Вопрос 4

1-4. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПО ВИДУ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Все диэлектрики по виду подразделяются на несколько групп.

К первой группе можно отнести диэлектрики, обладающие в основ­ном только электронной поляризацией, например неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и др.).

Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновре­менно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями.

Сюда принадлежат полярные (дипольные) органические, полужидкие и твердые вещества (масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, некоторые хлорированные углеводороды и т. п.).

Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поля­ризациями. В этой группе целесообразно выделить две подгруппы материалов ввиду существенного различия их электрических ха­рактеристик:

диэлектрики с электронной и ионной поляризациями;

диэлектрики с электронной, ионной и релаксационными поля­ризациями.

К первой подгруппе преимущественно относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов [кварц, слюда, каменная соль (см. рис. В-2, а), корунд, рутил]. Ко второй подгруппе принадлежат неорганические стекла, материалы, содержащие стекловидную фазу (фарфор, микалекс), и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке.

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризу­ющиеся спонтанной, электронной, ионной и электронно-ионно-релаксационной поляризациями (сегнетова соль, титанат бария и др.).

Приведенная выше классификация диэлектриков отражает в до­статочной степени основные электрические свойства.

1-5. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ГАЗОВ

Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вслед­ствие больших расстояний между молекулами. Поэтому диэлектрическая проница­емость всех газов незначительна и близка к единице.

Поляризация газа может быть чисто электронной или же дипольной, если моле­кулы газа полярны, однако и для полярных газов основное значение имеет элек­тронная поляризация.

Изменение числа молекул в единице объема газа п0 при изменении температурь и давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости газа (табл. 1-2 1-3). Число молекул N пропорционально давлению и обратно пропорциональнс абсолютной температуре.

1-6. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Жидкие диэлектрики могут быть построены из неполярных мо­лекул или из полярных (дипольных). Значения диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелики

Вопрос 2

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

2-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в ве­ществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения, в диэлектриках. Токи смеще­ния упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляри­зациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксиро­вать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поля­ризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свобод­ных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквоз­ных токов. Ток утечки в техническом диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции.

обусловленного мгновенными (электронными, ионными) и замедлен­ными смещениями зарядов.

Как видно из рис. 2-1, после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток. Токи смещения необходимо принимать ро внимание при измерениях проводимости диэлектриков ввиду того, что при неболь­шой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождаю­щий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представ­ление о большой проводимости. Проводи­мость диэлектрика при постоянном напря­жении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделе­нием и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напря­жении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими абсорбционных токов.

Особенностью электропроводности диэлектриков в большинстве случаев является ее неэлектронный (ионный) характер.

Поскольку при определении абсорбционных токов даже замед­ленных видов поляризации возникают некоторые трудности, сопро­тивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включе­ния напряжения и принимаемый за сквозной ток.

Для твердых электроизоляционных материалов необходимо раз­личать объемную и поверхностную проводимость.

Для сравнительной оценки объемной и поверхностной проводи­мости различных материалов пользуются значениями удельного объемного сопротивления р и удельного поверхностного сопротив­ления ps.

По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость, по удельному поверхностному сопротивлению — удельная поверхностная проводимость.

В системе СИ удельное объемное сопротивление р равно объем­ному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого материала (если ток проходит сквозь куб, от одной его грани к противоположной), умноженному на 1м.

Для плоского образца материала в однородном поле удельное объемное сопротивление (ом-метр) рассчитывается по формуле

Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через квадрат, от одной его стороны к противоположной.

Удельная поверхностная проводимость ys измеряется в сименсах.

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции, складывается из объемной и поверх­ностной проводимостей.

Электропроводность изоляционных материалов обусловливается состоянием вещества: газообразным, жидким или твердым, а также зависит от влажности и температуры окружающей среды. Некоторое влияние на проводимость диэлектриков оказывает также напряжен­ность поля в образце, при которой проводится измерение.

При длительной работе под напряжением ток через твердые и жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что электропроводность материала была обусловлена ионами посторон­них примесей и уменьшалась за счет электрической очистки образца. Увеличение тока со временем говорит об участии в нем зарядов, являющихся структурными элементами самого материала, и о про­текающем в нем под напряжением необратимом процессе старения, способном постепенно привести к разрушению — пробою диэлек­трика.

Таким образом, определив постоянную времени как время, по истечении которого напряжение на выводах конденсатора умень­шится вследствие саморазряда в е = 2,7 раза, зная вид материала (а следовательно, и его диэлектрическую проницаемость) и предпо­лагая наличие только объемного тока утечки, можно оценить удель­ное сопротивление использованного диэлектрика.

2-2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ГАЗОВ

Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают исключительно малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений за­ряженных частиц с молекулами.

Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое воздействие (сильный нагрев газа). Электропроводность газа, обусловленная действием внешних ионизаторов, называется несамостоятельной.

С другой стороны, особенно в разреженных газах, возможно создание электропроводности за счет ионов, образующихся в резуль­тате соударения заряженных частиц с молекулами газа. Ударная ионизация возникает в газе в тех случаях, когда кинетическая энер­гия заряженных частиц, приобретаемая под действием электриче­ского поля, достигает достаточно больших значений. Электропро­водность газа, обусловленная ударной ионизацией, носит название самостоятельной.

В слабых полях ударная ионизация отсутствует и самостоятель­ной электропроводности не обнаруживается. При ионизации газа, обусловленной внешними факторами, происходит расщепление мо­лекул на положительные и отрицательные ионы. Одновременно часть положительнх ионов, соединяясь с отрицательными частицами, обра­зует нейтральные молекулы. Этот процесс называется рекомбинацией.

Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего иони­затора.

Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено элек­трическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения будут пере­мещаться, и в цепи возникает ток. Часть ионов будет нейтрализо-вываться на электродах, часть — исчезать за счет рекомбинации.

На начальном участке кривой (до напряжения насыщения £/„), характеризующей зависимость тока в газе от напряжения (рис. 2-2), выполняется закон Ома, при этом запас положительных и отрица­тельных ионов достаточный и его можно считать постоянным. Ток пропорционален напряжению на газовом промежутке. По мере воз­растания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам,

2 Богородицкий Н. П. и др.

2-5. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием влаги или загрязнений на поверхности диэлектрика. Вода отличает­ся, как указывалось выше, значительной удельной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость, определяемая в основном толщиной этого слоя. Однако, поскольку сопротивление адсорбиро­ванной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тес­ной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Поэтому относительная влажность является важнейшим фактором, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика. Особенно резкое уменьшение удельного поверхностного сопротивления наблюдается при относительной влажности, превы­шающей 70—80%.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокими значениями удельного поверхностного сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой. Полярные диэлектрики характеризуются более низкими значениями р5, заметно умень­шающимися во влажной среде. Особенно резкое понижение удель­ного поверхностного сопротивления можно наблюдать у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверх­ности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверх­ности полярных диэлектриков легко прилипают различные загрязнения, также приводящие к снижению ps. Низкие значения удельного поверхностного сопротивления имеют и объем но-пор истые материалы, так как процесс поглощения влаги толщей материала стимулирует также и образование поверхностных пленок воды.

Удельное поверхностное сопротивление церезина, являющегося неполярным диэлектриком, существенно выше по сравнению с ps щелочного стекла и фенопласта и не зависит от влажности окружа­ющей среды (рис. 2-9).

Загрязнение поверхности некоторых диэлектриков уменьшает их удельное по­верхностное сопротивление (табл. 2-2).

Стремясь повысить удельное поверх­ностное сопротивление, применяют раз­нообразные приемы очистки поверхно­сти: промывку (водой, растворителями), прокаливание при температуре 600—700°С.

Пропитка поверхностных слоев детали церезином не обеспечивает достаточ­ной устойчивости зна­чений ps при высокой влажности ввиду воз­можности проникновения влаги в микропоры поверхности изде­лия сквозь защитные покрытия. Покрытие керамики и стекол кремнийорганическими лаками значительно повышает удельное поверхностное сопротивление изделий во влажной среде. В итоге можно сделать следующие выводы. Зависимость удель­ной поверхностной проводимости от влажности обусловливается наличием на поверхности диэлектрика диссоциирующих на ионы веществ, вода, адсорбируемая поверхностью, способствует их вы­явлению. Если эти вещества случайно попали на поверхность ди­электрика, то путем их удаления можно получать высокие зна­чения удельного поверхностного сопротивления при любой влажно­сти воздуха. Если вещества, диссоциирующие на ионы, являются со­ставной частью материала, то удельное поверхностное сопротивление будет сильно снижаться при увеличении влажности.