обычно связанным зарядом (так как в диэлектрике (изоляторе) заряды не могут свободно перемещаться). Поскольку, как показано выше,
Еинд = Е0(
1 — 1
/К)
, получаем

Так как К

больше 1, индуцированный на диэлектрике заряд всегда меньше заряда на обкладках конденсатора.

Продолжение следует. Коротко о следующей публикации:

Теорема Гаусса для диэлектриков

.

Альтернативные статьи: Электрически ток, Закон Ома.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Виды и типы диэлектриков

Классификация диэлектриков довольна обширная. Тут встречаются жидкие, твердые и газообразные вещества. Далее они делятся по определенным признакам. Ниже приведена условная классификация диэлектриков с примерами в форме списка.

• газообразные
• — полярные
• — неполярные (воздух, элегаз)

• — полярные (вода, аммиак)
• — жидкие кристаллы

• — центросимментричные
• — аморфные
• — смолы, битумы (эпоксидная смола)
• — стекла
• — неупорядоченные полимеры

• — нерегулярные кристаллы
• — керамика
• — упорядоченные полимеры
• — ситаллы

• — молекулярные
• — ковалентные
• — ионные
• — параэлектрики смещения
• — параэлектрики „порядок-беспорядок”

• — монокристаллы
• — пироэлектрики
• — сегнетоэлектрики смещения
• — сегнетоэлектрики „порядок-беспорядок”
• — линейные пироэлектрики

• — с водородными связями
• — ковалентные
• — ионные

• — электронных дефектов
• — ионных дефектов
• — полярных молекул
• — макродиполей
• — сегнетоэлектрических доменов
• — кристаллов в матрице

Если брать жидкие и газообразные диэлектрики, то основная классификация лежит в вопросе полярности. Разница в симметричности молекул. В полярных молекулы несимметричны, в неполярных — симметричны. Несимметричные молекулы называются диполями. В полярных жидкостях проводимость настолько велика, что их невозможно использовать в качестве изоляционных веществ. Поэтому для этих целей используют неполярные, тоже трансформаторное масло. А наличие полярных примесей даже в сотых долях значительно снижает планку пробоя и негативно сказывается на изоляционных свойствах неполярных диэлектриков.

кристаллы представляют собой нечто среднее между жидкостью и кристаллом, как следует из названия.

Еще популярным вопросом о свойствах и применении жидких диэлектриков будет следующий: вода — диэлектрик или проводник? В чистой дистиллированной воде отсутствуют примеси, которые могли бы вызвать протекание тока. Чистую воду можно создать в лабораторных, промышленных условиях. Эти условия сложны и трудновыполнимы для обычного человека. Есть простой способ проверить проводит ли дистиллированная вода ток.

Создать электрическую цепь (источник тока — провод — вода — провод — лампочка — другой провод — источник тока), в которой одним из участков для протекания тока будет сосуд с дистиллированной водой. При включении схемы в работу, лампочка не загорится — следовательно ток не проходит. Ну а если загорится, значит вода с примесями.

Поэтому любая вода, которую мы встречаем: из крана, в озере, в ванной — будет проводником за счет примесей, которые создают возможность для протекания тока. Не купайтесь в грозу, не работайте влажными руками с электричеством. Хотя чистая дистиллированная вода — полярный диэлектрик.

Для твердых диэлектриков классификация в основном лежит в вопросе активности и пассивности что ли. Если свойства постоянны, то диэлектрик используют в качестве изоляционного материала, то есть он пассивен. Если свойства меняются, в зависимости от внешних воздействий (тепло, давление), то этот диэлектрик применяют для других целей. Бумага является диэлектриком, если вода пропитана водой — то ток проводится и она проводник, если бумага пропитана трансформаторным маслом — то это диэлектрик.

Фольгой называют тонкую металлическую пластину, металл — как известно является проводником. В продаже имеется например ПВХ-фольга, тут слово фольга для наглядности, а слово ПВХ — для понимания смысла — ведь ПВХ это диэлектрик. Хотя в википедии — фольгой называется тонкий лист металла.

Аморфные жидкости

— это и смола, и стекло, и битум, и воск. При повышении температуры этот диэлектрик тает, это замороженные вещества — это дикие определения, которые характеризуют лишь одну грань правды.

Поликристаллы

— это, как бы сросшиеся кристаллы, объединенные в один кристалл. Например, соль.

Монокристалл

— это цельный кристалл, в отличие от вышеупомянутого поликристалла имеющий непрерывную кристаллическую решетку.

Пьезоэлектрики

— диэлектрики, у которых при механическом воздействии (растяжении-сжатии), возникает процесс ионизации. Применяется в зажигалках, детонаторах, УЗИ-обследовании.

Пироэлектрики

— при изменении температуры в этих диэлектриках происходит самопроизвольная поляризация. Также она происходит при механическом воздействии, то есть пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, но не наоборот. Примерами служат янтарь и турмалин.

Онлайн журнал электрика

Основными газообразными диэлектриками, применяющимися в электротехнике, являются: воздух, азот, водород и элегаз (гексафторид серы ).

По сопоставлению с водянистыми и жесткими диэлектриками, газы владеют малыми значениями диэлектрической проницаемости и, высочайшим удельным сопротивлением и пониженной электронной прочностью.

Характеристики газов по отношению к свойствам воздуха (в относительных единицах) приведены в таблице.

Характеристики газов по отношению к свойствам воздуха

Воздух употребляется в качестве естественной изоляции меж токоведущими частями электронных машин и линий электропередач. Недочетом воздуха является его окислительная способность из-за наличия кислорода и низкая электронная крепкость в неоднородных полях. Потому в герметизированных устройствах воздух употребляется изредка.

Азот применяется в качестве изоляции в конденсаторах, высоковольтных кабелях и силовых трансформаторах.

Водород имеет пониженную электронную крепкость по сопоставлению с азотом и применяется в главном для остывания электронных машин. Подмена воздуха водородом приводит к значительному улучшению остывания, потому что удельная теплопроводимость водорода существенно выше, чем у воздуха. Не считая того, при применении водорода понижаются утраты мощности на трение о газ и вентиляцию. Потому водородное остывание позволяет повысить как мощность, так и КПД электронной машины.

Наибольшее распространение в герметизированных установках получил элегаз. Он применяется в газонаполненных кабелях, делителях напряжения, конденсаторах, трансформаторах и высоковольтных выключателях.

Преимуществами кабеля, заполненного элегазом, является малая электронная емкость, другими словами пониженные утраты, не плохое остывание, сравнимо обычная конструкция. Таковой кабель представляет собой железную трубу, заполненную элегазом, в какой с помощью электроизоляционных распорок укреплена проводящая жила.

Наполнение элегазом трансформаторов делает их взрывобезопасными.

Элегаз употребляется в высоковольтных выключателях, – элегазовых выключателях – потому что обладает высочайшими дугогасящими качествами.