Содержание

что это? Отвечаем на вопрос. Свойства диэлектриков

Диэлектрик – это материал или вещество, которое практически не пропускает электрический ток. Такая проводимость получается вследствие небольшого количества электронов и ионов. Данные частицы образуются в не проводящем электрический ток материале только при достижении высоких температурных свойств. О том, что такое диэлектрик и пойдёт речь в этой статье.

Описание

Каждый электронный или радиотехнический проводник, полупроводник или заряженный диэлектрик пропускает через себя электрический ток, но особенность диэлектрика в том, что в нем даже при высоком напряжении свыше 550 В будет протекать ток малой величины. Электрический ток в диэлектрике – это движение заряженных частиц в определённом направлении (может быть положительным и отрицательным).

Виды токов

В основе электропроводимости диэлектриков лежат:

  • Токи абсорбционные – ток, который протекает в диэлектрике при постоянном токе до тех пор, пока не достигнет состояния равновесия, изменяя направление при включении и подаче на него напряжения и при отключении. При переменном токе напряжённость в диэлектрике будет присутствовать в нём всё время, пока находится в действии электрического поля.
  • Электронная электропроводность – перемещение электронов под действием поля.
  • Ионная электропроводность – представляет собой движение ионов. Находится в растворах электролитов – соли, кислоты, щёлочь, а так же во многих диэлектриках.
  • Молионная электропроводность – движение заряженных частиц, называемых молионами. Находится в коллоидных системах, эмульсиях и суспензиях. Явление движения молионов в электрическом поле называется электрофорезом.

Электроизоляционные материалы классифицируют по агрегатному состоянию и химической природе. Первые делятся на твёрдые, жидкостные, газообразные и затвердевающие. По химической природе делятся на органику, неорганику и элементоорганические материалы.

Электропроводимость диэлектриков по агрегатному состоянию:

  • Электропроводимость газов. У газообразных веществ достаточно малая проводимость тока. Он может возникать при наличии свободных заряженных частиц, что появляется из-за воздействия внешних и внутренних, электронных и ионных факторов: излучение рентгена и радиоактивного вида, соударение молекул и заряженных частиц, тепловые факторы.
  • Электропроводимость жидкого диэлектрика. Факторы зависимости: структура молекулы, температура, примеси, присутствие крупных зарядов электронов и ионов. Электропроводимость жидких диэлектриков во многом зависит от наличия влаги и примесей. Проводимость электричества полярных веществ создаётся ещё при помощи жидкости с диссоциированными ионами. При сравнении полярных и неполярных жидкостей, явное преимущество в проводимости имеют первые. Если очистить жидкость от примесей, то это поспособствует уменьшению её проводимых свойств. При росте проводимости жидкого вещества и его температуры возникает уменьшение её вязкости, приводящее к увеличению подвижности ионов.
  • Твёрдые диэлектрики. Их электропроводимость обуславливается как перемещение заряженных частиц диэлектрика и примесей. В сильных полях электрического тока выявляется электропроводимость.

Физические свойства диэлектриков

При удельном сопротивлении материала равном меньше 10-5 Ом*м их можно отнести к проводникам. Если больше 108 Ом*м — к диэлектрикам. Возможны случаи, когда удельное сопротивление будет в разы больше сопротивления проводника. В интервале 10-5-108 Ом*м находится полупроводник. Металлический материал — отличный проводник электрического тока.

Из всей таблицы Менделеева только 25 элементов относятся к неметаллам, причём 12 из них, возможно, будут со свойствами полупроводника. Но, разумеется, кроме веществ таблицы, существует ещё множество сплавов, композиций или химических соединений со свойством проводника, полупроводника или диэлектрика. Исходя из этого, трудно провести определённую грань значений различных веществ с их сопротивлениями. Для примера, при пониженном температурном факторе полупроводник станет вести себя подобно диэлектрику.

Применение

Использование не проводящих электрический ток материалов очень обширно, ведь это один из популярно используемых классов электротехнических компонентов. Стало достаточно ясно, что их можно применять благодаря свойствам в активном и пассивном виде.

В пассивном виде свойства диэлектриков используют для применения в электроизоляционном материале.

В активном виде они используются в сегнетоэлектрике, а также в материалах для излучателей лазерной техники.

Основные диэлектрики

К часто встречающимся видам относятся:

  • Стекло.
  • Резина.
  • Нефть.
  • Асфальт.
  • Фарфор.
  • Кварц.
  • Воздух.
  • Алмаз.
  • Чистая вода.
  • Пластмасса.

Что такое диэлектрик жидкий?

Поляризация данного вида происходит в поле электрического тока. Жидкостные токонепроводящие вещества используются в технике для заливки или пропитки материалов. Есть 3 класса жидких диэлектриков:

Нефтяные масла – являются слабовязкими и в основном неполярными. Их часто используют в высоковольтных аппаратурах: масло трансформаторное, высоковольтные воды. Масло трансформаторное – это неполярный диэлектрик. Кабельное масло нашло применение в пропитке изоляционно-бумажных проводов с напряжением на них до 40 кВ, а также покрытий на основе металла с током больше 120 кВ. Масло трансформаторное по сравнению с конденсаторным имеет более чистую структуру. Данный вид диэлектрика получил широкое распространение в производстве, несмотря на большую себестоимость по сравнению с аналоговыми веществами и материалами.

Что такое диэлектрик синтетический? В настоящее время практически везде он запрещён из-за высокой токсичности, так как производится на основе хлорированного углерода. А жидкий диэлектрик, в основе которого кремний органический, является безопасным и экологически чистым. Данный вид не вызывает металлической ржавчины и имеет свойства малой гигроскопичности. Существует разжиженный диэлектрик, содержащий фторорганическое соединение, которое особо популярно из-за своей негорючести, термических свойств и окислительной стабильности.

И последний вид, это растительные масла. Они являются слабо полярными диэлектриками, к ним относятся льняное, касторовое, тунговое, конопляное. Касторовое масло является сильно нагреваемым и применяется в бумажных конденсаторах. Остальные масла – испаряемые. Выпаривание в них обуславливается не естественным испарением, а химической реакцией под названием полимеризация. Активно применяется в эмалях и красках.

Заключение

В статье было подробно рассмотрено, что такое диэлектрик. Были упомянуты различные виды и их свойства. Конечно, чтобы понять всю тонкость их характеристик, придётся более углубленно изучить раздел физики о них.

ООО «Диэлектрик» – разработка и производство электроизоляционных материалов и систем изоляции

ООО «Диэлектрик» – разработка и производство электроизоляционных материалов и систем изоляции

ООО «Диэлектрик»— это современная динамично развивающаяся компания, специализирующаяся на разработке и производстве электроизоляционных материалов и систем изоляции для самого широкого спектра электрических машин, в том числе турбо-и гидрогенераторов, высоковольтных электрических машин, тяговых электродвигателей постоянного и переменного тока, асинхронных двигателей с частотно-регулируемым приводом, низковольтных электрических машин, кабельной промышленности и других отраслей промышленности.

Работаем

с 1989
ГОДА

Высокое качество продукции

Внедрение новых разработок

Поиск новых решений

Надёжные системы изоляции

Передовые технологии

Опыт ведущих мировых компаний

Номенклатура продукции ООО «Диэлектрик» включает в себя:

Мы открыты к сотрудничеству и готовы решать самые трудные задачи.
Особенностью нашего предприятия является постоянный поиск новых решений и новых технологий производства, позволяющих производить электроизоляционные материалы высокого качества по приемлемым ценам.

Большое значение для нашей компании имеет работа с потребителями.
Мы тщательно изучаем и анализируем потребности наших заказчиков и стараемся помочь им в поиске оптимальных решений. Мы оказываем полную техническую поддержку нашим потребителям. При необходимости проводятся консультации и совместные работы по внедрению новых электроизоляционных материалов и систем изоляции на предприятиях.

Диэлектрики — изоляционные материалы | Кабели Atlas

Теоретически идеальный кабель представляет собой неизолированный проводник в свободном воздушном пространстве. Однако на практике не все так просто.

Поверхностный эффект

Чтобы понять важность используемого в кабеле изоляционного материала, рассмотрим прохождение переменного тока через проводник. Различные частоты занимают в проводнике различные радиальные позиции. Низкочастотные сигналы занимают центр проводника, высокочастотные сигналы передаются по его поверхностным слоям. Таким образом, высокочастотные сигналы «вынуждены» протекать по области проводника с меньшим поперечным сечением, чем низкочастотные сигналы, а значит, эффективное сопротивление кабеля для них больше, чем для низкочастотных.

Поэтому потери в кабелях зависят от частоты сигнала, и наибольшие потери терпят высокочастотные сигналы. Это явление известно как «поверхностный эффект». В кругах аудиофилов ведется ожесточенная дискуссия на эту тему, поскольку многие утверждают, что поверхностный эффект затрагивает только частоты за пределами человеческого слуха. Однако это не совсем верно – сопротивление проводника начинает расти из-за поверхностного эффекта в районе 20 кГц.

Высокие частоты «отвечают» за тембр, пространственность и чистоту.

См. ниже, слева направо.

  • Радиальные позиции частот в проводнике.
  • Область, занимаемая верхними частотами в витом проводнике.
  • Область, занимаемая верхними частотами в цельном проводнике.

Низкие и средние частоты занимают центр проводника. Оптимизация низкочастотных составляющих сигнала особенно важна в акустических кабелях. Обширные тестовые исследования доказывают, что для чистого звучания басов проводник должен иметь поперечное сечение от 3,00 до 4,5 мм2.

Кроме того, «большие» кабели должны быть витыми, в них должен использоваться высококачественный диэлектрик, такой как полиэтилен, тефлон или микропористый тефлон. На качество звучания также влияют и другие факторы, не поддающиеся измерению.

Конструкции с применением множественных изолированных жил преодолевают проблемы, связанные с увеличением сопротивления из-за поверхностного эффекта, однако такие низкоиндуктивные кабели имеют более высокую емкость. Кабели с низкой емкостью и низким сопротивлением не будут влиять на устройства, к которым они подключены в той степени, насколько кабели с высокой емкостью; акустические кабели должны иметь низкое сопротивление во избежание потерь сигнала, а межблочные кабели должны обладать низкой емкостью для увеличения скорости распространения сигнала.

Аудиосистемы, которые звучат в акустическом диапазоне ярче других, могут работать на грани нестабильности из-за использования кабелей высокой емкости. Яркость часто ошибочно принимается за улучшенную динамику, но «улучшения» динамического диапазона не должны достигаться за счет низкочастотной информации, поскольку это может вызвать нестабильность усилителя. Нежелательная яркость также свойственна посеребренным кабелям, которые через некоторое время утомляют слушателей. Atlas никогда не использует для аудиоприложений посеребренные кабели или кабели из различных металлов с разным сопротивлением и разными характеристиками.

Три вышеприведенных рисунка иллюстрируют, слева направо, радиальные области, занимаемые сигналом в проводнике в зависимости от частоты. Низкие частоты занимают центр проводника. Отсюда следует, что «толстый» проводник обладает меньшим сопротивлением в низкочастотном диапазоне и обеспечивает больше басов. Вот почему Atlas выпускает кабели разного сечения – например, акустические кабели Hyper выпускаются сечением 1,5, 2,0 и 3,0 мм2. В тех случаях, когда необходимы мощные басы, требуется применение кабеля большого сечения. Кроме того, при большой длине акустических кабелей лучше использовать более «толстые» кабели.

На втором рисунке показана область, занимаемая верхними частотами в витом проводнике.

На третьем рисунке показана область, занимаемая верхними частотами в цельном проводнике. Она больше, чем в витом проводнике, поэтому высокочастотный сигнал в цельном проводнике встречает меньшее сопротивление, в связи с чем в этом случае обеспечивается лучшая передача верхних частот. Во всех акустических кабелях bi-wire, производимых Atlas, используются витые проводники для передачи басов и цельные проводники – для передачи верхних частот. Напрашивается вопрос: почему не использовать цельный проводник и для тех, и других частот? Если взять, к примеру, цельный проводник сечением 3,00 мм2, при изгибе он будет не сгибаться, а ломаться, так что это непрактично. Это еще одна из причин использования витых проводников. Приблизительное оптимальное сечение цельного проводника – 1,5 мм2. Акустические кабели bi-wire, производимые Atlas, на стороне, подключаемой к колонкам, имеют четыре вывода неравной длины. Два более длинных вывода подключаются к верхнечастотным разъемам колонок (конечно, при условии, что они поддерживают режим bi-wire!), а два коротких – к низкочастотным разъемам.

Высокочастотные сигналы занимают периферийные слои проводника (см. выше). Низкокачественные диэлектрики уменьшают скорость распространения этих сигналов, что в результате приводит к звучанию, смещенному в сторону нижних и средних диапазонов акустического спектра. Плохое звучание часто связано с применением кабелей с низкокачественной изоляцией.

Изоляция из поливинилхлорида (PVC) дешева в производстве и наиболее часто используется в аудио и видео кабелях. Поливинилхлорид – низкокачественный диэлектрик, один из худших для аудио и видео сигналов, часто вызывающий большие потери из-за существенного снижения скорости распространения сигнала. Поливинилхлорид гораздо лучше подходит для силовых кабелей, а в аудио и видео кабелях его применения следует избегать.

Другие распространенные диэлектрики – полиэтилен, полипропилен и политетрафторэтилен (ПТФЭ), более известный под названием «тефлон». Недавно компания Atlas создала новый уникальный диэлектрик – микропористый тефлон.

Тефлон имеет высокую температуру плавления (327°C), которая идеально подходит для нанесения тефлонового покрытия на непригарные сковороды, но вызывает трудности при покрытии обработанной меди – при высоких температурах медь OFC и OCC возвращаются к гранулярному состоянию, теряя свою монокристаллическую структуру и превращаясь в технически чистую медь.

Последние несколько лет компания Atlas совместно со своими поставщиками исследовала способы нанесения тефлоновых покрытий на обработанную медь, не дающие вышеописанных негативных эффектов. Благодаря этим развернутым исследованиям теперь стало возможным наносить на обработанную медь покрытие из одного из типов тефлона под названием «фторированный этилен-пропилен» (ФЭП), температура плавления которого – 275°. При нанесении покрытия медь одновременно охлаждается.

ФЭП существенно снижает диэлектрические потери в кабелях, сохраняя при этом все преимущества низкозернистых медных проводников. Этот вид тефлона используется во всех продуктах серии Atlas Ascent, в акустических кабелях Hyper и других.

Дальнейшие исследования привели к использованию в качестве диэлектрика микропористого тефлона (ПТФЭ). Первые продукты Atlas, в которых применяется этот изоляционный материал – межблочные и акустические кабели Mavros и Asimi.

Микропористый тефлон – это уникальный материал с низким удельным весом и существенно лучшими характеристиками по сравнению с обычным тефлоном. Микропористый тефлон содержит значительно большее количество воздуха, чем цельный тефлон. Воздух содержится в микроскопических (менее половины микрона диаметром) пузырьках внутри материала. Благодаря этому достигается чрезвычайно низкая диэлектрическая проницаемость – от 1,3 до 1,5 (следующий по качеству диэлектрик, тефлон, имеет диэлектрическую проницаемость от 2,1 до 2,3). Скорость распространения сигнала в кабелях с изоляцией из микропористого тефлона на 70-80% выше, чем в обычных кабелях, и примерно на 30% выше, чем в кабелях с изоляцией из обычного тефлона.

Микропористый тефлон (ПТФЭ) отличается повышенной фазовой стабильностью при температурных колебаниях. Фазовая стабильность кабеля зависит от коэффициента теплового расширения диэлектрика и проводников. Поскольку микропористый тефлон имеет более низкий коэффициент теплового расширения по сравнению с обычным тефлоном, его использование улучшает фазовую стабильность при колебаниях температуры.

При одинаковом внешнем диаметре кабели с изоляцией из микропористого тефлона обеспечивают меньшие потери сигнала, чем кабели с изоляцией из обычного тефлона. Во-первых, это связано с тем, что низкий коэффициент затухания самого диэлектрика уменьшает ослабление сигнала, особенно на высоких частотах. Во-вторых, с тем, что низкая диэлектрическая проницаемость микропористого тефлона позволяет использовать проводники большего диаметра. Так, в кабелях Mavros улучшение передачи низкочастотной информации (то есть звучание басов) достигается путем применения проводников увеличенного диаметра в изоляции из микропористого тефлона.

Термическое расширение цельного тефлона оказывает неблагоприятные механические воздействия на кабель, поскольку с расширением тефлона при нагревании может уменьшиться воздушный зазор между изоляцией кабеля и контактом разъема, что изменяет характеристики импеданса разъема. При применении микропористого тефлона, минимально расширяющегося при нагревании, эти эффекты практически несущественны.

Вышеописанные различия между микропористым и обычным тефлоном могут показаться незначительными, однако кумулятивный эффект этих маленьких различий приводит к ухудшению передачи аудиосигналов и не позволяет полностью раскрыть все нюансы музыкальных записей.

В нижеприведенной таблице приведены свойства ряда диэлектриков. Поливинилхлорид (PVC), хотя и не используется в кабелях Atlas, приведен для сравнения.

В нижеприведенной таблице приведены свойства ряда диэлектриков. Поливинилхлорид (PVC), хотя и не используется в кабелях Atlas, приведен для сравнения

Сравнение диэлектриков (диаметр 0,3 мм)
 Диэлектрик
Характеристики ПоливинилхлоридПористый полиэтиленПолипропиленТефлон (ФЭП)Микропористый тефлон (PTFE)
Диэлектрическая проницаемость
(50-106 Гц)
4-82.32.252.11.3
Диэлектрическая прочность
(кВ мм-1)
23-3030-5030-5020-25н/д
Тангенс угла потерь
(в % при 50-106 Гц)
8-150. 02-0.050.02 — 0.06
(@ 106 Hz)
0.02-0.07н/д
Объемное удельное сопротивление
(Ом/см cm при 20°C)
1012-15> 10176.5 x 1014> 1016н/д
Прочность на разрыв
(кг/мм2)
1.0-2.51.0-2.03.0-4.01.9-2.21.0
Температура плавления
(°C)
-130112-120155-160275275
Максимальная постоянная рабочая температура
(°C)
607590200260
Минимальная рабочая температура
(°C)
от -15 до -40<-60от -5 до -45<-60-250

Фольгированный диэлектрик – ЕЗИМ

Фольгированный диэлектрик — гибкое эластичное полотно от белого до кремого цвета, имеющее низкую пожароопасность, высокую влагостойкость и износоустойчивость.

Листы ФАФ-4Д представлют собой армированный стеклотканью фторопласт-4Д (изготавливается прессованием слоёв лакоткани марки Ф-4Д-Э01-А 1-го сорта по ТУ 301-05-422-89), облицованный с обеих сторон медной электролитической гальваностойкой фольгой толщиной (0,035±0,003)мм или (0,050+0,05-0,07)мм.

Главный конструктивный элемент печатной платы, на поверхности которого находятся проводники, это диэлектрик на основе лакоткани (ткани стеклянной), которая в свою очередь состоит из нескольких слоев стекловолокна с многократной пропиткой каждого слоя фторопластовой эмульсией (водной суспензией) марки Ф-4Д (Ф-4ДС) по ТУ 6-05-1246-81, с последующим спеканием каждого слоя.

Листы фторопластовые фольгированные армированные ФАФ-4Д изготавливаются путем прессования слоев стеклоткани и двухсторонней облицовки медной гальваностойкой электролитической фольгой, толщина которой составляет 0,035 мм либо 0,05 мм.

Металлизация отверстий в листах ФАФ-4Д происходит методом прямой либо химико-гальванической металлизации, включающей выдержку в растворе натрий-нафталин. При этом отверстия под металлизацию могут быть получены путем сверления либо фрезерования, для чего используются сверлильно-фрезерные станки.

Область применения фольгированных гибких диэлектриков постоянно расширяется это как и ранее, радиоэлектроника, приборостроение, а так же электроника в авиации, космонавтике, ядерных исследованиях и медицине. В настоящее время диэлектрики широко используются при изготовлении RFID-антенн, различного типа меток для защиты товаров от краж, гибких печатных плат, гибких печатных кабелей, гибких полиамидных носителей (ГПН), гибких терморезисторов, мембран акустических преобразователей и фотоэлектрических преобразователей.

Фольгированные высокочастотные диэлектрики находят широкое применение в качестве оснований печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ, в качестве электрической изоляции для печатных элементов приемно-передающей аппаратуры, способны длительно работать в интервале температур от минус 60°С до плюс 250°С и не подвергающихся изгибу.

Применение фольгированных фторопластовых диэлектриков ФАФ-4Д дает массу преимуществ, и обладают следующими свойствами: – высокой механической прочностью; – высокой радиационной стойкостью; – долговременной стабильностью показателей в широком температурном и частотном интервале; – минимальной зависимостью показателей от изменений окружающей среды.

Листы ФАФ-4Д выпускают любого размера от (100×100) мм – до (500×500) мм. Предельные отклонения по ширине и длине листа ±10 мм. Толщина листа, 1.0±0,15 / 1.5±0,15  / 2.0 ±0,20 / 2.5±0,20 / 3.0±0,20мм. Примечание – по согласованию с потребителем допускается изготовление листов других размеров и толщины, при этом допуски по толщине устанавливаются по большей толщине.

ООО «Екатеринбургский завод изоляционных материалов» предлагает фольгированный диэлектрик следующих марок:

  • Фольгированный армированный фторопластовый диэлектрик марки ФАФ-4Д*
  • Изготовление осуществляется в листах – от 100х100мм – до 530х530мм
  • Государственный стандарт условия – ГОСТ 21000-81

Технические характеристики

Наименование показателя Норма ФАФ-4Д
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1010 Гц в электрическом поле, не более:
  • перпендикулярно к слоям (поверхности образца)
  • параллельно слоям
 
1·10-3
3·10-3
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1010 Гц после кондиционирования в течение 24 ч при температуре 23°С и относительной влажности 93%, не более:
  • перпендикулярно к слоям (поверхности образца)
  • параллельно слоям

1·10-3
3·10-3

 Диэлектрическая проницаемость при частоте 1010 Гц в электрическом поле, не более:
  • перпендикулярно к слоям (поверхности образца)
  • параллельно слоям

2,5±0,2
3,0±0,2
Диэлектрическая проницаемость при частоте 1010 Гц после кондици­онирования в течение 24 ч при темпера­туре 23°С и относительной влажности 93%, не более:
  • перпендикулярно к слоям (поверхности образца)
  • параллельно слоям

 

2,5±0,2
3,0±0,2

Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом ·м, не менее 1·1013
Вес 1 м2 в кг, при толщине, мм:
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
4,0
5,0

1,45—1,50
2,80—2,90
3,92—4,00
4,92—5,00
5,90—6,20
7,20—7,30
8,60—9,60
9,80—10,80
Водопоглощение, %, не более 0,2
Изменение линейных размеров после стравливания фольги
после термостатирования при темпе­ратуре 200°С в течение 2 ч, %
0,1-0,2
Удельное поверхностное электричес­кое сопротивление, Ом, не менее 1·1014
Температурный коэффициент ли­нейного расширения х10-5, °С-1 0,8-2,5
Прочность при разрыве, МПа (кгс/см2), не менее 65 (650)
Класс нагревостойкости  по ГОСТ 8866—93 250*
Класс дугостойкойсти по ГОСТ 10345. 2—78 AR
Контрольный индекс трекингостойкости по ГОСТ 27473—87 Сплошной проводящий слой не образует*

 

Символы обозначают следующее:

ФАФ – фторопласт армированный фольгированный

4Д – марка фторопласта

* Допускается отслаивание фольги на листе по периметру не более 8% от партии

* Нормы по пунктам 12-14 даны после травления фольги

 

Дополнительная информация:

По согласованию с заказчиком выпускаются фольгированные диэлектрики по индивидуальному заказу под требования заказчика. Физико-механические свойства при этом оговариваются дополнительно.

Поставляем продукцию предприятий партнеров.  


ВНИМАНИЕ! Приобретая продукцию – Фольгированный диэлектрик через специалистов Компании ЕЗИМ, Вы будете полностью застрахованы от приобретения контрафакта, а значит, возможности проникновения подделки в процесс закупки. Предприятие ЕЗИМ в своей работе использует метод прямых продаж, что исключает наличие посредников, и позволяет купить продукцию без излишней наценки на товар. Минимальная цена за максимальное качество!

Дополнительную информацию просим уточнять у специалистов отдела продаж по телефону +7 343 286-64-81 или по электронной почте info@e-zim.ru

Электричество и магнетизм

Здесь — вектор дипольного момента одной молекулы, суммирование ведётся по всем молекулам, находящимся внутри физически бесконечно малого объема   . Например, рассмотрим однородно поляризованный шар (рис. 3.17). 

 

Рис. 3.17. Поляризованность и электрическое поле однородно поляризованного шара 

При поляризации неполярного диэлектрика электронная оболочка атома или молекулы деформируется — электроны смещаются против поляризующего поля, ядра смещаются по полю. Возникает некоторое расстояние между ранее (в отсутствие поляризующего поля) совпадавшими центрами положительных и отрицательных зарядов. В результате атом или молекула приобретают некоторый наведенный дипольный момент. 

Более или менее очевидно, что наведенный дипольный момент будет пропорционален величине внешнего электрического поля. Понять это можно, рассматривая поведение потенциальной энергии П(x) взаимодействия двух частиц, где х — расстояние между ними. Пусть равновесному состоянию соответствует расстояние (частицы находятся в одной точке и дипольный момент отсутствует). При малых отклонениях от положения равновесия в разложении потенциальной энергии в ряд Тейлора можно ограничиться несколькими первыми членами

Учитывая, что первая производная в точке равновесия равна нулю и что вторая производная в этой точке положительна , получаем, что вблизи точки устойчивого равновесия потенциальная энергия ведет себя как

Соответственно, при отклонении от этого положения возникает сила

,

подобная силе упругости при растяжении пружины. Если заряды в молекуле «соединены» такой «пружиной», то при наложении поля Е новое равновесное расстояние между частицами будет определяться соотношением

В результате находим величину возникшего под действием поля дипольного момента

Умножая наведенный дипольный момент на концентрацию поляризованных молекул N/V (N — их полное число в объеме V), получаем поляризованность диэлектрика

               

(3.16)

Если записать поляризованность (3.16) в виде

 

где константа (для данного вещества)  по определению есть диэлектрическая восприимчивость вещества, то для , то в рамках данной модели диэлектрическую восприимчивость можно вычислить по нижеследующей формуле

  

У молекул, называемых полярными, центры положительных и отрицательных зарядов сдвинуты друг относительно друга, поэтому такая молекула имеет собственный дипольный момент. При помещении такой молекулы в электрическое поле её электронная оболочка деформируется, расстояние между центрами зарядов увеличивается и к исходному собственному дипольному моменту добавляется некоторый наведенный дипольный момент. Однако, можно показать, что этот дополнительный наведенный дипольный момент много меньше собственного. Разумеется, это справедливо, если поляризующее поле много меньше поля, существующего внутри молекулы. По порядку величины внутримолекулярное поле равно атомной единице напряженности электрического поля:  В/м. В написанном выражении для атомной единицы напряженности электрического поля  масса электрона,  его заряд,  постоянная Планка. Учитывая, что, например, «пробойная» — приводящая к искровому разряду – напряженность поля для сухого воздуха составляет всего  В/м, то есть на пять порядков меньше, можно утверждать, что в подавляющем большинстве экспериментов наведенным дипольным моментом, при наличии собственного, можно пренебречь. В дальнейшем, при рассмотрении поляризации дипольных диэлектриков, этот эффект (наведение дополнительного момента) учитываться не будет.

Векторы собственных дипольных моментов отдельных молекул в обычном состоянии из-за теплового движения ориентированы хаотически. Поэтому при отсутствии внешнего электрического поля средний суммарный дипольный момент любого физически бесконечно малого объема диэлектрика равен нулю. Другими словами, диэлектрик не поляризован: его поляризованность  равна нулю.

Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекул параллельно вектору , а тепловое движение этому препятствует, диэлектрик поляризуется, при этом его поляризованность должна зависеть от температуры, а именно: с ростом температуры она должна убывать. Ниже эта зависимость вычисляется, также будет показано, что и в случае полярных диэлектриков их поляризованность пропорциональна напряженности поляризующего поля. Такая поляризация называется ориентационной (рис. 3.18). 

 

Рис. 3.18. Ориентационная поляризация диэлектрика

диэлектрики



диэлектрики

8)
Диэлектрик (изолятор) — материал, плохо проводящий или совсем не проводящий электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 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.

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стекло, различные смолы, пластмассы непременно сухие. Химически чистая вода также является диэлектриком.

ТИПЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ. ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Диэлектрики – вещества, которые при обычных условиях не проводят электрический ток, в диэлектриках нет свободных электрических зарядов. Молекулы диэлектриков электрически нейтральны. Диэлектрики делятся на 3 типа: неполярные, полярные, ионные. У неполярных диэлектриков дипольные моменты молекул в отсутствии внешнего электрического поля равны нулю – h3, N2, C6H6. У поляризованных диэлектриков молекулы обладают постоянным дипольным моментом и без внешнего электрического поля – h30. Ионные диэлектрики – это вещества, молекулы которых имеют ионное строение. В кристаллах этих веществ нельзя выделить отдельные молекулы, их можно рассматривать как систему 2х вставленных друг в друга ионных решеток – одна заряжена положительно, другая отрицательно – NaCl, KCl. При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле, он поляризуется. На поверхности диэлектрика появляются связанные заряды. В соответствии с 3мя типами диэлектриков различают поляризацию неполяризованных, полярных и ионных диэлектриков.

В результате действия кулоновских сил электронная оболочка молекул деформируется и появляется наведенных дипольный момент.

В полярном диэлектрике поляризация обусловлена в основном ориентацией молекулярных диполей по полю. Видно, что и в этом случае на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды.

Ионная поляризация: Во внешнем электрическом поле под действием кулоновских сил происходит смещение подрешеток относительно друг друга и появляется наведенный дипольный момент, что также приволит к появлению связанных зарядов на поверхности диэлектрика. Независимо от того, какой тип диэлектрика во внешнем электрическом поле, происходит его поляризация. Из приведенных рисунков видно, что поле связанных зарядов противоположно внешнему электрическому полю, вследствии этого внешнее электрическое поле диэлектриком всегда ослабляется.


Твердые диэлектрики – Энциклопедия по машиностроению XXL

П6.2. Твердые диэлектрики разделяются на природные (натуральный каучук, янтарь и т. п.) и синтетические (синтетический каучук, полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и т. п.).  [c.270]

Во многих диэлектриках имеются молекулы, которые обладают собственным электрическим моментом Ро, т. е. представляют собой диполи даже в отсутствие внешнего электрического поля. В ряде случаев при изменении направления ориентации диполей во внешнем электрическом поле возникают упругие возвращающие силы. Очевидно, что это наблюдается тогда, когда диполи более или менее жестко связаны, т. е. упругая дипольная поляризация имеет место в твердых диэлектриках — полярных кристаллах.  [c.281]


ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 227  [c.227]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ )  [c.227]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 231  [c.231]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 23S  [c.233]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 243  [c.243]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 247  [c.247]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 249  [c.249]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 251  [c.251]

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 255  [c.255]

Помимо удельного объемного сопротивления, для краткости обычно называемого удельным сопротивлением, применительно к твердым диэлектрикам в качестве параметра введено удельное поверхностное сопротивление ps. Ом, имеющее важное значение при выборе материала для работы в увлажненных и загрязненных средах.  [c.543]

Механизм пробоя диэлектриков может иметь различный характер. Основными видами пробоя твердых диэлектриков являются электрический и тепловой. Электрический пробой представляет собой разрушение диэлектрика силами электрического поля и сопровождается образованием электронных лавин. Тепловой пробой обусловлен нагревом диэлектрика до критической температуры вследствие диэлектрических потерь при нарушении в диэлектрике теплового равновесия. Значение ир при электрическом пробое составляет примерно 100— 1000 МВ/м, а при тепловом — 1 — 10 МВ/м.  [c.543]

Эта формула пригодна для газообразных, но в ряде случаев с большим или меньшим приближением может быть применена также для жидких и твердых диэлектриков.) Таким образом, по физическому смыслу диэлектрическая проницаемость — количественная мера интенсивности процесса поляризации диэлектриков. Концентрация N поляризующихся частиц невелика в газах и намного выше в жидких и твердых диэлектриках. Поляризуемость частицы а зависит от механизма поляризации, определяемого природой диэлектрика.  [c.544]

Газы в обычных условиях характеризуются высоким удельным сопротивлением и очень малыми диэлектрическими потерями. К достоинствам газов относятся также восстановление электроизоляционных свойств после пробоя и отсутствие старения (ухудшение свойств со временем). Недостатком их является невысокая (по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками) электрическая прочность при нормальном давлении. Для увеличения электрической прочности используют как повышение давления газов, так и глубокое их разрежение. Повысить электрическую прочность газовой изоляции можно также, применяя электроотрицательные газы. Молекулы этих газов, содержащие обычно атомы фтора, хлора и других галогенов, способны захватывать свободные электроны и становиться малоподвижными отрицательными ионами. Удаление подвижных электронов затрудняет развитие электрического разряда, вследствие чего электрическая прочность газа возрастает.  [c.545]


Напряжение перекрытия в неоднородном поле существенно ниже, чем в однородном, причем гигроскопические свойства твердого диэлектрика влияют меньше (рис. 23.7), так как в неоднородном поле воздействие пленки влаги на форму электрического поля не столь заметно.  [c.547]Удельное поверхностное сопротивление. Под удельным поверхностным сопротивлением понимают (ГОСТ 21515—76) поверхностное сопротивление плоского участка поверхности твердого диэлектрика в форме квадрата при протекании электрического тока между двумя противоположными сторонами этого квадрата. В простейшем случае, когда электроды представляют собой две токопроводящие параллельные полоски на образце (рис. 1-2), поверхностное сопротивление 7 пропорционально зазору р между электродами и обратно пропорционально их длине а  [c. 19]

При испытании твердых диэлектриков обычно наносят электроды на образцы, что представляет собой трудоемкий процесс. Результаты измерений зависят зачастую от материала электрода и способа его нанесения, особенно для пленочных образцов. Нередко посторонние включения между электродом и диэлектриком или прослойки между ними (вазелин, масло) могут явиться источником значительных погрешностей.  [c.86]

Электроды для испытаний твердых диэлектриков должны удовлетворять общим требованиям (см. 1-2). При определении р могут применяться массивные металлические электроды, пленочные (осажденные путем распыления или вжигания) и графитовые. Во всех случаях необходимо обеспечить хороший контакт электрода с испытуемым образцом. Материалы некоторых применяемых электродов и способы создания контактов с образцом указаны в табл. 5-1 (по ГОСТ 6433.3—71).  [c.101]

Электропроводность твердых диэлектриков  [c.98]

Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков, как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному закону  [c. 98]

Благодаря неизбежному увлажнению, окислению, загрязнению и т. п. поверхностных слоев электрической изоляции у твердых диэлектриков создается заметная поверхностная электропроводность, поэтому твердый диэлектрик характеризуется значением удельного поверхностного сопротивления р,.  [c.103]

Формальное определение р, вытекает из следующих соображений поверхностное сопротивление участка поверхности твердого диэлектрика  [c.103]

Если пробой произошел в газообразном или жидком диэлектрике, то в силу подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свои первоначальные свойства и величину U , (но при условии, что мощность и длительность электрической дуги не были столь значительными, чтобы вызвать существенные изменения диэлектрика во всем его объеме). После пробоя твердого диэлектрика в нем остается след в виде пробитого (откуда и название пробой ), прожженного или проплавленного отверстия чаще всего неправильной формы. Если вновь подать напряжение, то пробой, как правило, происходит по пробитому ранее месту при значительно пониженном напряжении. В ряде случаев после пробоя остаются проводящие продукты разложения и диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Связанное с образованием проводящих следов ( треков ) повреждение поверхности твердого диэлектрика поверхностным пробоем называют трекингом.  [c.115]

Из изложенного следует, что пробой газов – явление электрическое. Поэтому все численные результаты экспериментов по пробою газов относятся к максимальным (амплитудным) значениям напряжения. Поскольку в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков существенную роль играют тепловые процессы, то при приложении к диэлектрикам переменного напряжения численные значения пробивного напряжения относятся к действующим.  [c.117]


Пробой твердых диэлектриков  [c.123]

Физическая картина пробоя твердых диэлектриков в разных случаях может быть весьма различна. Наряду с ионизационными процессами к пробою могут приводить вторичные процессы, обусловленные сильным электрическим полем нагрев, химические реакции, частичные разряды, механические напряжения а результате электрострикции, образование объемных зарядов на границах неоднородностей и т.п. Поэтому различают несколько механизмов пробоя твердых диэлектриков непосредственно под действием электрического поля.  [c.123]

В твердых диэлектриках ионный ток переносится слабосвязанными ионами. Предположим, что концентрация таких ионов равна Ло- Перемещение иона из одного положения равновесия в другое может произойти только тогда, когда будут преодолены силы, связывающие его с соседними частицами. Другими словами, ион должен преодолеть энергетический барьер Ео. В(фоятность такого перехода при тепловом хаотическом движении пропорциональна фактору Больцмана ехр [—Ео/ к-в,Т).  [c.274]

В твердых диэлектриках, имеющих определенного рода дефекты, возможна электронная поляризация, обусловленная тепловым движением. Механизм такой поляризации рассмотрим на примере кристалла ТЮа (рутил), содержащего анионные вакансии. Двухмерная модель структуры Т1О2 с анионной вакансией изображена на рис. 8.7.  [c.288]

Другим примером искусственной анизотропии является анизотропия, возникающая в веществе под влиянием внещнего электрического поля. Этот вид анизотропии был открыт в 1875 г. Керром и носит название эффекта Керра. Вначале двойное лучепреломление в электрическом поле было обнаружено в твердых диэлектриках при помещении их между пластинками заряженного конденсатора. Однако было сомнение в том, что электрическое поле в данном случае играет косвенную роль и двойное лучепреломление появляется в результате механической деформации, вызванной полем (явление электрострикции >). Непосредственное влияние электрического поля было установлено после того, как явление двойного лучепреломления было обнаружено в жидкостях, в которых статическое сжатие не вызывает оптической анизотропии. Впоследствии (1930) двойное лучепреломление под действием электрического поля было найдено в парах и газах. Хотя эти измерения гораздо сложнее, чем измерения в жидкостях, поскольку эффект мал, однако теория эффекта Керра применима к ним с меньщнми допущениями.  [c.65]

Фотолюминесценция — люминесценция, возникающая при возбуждении светом видимого и ультрафиолетового диапазонов частот фотовоэбуждение). На практике фотовозбуждение используется для получения люминесценции жидких растворов, стекол, твердых диэлектриков и полупроводников. При этом роль центров люминесценции играют специально вводимые в основное вещество ионы или молекулы. Так, например, в твердые диэлектрики и стекла вводят в виде небольших примесей ионы неодима (Nd +) и других редкоземельных элементов. В жидкие растворители вводят, в частности, молекулы органических красителей.  [c.184]

Теплопроводность кристаллов (экспериментальные данные) ). Эйкеп [25] измерил теплопроводность нескольких твердых диэлектриков до температур жидкого кислорода, а в нескольких случаях до температур жидкого водорода. Он нашел, что теплопроводность х кристаллов в обш ем случае, в согласии с формулой (9.7), меняется как и что теплопроводность больше для тех кристаллов, у которых дебаевская температура в больше.  [c.249]

Тепловое сопротивление, обусловленное рассеянием на границах. Это явление впервые наблюдалось де-Хаазом и Бпрмасом [30] в случае крупных кристаллов кварца, алмаза и КС1 при гелиевых температурах. Потом оно было обнаружено у всех твердых диэлектриков, исследовавшихся при этих температурах.  [c.250]

Выше 0,6° к теплопроводность возрастает более резко и оказывается зависящей от градиента температуры. В общем явление здесь протекает так же, как это описывалось в предыдущем пункте. Это возрастание теплопроводности соответствует росту теплоемкости, наблюдаемому при той же температуре, и, очевидно, происходит вследствие поя1 ления возбуждений, отличных от фононного. Ниже 0,6° К теплопроводность не зависит от градиента температур и соответствует изменению теплоемкости с температурой. Различие теплопроводности для двух капилляров с разными диаметрами связано, по-видимому, е неодинаковой средней длиной пробега фонона, являющейся величиной порядка диаметра. Этот эффект вызван, таким образом, рассеянием фононов на границах образца он наблюдался также па твердых диэлектриках при низких температурах. Результаты опытов, по-видимому, согласуются с теорией Ландау и Халатникова в том, что средняя длина свободного пробега, сильно влияющая па вязкость и теплопроводность, при низких температурах становится очень большой. Это замечание оказывается существенным и при изучении поведения второго звука при самых низких температурах, которое будет рассмотрено в следующем разделе.  [c.848]

К замедленным видам относится ионно-релаксацион-пая поляризация, происходящая в неорганических стеклах и кристаллах с неплотной упаковкой ионов, и миграционная, свойственная твердым диэлектрикам при наличии макроскопических неоднородностей.  [c.544]

Разряд в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика называют поверхностным разрядом или поверхностным перекрытием. Внесение твердого диэлектрика в воздушный промежуток существенно снижает его разрядное напряжение, даже если цилиндрический образец поместить между параллельными пластинами, создающими в промежутке однородное поле. Хотя в этом случае образующие цилиндра совпадают с направлением силовых линий электрического поля и поэтому поле, казалось бы, должно оставаться однородным, разряд всегда развивается в воздухе вдоль поверхности твердого диэлектрика при более низком напряжении, чем в чисто воздушном промежутке без цилиндра из твердого диэлектрика. На рис. 23.6 приведены зависимости напряжения поверхностного разряда в воздухе вдоль изоляционных цилиндров из различных твердых диэлектриков при частоте 50 Гц от высоты цилиндра (длины разрядного промежутка). Снижение разрядного напряжения обусловлено нарушением однородности электрического поля, так как пленка влаги на поверхности диэлектрического цилиндра имеет неодинаковую толщину в различных участах вдоль длины образца, в результате чего напряжение вдоль цилиндра распределяется неравномерно. Поэтому гидрофобный (несмачивающийся) парафин в меньшей степени снижает разрядное напряжение по сравнению с чисто воздушным промежутком, чем гидрофильный (смачивающийся) фарфор или стекло. При  [c.547]


Оэпротивление изоляции Яиз определяют на плоских, трубчатых, цилиндрических и стержневых образцах толщиной 1—50 мм с двумя сквозными отверстиями для электродов диаметром 5 мм (рис. 1-5), Отверстия после сверления обрабатывают разверткой с конусностью 1 50. Расстояние А между центрами отверстий должно быть (15 1) или (25 1) мм. Образцы не должны быть покороблены, не должны иметь трещин, сколов, вмятин, заусенцев и загрязнений. Поверхности образцов после механической обработки должны быть гладкими, без выбоин и царапин. Электроды для испытания твердых диэлектриков должны удовлетворять следующим основным требованиям  [c.20]

В тех случаях, когда ячейка двухзажимная или требуется получить значение е с повышенной точностью, необходимо из результатов обоих измерений исключить паразитную емкость С , обусловленную наличием твердого диэлектрика, пустот и емкости зажимов. Для определения паразитной емкости ячейку заполняют калибровочной жидкостью, значение е, которой должно быть известно с достаточной точностью, а значение tg б весьма мало. В качестве калибровочной жидкости стандартом рекомендуется применять нормальный эталонный гептан Н, обработанный перед испытанием силикагелем в целях удаления влаги и продуктов окисления. Обработанный [opмaлы ый гептан имеет в диапазоне температур 20—30 °С = 1,92. Измеряют значения емкости Сц пустой ячейки  [c.60]

Краевую емкость находят путем гра4юаналитических расчетов, исходя из геометрических размеров образца и электродов. Формулы для расчета приведены в 4-7. При испытаниях образцов твердых диэлектриков в форме трубок или при испытаниях жидких диэлектриков в цилиндрической измерительной ячейке можно исключить краевую емкость следующим образом. Емкость измеряют дважды при электродах различной длины. Вначале находят емкость С х при длине электрода 1, а затем емкость С х2 при длине электрода /а-Очевидно, что краевая емкость при первом и втором измерениях будет неизменной, а собственные емкости образцов С , и различные. Можно записать следующие равенства  [c.62]

Образцы твердых диэлектриков, применяемые при измерениях е и tg б в диапазоне частот 100—5-10 Гц имеют форму круглых или квадратных пластин или трубок. Диаметр или ширина пластины должны быть 25—150 мм, а длина трубчатого образца 100—300 мм. Отношение диаметра образца к его толщине должно быть не менееЮ. При большой диэлектрической проницаемости материала (е>30) допускается применять образцы меньшего диаметра, но не менее 10 мм.  [c.63]

Измерение / р производят с помощью испытательных установок (рис. 5-7), содержащих устройство 1 для плавного регулирования напряжения, испытательный трансформатор 2 для. повышения напряжения, камеру 5, в которую помещается испытуемый образец 3 с электродами, и другие элементы. Регулирование найря-жения должно быть плавным, так чтобы изменения (скачки) его не превышали 0,005 номинального напряжения трансформатора. Рекомендуется повышать- напряжение автоматически. Мощность испытательной установки должна быть достаточной для того, чтобы установившийся ток короткого замыкания (действующий на стороне высокого напряжения был не менее 40 мА при испытаниях твердых диэлектриков и не менее 20 мА, при испытаниях жидких диэлектриков. Первичная цепь трансформатора снабжается выключателем 6, автоматически срабатывающим при пробое образца, и сигнальной лампочкой 4.  [c.104]

Развитие таких процессов возможно как при низких напряжениях и больших плотностях токов, так и при высоких напряжениях и малых плотностях токов утечки по поверхности. В первом случае основную роль играют тепловые процессы, во втором — эрозионные и химические. И в том, и в другом случае происходят необратимые ухудшения свойств изоляционного материала в слое, прилегающем к поверхности, появляются токопроводящие низкоомные каналы—треки, развиваются недопустимо большие токи утечки вдоль треков. Процесс образования под воздействием электрического поля электропроводящих каналов (треков) на поверхности твердого диэлектрика называют трекингом, а способность диэлектрика выдерживать воздействие поверхностных пробоев без трекинга — трекингостойкостью.[c.124]

Механизмы пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков имеют сзтцественные различия.  [c.116]


Диэлектрические материалы | Основы | Руководство по конденсаторам

Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы по существу являются изоляторами, что означает, что ток не будет течь через материал при приложении напряжения. Однако определенные изменения происходят на атомном уровне. Когда к диэлектрическому объекту прикладывается напряжение, он поляризуется. Поскольку атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, поляризация — это эффект, который слегка смещает электроны в сторону положительного напряжения.Они не распространяются достаточно далеко, чтобы создать ток через материал – сдвиг микроскопический, но имеет очень важный эффект, особенно при работе с конденсаторами. Как только источник напряжения удаляется из материала, он либо возвращается в исходное неполяризованное состояние, либо остается поляризованным, если молекулярные связи в материале слабые. Разница между терминами диэлектрик и изолятор не очень четко определена. Все диэлектрические материалы являются изоляторами, но хорошим диэлектриком является тот, который легко поляризуется.

Величина поляризации, возникающая при приложении к объекту определенного напряжения, влияет на количество электрической энергии, хранящейся в электрическом поле. Это описывается диэлектрической проницаемостью материала. Диэлектрическая проницаемость — не единственное свойство диэлектрических материалов. Другие свойства, такие как диэлектрическая прочность и диэлектрические потери, одинаково важны при выборе материалов для конденсатора в данном приложении.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость материала, также называемая диэлектрической проницаемостью материала, представляет собой способность материала концентрировать электростатические линии потока.В более практическом плане это способность материала накапливать электрическую энергию в присутствии электрического поля. Все материалы, включая вакуум, накапливают энергию, если их поместить в электрическое поле. Диэлектрическая проницаемость вакуума определяется как физическая константа ε 0 , которая приблизительно равна ε 0 = 8,854 x 10-12 фарад на метр. Эта константа появляется во многих формулах электромагнетизма.

Поскольку большинство конденсаторов не сделаны из вакуума, имеет смысл определить диэлектрическую проницаемость для каждого материала.Диэлектрическая проницаемость материала определяется как ε=ε r ε 0 , где ε — абсолютная диэлектрическая проницаемость, а er — относительная диэлектрическая проницаемость. ε r — это число, которое всегда больше 1, что означает, что все материалы накапливают больше энергии, чем свободное пространство, когда подвергаются воздействию электрического поля. Это свойство очень полезно в конденсаторах, и мы объясним это далее в этой статье. Следует отметить, что относительная диэлектрическая проницаемость зависит от многих факторов, таких как температура, давление и даже частота, поэтому в некоторых приложениях предпочтение отдается материалам с более стабильной диэлектрической проницаемостью.

Различные материалы имеют разные значения относительной диэлектрической проницаемости. Здесь мы приводим список материалов, обычно используемых в конденсаторах, вместе с их значениями er на частоте 1 кГц при комнатной температуре, который можно использовать в качестве быстрого справочника и показывает широкий диапазон значений, встречающихся на практике:

Материал е р
Вакуум 1
Вода 30-88 (в зависимости от температуры)
Стекло 3.7-10
ПТФЭ (тефлон) 2.1
Полиэтилен (ПЭ) 2,25
Полиимид 3.4
Полипропилен 2,2-2,36
Полистирол 2,4-2,7
Диоксид титана 86-173
Титанат стронция 310
Титанат бария-стронция 500
Титанат бария 1250 – 10 000 (в зависимости от температуры)
Сопряженные полимеры 1. 8 до 100 000 (в зависимости от типа)
Титанат меди кальция >250 000

Диэлектрическая прочность

К сожалению, существует ограничение на напряжение, которое изолятор может выдержать, прежде чем проводить электричество. Все материалы имеют верхний предел напряжения, называемый напряжением пробоя. Хорошим примером этого является воздух. Он считается изолятором, но при определенных обстоятельствах через него может протекать ток. Именно это и происходит во время удара молнии.После превышения напряженности поля пробоя воздух ионизируется (электроны отрываются от ядра атома) и начинают двигаться под действием электрического поля, создавая электрический ток. Очень важно не превышать максимальное номинальное напряжение конденсатора во избежание повреждения или даже полного разрушения. Диэлектрическая прочность воздуха составляет примерно 3 мегавольта на метр. Для сравнения, диэлектрическая прочность слюды составляет примерно 120 МВ/м. Выбор диэлектрического материала очень важен в некоторых приложениях, где ожидаются высокие напряжения или когда толщина диэлектрика очень мала.

Диэлектрические потери

Термин диэлектрические потери относится к энергии, которая теряется при нагреве объекта, изготовленного из диэлектрического материала, если к нему приложено переменное напряжение. Эти потери происходят потому, что по мере того, как материал меняет поляризацию, крошечные сдвиги электронов можно рассматривать как крошечный поток переменного тока. Различные материалы имеют разные потери на разных частотах, и эту характеристику необходимо учитывать в некоторых высокочастотных приложениях.

Применение диэлектрических материалов для конденсаторов

Чтобы понять влияние диэлектрика на конденсатор, давайте сначала быстро рассмотрим известную формулу емкости плоского конденсатора:

, где C — емкость, ε r — относительная диэлектрическая проницаемость материала, ε 0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, A — площадь пластин, а d — расстояние между пластинами. Становится ясно, что чем больше ε r , тем больше становится результирующая емкость. Например, воздух как материал имеет относительную диэлектрическую проницаемость приблизительно 1, что означает, что он действует так, как если бы пластины конденсатора были помещены в вакуум. С другой стороны, некоторые полимеры могут иметь относительную диэлектрическую проницаемость до 100 000! Используя такие материалы, можно добиться той же емкости в гораздо меньшем объеме, что открывает возможности для миниатюризации.

Теперь давайте посмотрим на диэлектрическую прочность.Рассмотрим воздушный конденсатор с расстоянием между электродами 0,1 мм. Диэлектрическая прочность воздуха составляет 3 мегавольта на метр. Это означает, что максимальное напряжение, которое можно приложить к конденсатору в этом примере, составляет 300 вольт в идеальных условиях. Чем меньше конденсатор, тем ниже максимально допустимое напряжение. Все конденсаторы имеют максимальное номинальное напряжение, которое зависит от используемых материалов, и превышение этих номинальных значений может повредить или разрушить конденсатор.

Молекулярная модель диэлектрика – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объяснить поляризацию диэлектрика в однородном электрическом поле
  • Опишите влияние поляризованного диэлектрика на электрическое поле между обкладками конденсатора
  • Объясните пробой диэлектрика

Мы можем понять влияние диэлектрика на емкость, рассмотрев его поведение на молекулярном уровне.Как мы видели в предыдущих главах, в целом все молекулы можно классифицировать как полярные или неполярные . В изолированной полярной молекуле существует чистое разделение положительных и отрицательных зарядов, тогда как в изолированной неполярной молекуле разделения зарядов нет ((рисунок)). Другими словами, полярные молекулы имеют постоянные электрические дипольные моменты , а неполярные молекулы — нет. Например, молекула воды полярна, а молекула кислорода неполярна.Неполярные молекулы могут стать полярными в присутствии внешнего электрического поля, что называется индуцированной поляризацией .

Концепция поляризации: в неполяризованном атоме или молекуле отрицательно заряженное электронное облако равномерно распределено вокруг положительно заряженных центров, тогда как поляризованный атом или молекула имеет избыток отрицательного заряда на одной стороне, так что другая сторона имеет избыток положительный заряд. Однако вся система остается электрически нейтральной.Поляризация заряда может быть вызвана внешним электрическим полем. Некоторые молекулы и атомы постоянно поляризованы (электрические диполи) даже в отсутствие внешнего электрического поля (полярные молекулы и атомы).

Давайте сначала рассмотрим диэлектрик, состоящий из полярных молекул. В отсутствие какого-либо внешнего электрического поля электрические диполи ориентированы случайным образом, как показано на (рис. ) (а). Однако если диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, полярные молекулы выровняются с внешним полем, как показано в части (b) рисунка.Противоположные заряды на соседних диполях в объеме диэлектрика нейтрализуют друг друга, поэтому в диэлектрике нет суммарного заряда (см. пунктирные кружки в части (b)). Однако это не так близко к верхней и нижней поверхностям, граничащим с диэлектриком (область, обведенная пунктирными прямоугольниками в части (b)), где выравнивание создает суммарный заряд. Поскольку внешнее электрическое поле просто выравнивает диполи, диэлектрик в целом нейтрален, а поверхностные заряды, индуцированные на его противоположных сторонах, равны и противоположны.Эти индуцированные поверхностные заряды создают дополнительное электрическое поле (индуцированное электрическое поле), которое противодействует внешнему полю, как показано в части (с).

Диэлектрик с полярными молекулами: а) в отсутствие внешнего электрического поля; б) при наличии внешнего электрического поля. Штриховыми линиями обозначены области, непосредственно примыкающие к обкладкам конденсатора. (c) Индуцированное электрическое поле внутри диэлектрика, создаваемое индуцированным поверхностным зарядом диэлектрика.Обратите внимание, что в действительности отдельные молекулы не идеально выровнены с внешним полем из-за тепловых флуктуаций; однако, среднее выравнивание проходит вдоль линий поля, как показано.

Тот же эффект возникает, когда молекулы диэлектрика неполярны. В этом случае неполярная молекула приобретает наведенный электродипольный момент, так как внешнее поле вызывает разделение ее положительных и отрицательных зарядов. Индуцированные диполи неполярных молекул выравниваются так же, как выравниваются постоянные диполи полярных молекул (показано в части (b)).Следовательно, электрическое поле внутри диэлектрика ослабевает независимо от того, полярны его молекулы или неполярны.

Следовательно, когда область между параллельными пластинами заряженного конденсатора, такая как показанная на (Рисунок)(а), заполнена диэлектриком, внутри диэлектрика возникает электрическое поле из-за свободного заряда на пластины конденсатора и электрическое поле из-за индуцированного заряда на поверхности диэлектрика. Их векторная сумма дает чистое электрическое поле в диэлектрике между обкладками конденсатора (показано в части (b) рисунка):

Это чистое поле можно считать полем, создаваемым эффективным зарядом конденсатора.

Электрическое поле: (а) В пустом конденсаторе электрическое поле . (б) В конденсаторе с диэлектриком электрическое поле .

В большинстве диэлектриков результирующее электрическое поле пропорционально полю, создаваемому свободным зарядом. С точки зрения этих двух электрических полей диэлектрическая проницаемость материала определяется как

Так как и указывают в противоположных направлениях, величина E меньше, чем величина и, следовательно, объединение (Рисунок) с (Рисунок) и перестановка членов дает следующее выражение для индуцированного электрического поля в диэлектрике:

Когда величина внешнего электрического поля становится слишком большой, молекулы диэлектрического материала начинают ионизироваться. Молекула или атом ионизируется, когда один или несколько электронов удаляются из него и становятся свободными электронами, более не связанными с молекулярной или атомной структурой. Когда это происходит, материал может проводить ток, что позволяет заряду проходить через диэлектрик от одной обкладки конденсатора к другой. Это явление называется пробоем диэлектрика. ((На рисунке) показаны типичные случайные схемы электрического разряда при пробое диэлектрика.) Критическое значение электрического поля, при котором молекулы изолятора становятся ионизированными, называется диэлектрической прочностью материала.Диэлектрическая прочность накладывает ограничение на напряжение, которое может быть приложено для данного разделения пластин в конденсаторе. Например, диэлектрическая прочность воздуха равна , поэтому для заполненного воздухом конденсатора с разделением пластин предел разности потенциалов, которую можно безопасно приложить к его пластинам, не вызывая пробоя диэлектрика, равен .

Однако этот предел становится равным 60,0 кВ, если тот же конденсатор заполнен тефлоном™, диэлектрическая прочность которого составляет около Из-за этого ограничения, налагаемого диэлектрической прочностью, количество заряда, которое может хранить конденсатор, заполненный воздухом, составляет всего 1, а заряд, хранящийся на том же конденсаторе, заполненном Teflon™, может достигать

, что примерно в 42 раза превышает заряд, хранящийся в воздушном конденсаторе. Типичные значения диэлектрической проницаемости и диэлектрической прочности для различных материалов приведены на (рис.). Обратите внимание, что диэлектрическая проницаемость точно равна 1,0 для вакуума (пустое пространство служит эталонным условием) и очень близка к 1,0 для воздуха при нормальных условиях (нормальное давление при комнатной температуре). Эти два значения настолько близки, что фактически свойства заполненного воздухом конденсатора практически такие же, как и у пустого конденсатора.

Under column 2 are the values: 1, 1.00059, 2.1, 2.3, 2.5, 2.56, 3.4, 3.7, 3.78, 4 to 6, 4.5, 4.9, 5.5, 5.6, 6.0, 6.7, 80, 84 to 100, 86 to 173, 310, 1,200 to 10,000, greater than 250,000. Under column 3 are the values: infinity, 3.0, 60 to 173, 11, 10 to 15, 19.7, 14, 16, 8, 9.8 to 13.8, not applicable, 24, 2,000, 14, 118, 15.7 to 26.7, not applicable, not applicable, not applicable, 8, not applicable, not applicable.”>
Репрезентативные значения диэлектрической проницаемости и диэлектрической прочности различных материалов при комнатной температуре
Материал Диэлектрическая проницаемость Диэлектрическая прочность
Вакуум 1
Сухой воздух (1 атм) 1. 00059 3,0
Тефлон™ 2.1 от 60 до 173
Парафин 2,3 11
Силиконовое масло 2,5 от 10 до 15
Полистирол 2,56 19,7
Нейлон 3,4 14
Бумага 3,7 16
Плавленый кварц 3. 78 8
Стекло от 4 до 6 от 9,8 до 13,8
Бетон 4,5
Бакелит 4,9 24
Алмаз 5,5 2000
Стекло пирекс 5,6 14
Слюда 6,0 118
Неопреновый каучук 6. 7 от 15,7 до 26,7
Вода 80
Серная кислота от 84 до 100
Диоксид титана от 86 до 173
Титанат стронция 310 8
Титанат бария от 1 200 до 10 000
Титанат меди кальция > 250 000

Не все вещества, перечисленные в таблице, являются хорошими изоляторами, несмотря на их высокие диэлектрические постоянные. Вода, например, состоит из полярных молекул и имеет большую диэлектрическую проницаемость около 80. В молекуле воды электроны с большей вероятностью находятся вокруг ядра кислорода, чем вокруг ядра водорода. Это делает кислородный конец молекулы слегка отрицательным, а водородный конец оставляет слегка положительным, что позволяет легко выровнять молекулу вдоль внешнего электрического поля, и, таким образом, вода имеет большую диэлектрическую проницаемость. Однако полярная природа молекул воды также делает воду хорошим растворителем для многих веществ, что приводит к нежелательным эффектам, поскольку любая концентрация свободных ионов в воде проводит электричество.

Вставка диэлектрика в конденсатор, подключенный к батарее Когда батарея напряжения подключена к пустому конденсатору емкостью , заряд на его пластинах равен , а электрическое поле между его пластинами равно . Между пластинами вставлен диэлектрик с диэлектрической проницаемостью, а батарея остается на месте , как показано на (рис. ). а) Найдите емкость C , напряжение В на конденсаторе и электрическое поле E между пластинами после введения диэлектрика.(б) Получите выражение для свободного заряда Q на обкладках заполненного конденсатора и индуцированного заряда на поверхности диэлектрика через исходный заряд обкладки .

В заряженный конденсатор вставлен диэлектрик, в то время как конденсатор остается подключенным к батарее.

Стратегия Идентифицируем известные значения: , ,, и . Наша задача состоит в том, чтобы выразить неизвестные значения через эти известные значения.

Решение а) Емкость заполненного конденсатора равна .Так как батарея всегда соединена с пластинами конденсатора, разность потенциалов между ними не меняется; следовательно, . Из-за этого электрическое поле в заполненном конденсаторе такое же, как поле в пустом конденсаторе, так что мы можем напрямую получить, что

(b) Для заполненного конденсатора свободный заряд на обкладках равен

Электрическое поле E в заполненном конденсаторе обусловлено эффективным зарядом ((Рисунок)(b)). Так как у нас есть

Решая это уравнение для , получаем для индуцированного заряда

Значение Обратите внимание, что для материалов с диэлектрической проницаемостью больше 2 (см. (Рисунок)), индуцированный заряд на поверхности диэлектрика больше, чем заряд на пластинах вакуумного конденсатора.Противоположное верно для таких газов, как воздух, диэлектрическая проницаемость которых меньше 2,

.

Проверьте свое понимание Продолжая (рисунок), покажите, что, когда батарея соединена поперек пластин, энергия, накопленная в конденсаторе с диэлектриком (больше, чем энергия пустого конденсатора, поддерживаемого тем же напряжением). Сравните этот результат с результатом, полученным ранее для изолированного заряженного конденсатора.

Проверьте свое понимание Повторите расчеты (рисунок) для случая, когда батарея остается подключенной, а диэлектрик находится в конденсаторе.

Резюме

  • Когда диэлектрик вставлен между пластинами конденсатора, на двух сторонах диэлектрика индуцируется одинаковый и противоположный поверхностный заряд. Индуцированный поверхностный заряд создает индуцированное электрическое поле, противодействующее полю свободного заряда на обкладках конденсатора.
  • Диэлектрическая проницаемость материала представляет собой отношение электрического поля в вакууме к суммарному электрическому полю в материале. Конденсатор, заполненный диэлектриком, имеет большую емкость, чем пустой конденсатор.
  • Диэлектрическая прочность изолятора представляет собой критическую величину электрического поля, при которой молекулы изоляционного материала начинают ионизироваться. Когда это происходит, материал может проводить ток и наблюдается пробой диэлектрика.

Концептуальные вопросы

Различают диэлектрическую прочность и диэлектрическую проницаемость.

Диэлектрическая прочность – это критическое значение электрического поля, выше которого изолятор начинает проводить ток; диэлектрическая проницаемость – это отношение электрического поля в вакууме к чистому электрическому полю в материале.

Вода является хорошим растворителем, так как имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Объяснять.

Вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Объясните, почему его тогда не используют в качестве диэлектрического материала в конденсаторах.

Объясните, почему на молекулы в диэлектрическом материале действуют результирующие силы в неоднородном электрическом поле, но не в однородном поле.

Объясните, почему диэлектрическая проницаемость вещества, содержащего постоянные молекулярные электрические диполи, уменьшается с повышением температуры.

Когда энергия теплового движения велика (высокая температура), электрическое поле также должно быть большим, чтобы удерживать электрические диполи на одной линии с ним.

Объясните, почему диэлектрический материал увеличивает емкость по сравнению с тем, что было бы с воздухом между пластинами конденсатора. Каким образом диэлектрический материал позволяет прикладывать к конденсатору большее напряжение? (Таким образом, диэлектрик увеличивает C и допускает большее В . )

Расскажите о том, как полярный характер молекул воды помогает объяснить относительно большую диэлектрическую проницаемость воды.

Искры будут возникать между пластинами воздушного конденсатора при более низком напряжении, когда воздух влажный, чем когда он сухой. Обсудите почему, учитывая полярный характер молекул воды.

Проблемы

Две плоские пластины, содержащие одинаковые и противоположные заряды, разделены материалом толщиной 4,0 мм с диэлектрической проницаемостью 5,0. Если электрическое поле в диэлектрике равно 1,5 МВ/м, какова (а) плотность заряда на обкладках конденсатора и (б) плотность индуцированного заряда на поверхности диэлектрика?

Для конденсатора с параллельными пластинами, заполненными Teflon™, площадь пластины и расстояние между пластинами равно 0.50 мм. Если конденсатор подключен к батарее напряжением 200 В, найти: а) свободный заряд на обкладках конденсатора, б) напряженность электрического поля в диэлектрике и в) индуцированный заряд на поверхности диэлектрика.

а. 37 нКл; б. 0,4 МВ/м; в. 19 нК

Найдите емкость конденсатора с плоскими пластинами, пластины которого имеют площадь поверхности 0,100 мм и разделены тефлоновым покрытием.

а) Какова емкость плоского конденсатора с пластинами, площадь которых разделена на 0.0200 мм неопреновой резины? б) Какой заряд он имеет при приложении к нему напряжения 9,00 В?

а. ; б.

Две параллельные пластины имеют одинаковые и противоположные заряды. Когда пространство между пластинами вакуумировано, электрическое поле равно . Когда пространство заполнено диэлектриком, электрическое поле равно . а) Какова поверхностная плотность заряда на каждой поверхности диэлектрика? б) Что такое диэлектрическая проницаемость?

Диэлектрик, используемый в конденсаторе с плоскими пластинами, имеет диэлектрическую проницаемость 3.60 и диэлектрической прочности . Конденсатор должен иметь емкость 1,25 нФ и выдерживать максимальную разность потенциалов 5,5 кВ. Какова минимальная площадь пластин конденсатора?

Когда воздушный конденсатор емкостью 360 нФ подключен к источнику питания, энергия, накопленная в конденсаторе, составляет . Пока конденсатор подключен к источнику питания, в него вставляется пластинка диэлектрика, полностью заполняющая пространство между пластинами. Это увеличивает накопленную энергию на .а) Чему равна разность потенциалов между обкладками конденсатора? б) Чему равна диэлектрическая проницаемость пластины?

Конденсатор с плоскими пластинами имеет квадратные пластины со стороной 8,00 см с каждой стороны и расстоянием между ними 3,80 мм. Пространство между пластинами полностью заполнено двумя квадратными пластинами диэлектрика со стороной 8,00 см каждая и толщиной 1,90 мм. Одна плита из стекла Pyrex, а другая плита из полистирола. Если разность потенциалов между пластинами равна 86,0 В, найдите, какое количество электроэнергии может запастись в этом конденсаторе.

Дополнительные проблемы

Конденсатор состоит из двух плоских параллельных пластин, расположенных на расстоянии 0,40 мм друг от друга. Когда на пластины помещен заряд , разность потенциалов между ними составляет 250 В. а) Какова емкость пластин? б) Чему равна площадь каждой тарелки? в) Чему равен заряд пластин, если разность потенциалов между ними равна 500 В? г) Какую максимальную разность потенциалов можно приложить между пластинами, чтобы величина электрического поля между пластинами не превышала 3.0 МВ/м?

Заполненный воздухом (пустой) конденсатор с плоскими пластинами состоит из двух квадратных пластин со стороной 25 см и расстоянием друг от друга 1,0 мм. Конденсатор подключен к батарее 50 В и полностью заряжен. Затем его отсоединяют от батареи, и его пластины раздвигаются на расстояние 2,00 мм. а) Какова емкость этого нового конденсатора? б) Чему равен заряд каждой пластины? в) Чему равно электрическое поле между пластинами?

а. 0,277 нФ; б. 27,7 нКл; в. 50 кВ/м

Землю можно рассматривать как сферический конденсатор с двумя пластинами, где отрицательная пластина — поверхность Земли, а положительная пластина — дно ионосферы, расположенное на высоте примерно 70 км. Разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой составляет около 350 000 В. а) Рассчитайте емкость этой системы. б) Найдите полный заряд этого конденсатора. в) Найдите энергию, запасенную в этой системе.

а. 0,065 Ф; б. 23000 С; в. 4,0 ГДж

Конденсатор и конденсатор подключены параллельно к линии питания 600 В. а) Найдите заряд каждого конденсатора и напряжение на каждом из них. (b) Заряженные конденсаторы отключены от линии и друг от друга.Затем они снова соединяются друг с другом клеммами разного знака вместе. Найдите окончательный заряд каждого конденсатора и напряжение на каждом из них.

Три конденсатора емкостью 8,40, 8,40 и 4,20 Ом соответственно соединены последовательно через разность потенциалов 36,0 В. а) Чему равен заряд конденсатора? (b) Конденсаторы отключены от разности потенциалов, не позволяя им разрядиться. Затем они снова соединяются параллельно друг с другом с положительно заряженными пластинами, соединенными вместе.Чему равно напряжение на каждом конденсаторе в параллельном соединении?

а. ; б. 10,8 В

Плоский конденсатор емкостью 12,0 В заряжается от батареи, после чего батарея отключается. Определить минимальную работу, необходимую для увеличения расстояния между пластинами в 3 раза.

(a) Сколько энергии хранится в электрических полях конденсаторов (всего), показанных ниже? б) Равна ли эта энергия работе, совершаемой источником 400 В при зарядке конденсаторов?

а.0,13 Дж; б. нет, из-за резистивного нагрева в соединительных проводах, который присутствует всегда, но на принципиальной схеме резисторы не указаны

Три конденсатора емкостью 8,4, 8,4 и 4,2 соединены последовательно через разность потенциалов 36,0 В. а) Какова общая энергия, накопленная во всех трех конденсаторах? (b) Конденсаторы отключены от разности потенциалов, не позволяя им разрядиться. Затем они снова соединяются параллельно друг с другом с положительно заряженными пластинами, соединенными вместе.Какова полная энергия, накопленная теперь в конденсаторах?

(a) Конденсатор подключен параллельно другому конденсатору, общая емкость которого равна . Какова емкость второго конденсатора? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения являются необоснованными или непоследовательными?

а. ; б. У вас не может быть отрицательной емкости. в. Предположение, что они были подключены параллельно, а не последовательно, неверно. Параллельное соединение всегда дает большую емкость, а здесь предполагалась меньшая емкость.Это может произойти только в том случае, если конденсаторы соединены последовательно.

(a) В определенный день для запуска двигателя грузовика требуется электроэнергия. Вычислите емкость конденсатора, способного хранить такое количество энергии при напряжении 12,0 В. (b) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны?

(a) Некоторый плоскопараллельный конденсатор имеет пластины площадью , разделенные нейлоновым расстоянием 0,0100 мм, и сохраняет заряд 0,170 Кл. Какое приложенное напряжение? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения ответственны или непоследовательны?

а. 14,2 кВ; б. Напряжение неоправданно велико, более чем в 100 раз превышает напряжение пробоя нейлона. в. Предполагаемый заряд неоправданно велик и не может храниться в конденсаторе таких размеров.

Шутник подает напряжение 450 В на конденсатор, а затем бросает его ничего не подозревающей жертве. Палец пострадавшего обожжен разрядом конденсатора через 0,200 г плоти. Прикиньте, каково повышение температуры тела? Разумно ли предположить, что никакого термодинамического фазового перехода не произошло?

Задачи-вызовы

Сферический конденсатор состоит из двух концентрических сферических проводящих сфер, разделенных вакуумом.Внутренняя сфера имеет радиус 12,5 см, а внешняя сфера имеет радиус 14,8 см. На конденсатор подается разность потенциалов 120 В. а) Какова емкость конденсатора? (b) Какова величина электрического поля сразу за пределами внутренней сферы? (c) Какова величина электрического поля при , только внутри внешней сферы? (d) Для конденсатора с плоскими пластинами электрическое поле однородно в области между пластинами, за исключением краев пластин. Верно ли это и для сферического конденсатора?

а.89,6 пФ; б. 6,09 кВ/м; в. 4,47 кВ/м; д. №

Сеть конденсаторов, показанная ниже, полностью разряжена, когда между точками A и B приложен потенциал 300 В при разомкнутом переключателе S. а) Чему равна разность потенциалов? б) Каков потенциал в точке Е после замыкания ключа? в) Какой заряд проходит через переключатель после его замыкания?

Электронные вспышки для камер содержат конденсатор для накопления энергии, используемой для создания вспышки.В одном из таких устройств вспышка длится 1/675 доли секунды при средней световой мощности 270 кВт. а) Если преобразование электрической энергии в свет происходит с эффективностью 95 % (поскольку остальная энергия переходит в тепловую энергию), сколько энергии необходимо запасти в конденсаторе для одной вспышки? (b) Конденсатор имеет разность потенциалов между его пластинами 125 В, когда накопленная энергия равна значению, сохраненному в части (а). Какова емкость?

Сферический конденсатор образован двумя концентрическими сферическими проводящими оболочками, разделенными вакуумом. Внутренняя сфера имеет радиус 12,5 см, а внешняя сфера имеет радиус 14,8 см. На конденсатор подается разность потенциалов 120 В. (а) Какова плотность энергии при , сразу за пределами внутренней сферы? (b) Какова плотность энергии при , только внутри внешней сферы? (в) Для конденсатора с плоскими пластинами плотность энергии одинакова в области между пластинами, за исключением краев пластин. Верно ли это и для сферического конденсатора?

Металлическая пластина толщиной t удерживается между двумя пластинами конденсатора пластиковыми штифтами, как показано ниже.Влияние прищепок на емкость незначительно. Площадь каждой пластины конденсатора и площадь верхней и нижней поверхностей вставленной пластины равны A . Какова емкость этой системы?

Конденсатор с плоскими пластинами заполнен двумя диэлектриками, как показано ниже. Когда площадь пластины х , а расстояние между пластинами d , покажите, что емкость равна

Конденсатор с плоскими пластинами заполнен двумя диэлектриками, как показано ниже. Покажите, что емкость равна

.

Конденсатор имеет параллельные пластины, площадь которых разделена на 2,0 мм. Пространство между плитами заполнено пенопластом. а) Найдите максимально допустимое напряжение на конденсаторе, чтобы избежать пробоя диэлектрика. (б) Когда напряжение равно значению, указанному в пункте (а), найдите поверхностную плотность заряда на поверхности диэлектрика.

Глоссарий

пробой диэлектрика
явление, возникающее, когда изолятор становится проводником в сильном электрическом поле
диэлектрическая прочность
критическая напряженность электрического поля, выше которой молекулы в изоляторе начинают разрушаться и изолятор начинает проводить
индуцированный электрический дипольный момент
дипольный момент, который может приобрести неполярная молекула, помещенная в электрическое поле
индуцированное электрическое поле
электрическое поле в диэлектрике из-за наличия индуцированных зарядов
индуцированные поверхностные заряды
зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика из-за его поляризации

Определение, единицы измерения, формула, значения пластика и список материалов

Что такое диэлектрическая проницаемость?


Диэлектрическая проницаемость (Dk) пластика, диэлектрика или изоляционного материала может быть определена как отношение заряда, накопленного в изоляционном материале, помещенном между двумя металлическими пластинами, к заряду, который может накапливаться при замене изоляционного материала вакуумом или воздухом. .Его также называют электрической диэлектрической проницаемостью или просто диэлектрической проницаемостью .

И иногда называют относительной диэлектрической проницаемостью , потому что она измеряется относительно диэлектрической проницаемости свободного пространства (ε 0 ).

Диэлектрическая проницаемость характеризует способность пластмасс накапливать электрическую энергию. Типичные значения ε для диэлектриков:

Материал Диэлектрическая проницаемость (ε)
Вакуум 1.000
Сухой воздух 1.0059
Вспененный полиэтилен 1,6
Фторполимеры 2,0
Полипропилен 2.1
Бутилкаучук 2,3
СБР 2,9
Силиконовый каучук 3,2
Оргстекло 3,4
ПВХ 4. 0
Стекло 3,8-14,5
Дистиллированная вода ~80

Диэлектрическая проницаемость 2 означает, что изолятор будет поглощать в два раза больше электрического заряда, чем вакуум.

Области применения включают:

  • Использование материалов в производстве конденсаторов, используемых в радиоприемниках и другом электрическом оборудовании. Обычно используется разработчиками схем для сравнения различных материалов печатных плат (PCB).
  • Разработка материалов для накопителей энергии применений.

Например, диэлектрические композиты на полимерной основе весьма желательны для различных применений, начиная от электронных корпусов , встроенных конденсаторов и заканчивая накопителями энергии. Эти композиты обладают высокой гибкостью при низкой температуре процесса и обладают относительно высокой диэлектрической проницаемостью, низкими диэлектрическими потерями и высокой диэлектрической прочностью.

Посмотреть больше на диэлектрической постоянной:

»Диэлектрические постоянные значения нескольких пластмасс
» Как рассчитать диэлектрическую постоянную пластик
»Диэлектрическая константа полярных и негазированных полимеров
» Факторы, влияющие на диэлектрическую проницаемость

Как рассчитать диэлектрическую проницаемость?


Другими словами, диэлектрическую проницаемость можно также определить как отношение емкости, индуцированной двумя металлическими пластинами с изолятором между ними, к емкости тех же пластин с воздухом или вакуумом между ними.

Изоляционный материал с более высокой диэлектрической проницаемостью необходим, когда он будет использоваться в Электротехнических устройствах , где требуется высокая емкость.
Если материал должен использоваться исключительно в изоляционных целях, лучше иметь более низкую диэлектрическую проницаемость.

Формула диэлектрической проницаемости :

Где:
  • C = емкость с использованием материала в качестве диэлектрического конденсатора
  • C 0 = емкость с использованием вакуума в качестве диэлектрика
  • ε 0 = Диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8.85 x 10 -12 Ф/м (т.е. фарад на метр)
  • A = площадь пластины/площадь поперечного сечения образца
  • T = толщина образца

Единицы диэлектрической постоянной : Это электрическое свойство является безразмерной мерой.

Наиболее часто используемыми стандартными тестами для расчета диэлектрической проницаемости пластмасс являются ASTM D2520, ASTM D150 или IEC 60250 (конечно, существует и несколько других методов, но они здесь не обсуждаются).

Метод включает:

Образец помещают между двумя металлическими пластинами и измеряют емкость.Второй проход измеряется без образца между двумя электродами. Отношение этих двух величин и есть диэлектрическая проницаемость.

  • Тест можно проводить на разных частотах, часто в диапазоне от 10 Гц до 2 МГц
  • Образец должен быть плоским и больше, чем круглые электроды диаметром 50 мм (2 дюйма), используемые для измерения.

Полярные пластмассы против неполярных пластмасс


Диэлектрические свойства полимеров во многом зависят от их строения.Структура определяет, является ли полимер полярным или неполярным, а это, в свою очередь, определяет электрические свойства полимера.
  • В полярных полимерах (ПММА, ПВХ, нейлон, поликарбонат и т. д.) диполи образуются из-за дисбаланса в распределении электронов. Эти диполи имеют тенденцию выравниваться в присутствии электрического поля. Следовательно, это создает дипольную поляризацию материала, что делает эти материалы лишь умеренно хорошими изоляторами.

  • В то время как неполярные полимеры (PTFE, PP, PE, PS) имеют симметричные молекулы и действительно ковалентны. В них нет полярных диполей и, следовательно, присутствие электрического поля не выравнивает диполи. Однако небольшая поляризация электронов происходит из-за движения электронов в направлении электрического поля, которое фактически мгновенно. Эти полимеры имеют высокое удельное сопротивление и низкую диэлектрическую проницаемость.

Полярные пластмассы имеют тенденцию поглощать влагу из атмосферы. Присутствие влаги повышает диэлектрическую проницаемость и снижает удельное сопротивление.С повышением температуры происходит более быстрое движение полимерных цепей и быстрое выравнивание диполей. Это неизменно повышает значения диэлектрической проницаемости для полярных пластиков.

Неполярные пластики не боятся влаги и повышения температуры.

Факторы, влияющие на диэлектрическую проницаемость


  • Частота — Диэлектрическая проницаемость резко уменьшается с увеличением частоты
  • Влажность и температура
  • Напряжение
  • Структура и морфология (см. полярные пластмассы в сравнении с неполярными пластмассами)
  • Наличие других материалов в пластике
  • Выветривание и износ

Значения диэлектрической проницаемости некоторых пластиков


Нажмите, чтобы найти полимер, который вы ищете:
A-C     | Э-М     | ПА-ПК     | ПЭ-ПЛ     | ПМ-ПП     | ПС-Х
Название полимера Минимальное значение Максимальное значение
АБС-акрилонитрил-бутадиен-стирол 2.70 3.20
Огнестойкий АБС-пластик 2,80 3.00
Высокотемпературный АБС-пластик 2.40 5.00
Ударопрочный АБС-пластик 2.40 5.00
Смесь АБС/ПК – смесь акрилонитрил-бутадиен-стирола/поликарбоната 2,90 3. 20
Смесь АБС/ПК 20 % стекловолокна 3.10 3.20
Смесь аморфных ТПИ, сверхвысокотемпературная, химическая стойкость (стандартная текучесть) 3,50 3,50
ASA – Акрилонитрил-стирол-акрилат 3.30 3,80
Смесь ASA/PC — смесь акрилонитрила, стиролакрилата и поликарбоната 3.00 3.40
Огнестойкий ASA/PC 3.20 3.20
CA – Ацетат целлюлозы 3.00 8.00
CAB – Бутират ацетата целлюлозы 3.00 7.00
CP – Пропионат целлюлозы 3.00 4.00
ХПВХ – хлорированный поливинилхлорид 3.00 6.00
ECTFE 2,57 2,59
ЭТФЭ – этилентетрафторэтилен 2,60 2. 60
ЭВА – этиленвинилацетат 2,50 3.00
EVOH – Этиленвиниловый спирт 4.80 5.60
ФЭП – фторированный этиленпропилен 2.10 2.10
HDPE — полиэтилен высокой плотности 2.30 2.30
Ударопрочный полистирол 2.40 4.80
Огнестойкий материал HIPS V0 2.00 3.00
LCP — жидкокристаллический полимер 3.30 3.30
LCP Армированный стекловолокном 3.00 4.00
LCP С минеральным наполнением 3.00 5.90
LDPE – полиэтилен низкой плотности 2.30 2.30
LLDPE — линейный полиэтилен низкой плотности 2.30 2.30
MABS – Прозрачный акрилонитрил-бутадиен-стирол 2,80 3. 00
PA 11 – (Полиамид 11) 30% армированный стекловолокном 4.80 4.80
PA 11, токопроводящий 3.00 9.00
PA 11, гибкий 3.00 9.00
Полиамид 11, жесткий 3.00 9.00
PA 12 (полиамид 12), токопроводящий 3.00 9.00
PA 12, армированный волокном 3.00 9.00
PA 12, гибкий 3.00 9.00
PA 12, стеклонаполненный 3.00 9.00
Полиамид 12, жесткий 3.00 9.00
ПА 46 – Полиамид 46 3.40 3,80
PA 46, 30% стекловолокно 4.00 4,60
ПА 6 – Полиамид 6 4.00 5.00
ПА 6-10 – Полиамид 6-10 3. 00 4.00
ПА 66 – полиамид 6-6 4.00 5.00
PA 66, 30% стекловолокно 3,50 5.60
PA 66, 30% минеральный наполнитель 4.00 5.00
PA 66, ударопрочный, 15-30% стекловолокна 3.40 4.20
PA 66, ударопрочный 2,90 5.00
ПАИ – полиамид-имид 3,90 7.30
ПАИ, 30 % стекловолокна 4.20 6.50
ПАР – Полиарилат 3.30 3.30
ПАРА (полиариламид), 30-60% стекловолокна 3.90 4,50
ПБТ – полибутилентерефталат 2,90 4.00
ПБТ, 30% стекловолокно 3.00 4.00
ПК (поликарбонат) 20-40% стекловолокна 3. 00 3,50
ПК (поликарбонат) 20-40% стекловолокно огнестойкое 3.00 3,80
Поликарбонат, высокотемпературный 2.80 3,80
Смесь ПК/ПБТ – Смесь поликарбоната/полибутилентерефталата 2,95 3.14
Смесь ПК/ПБТ, стеклонаполненный 3.30 3,90
ПХТФЭ – полимонохлортрифторэтилен 2.00 3.00
ПЭ – полиэтилен 30% стекловолокно 2,70 2,80
PEEK — Полиэфирэфиркетон 3.20 3.20
PEEK 30% Армированный углеродным волокном 3.20 3.40
PEEK 30% Армированный стекловолокном 3.30 4.20
ПЭИ – Полиэфиримид 3.10 3.20
ПЭИ, 30% армированный стекловолокном 3. 00 4.00
ПЭИ, наполненный минералами 3.00 4.00
PEKK (полиэфиркетонкетон), низкая степень кристалличности 3.30 3.30
ПЭСУ – Полиэфирсульфон 3,50 4.10
PESU 10-30% стекловолокно 4.20 4.30
ПЭТ – полиэтилентерефталат 3.00 4.00
ПЭТ, 30% армированный стекловолокном 3.00 4.00
PETG – полиэтилентерефталатгликоль 3.00 4.00
ПФА – перфторалкокси 2.10 2.10
ПИ – полиимид 3.10 3,55
ПММА – полиметилметакрилат/акрил 2.00 5.00
ПММА (акрил) Высокая температура 3.20 4.00
ПММА (акрил), ударопрочный 2. 90 3,70
ПМП – полиметилпентен 2.10 3,60
ПМП 30% армированный стекловолокном 2.40 2.40
PMP с минеральным наполнением 2.30 2.30
ПОМ – полиоксиметилен (ацеталь) 3.30 4.70
POM (ацеталь) Ударопрочный 4.00 4.30
ПОМ (ацеталь) с низким коэффициентом трения 3.00 4.00
ПП – полипропилен 10-20% стекловолокна 2,60 2,60
ПП, 10-40% минерального наполнителя 2.30 2.30
ПП, наполнитель 10-40% талька 2.30 2.30
ПП, 30-40% армированный стекловолокном 2,60 2,60
ПП (полипропилен) сополимер 2.30 2. 30
ПП (полипропилен) гомополимер 2.30 2.30
ПП, ударопрочный 2.30 2.30
ПФА – полифталамид 4.30 4.30
PPA, 30% минеральный наполнитель 4.00 4.20
ПФА, 33% армированный стекловолокном 4.40 4,60
PPA, 33% армированный стекловолокном – High Flow 3.70 3,90
ПФА, 45% армированный стекловолокном 4.40 4,60
СИЗ – полифениленовый эфир 2,70 2,70
Средства индивидуальной защиты, 30% армированные стекловолокном 2,90 2,90
СИЗ, огнестойкие 2,70 2,70
ПФС – полифениленсульфид 3.00 3.30
ППС, 20-30% армированный стекловолокном 3. 30 3,80
PPS, 40% армированный стекловолокном 4.00 4.00
ПФС, стекловолокно и минеральный наполнитель 5.00 5.00
PPSU – Полифениленсульфон 3.40 3,50
PS (полистирол) 30% стекловолокно 2,50 2.50
PS (полистирол) Кристалл 2,40 2,70
PS, высокотемпературный 2.40 2,70
Блок питания – полисульфон 3.00 3.20
PSU, 30% армированное стеклом тонкое стекло 3,60 3,70
ПТФЭ — политетрафторэтилен 2.10 2.10
ПТФЭ, 25% армированный стекловолокном 3.00 3.00
ПВХ, пластифицированный 3.00 5. 00
ПВХ, пластифицированный с наполнителем 3.00 5.00
Жесткий ПВХ 3.00 4.00
ПВДХ – поливинилиденхлорид 3.00 6.00
ПВДФ – поливинилиденфторид 6.00 9.00
SAN – Стирол-акрилонитрил 2.50 3.40
SAN, 20% армированный стекловолокном 3.20 3,80
SMA – стирол малеиновый ангидрид 2,80 2,80
SMA, 20% армированный стекловолокном 3.30 3.30
SMMA – Стиролметилметакрилат 3.20 3.20
SRP – Самоармирующийся полифенилен 3.10 3.10
UHMWPE — полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы 2.30 2.30

Определение диэлектрика в физике.

Примеры диэлектриков в следующих темах:

  • Конденсаторы с диэлектриками

    • Диэлектрик частично сопротивляется электрическому полю конденсатора, но может увеличить емкость и предотвратить соприкосновение пластин конденсатора.
    • Это прерывание может происходить в виде вакуума (отсутствие какой-либо материи) или диэлектрика (изолятора).
    • При использовании диэлектрика материал между параллельными пластинами конденсатора поляризуется.
    • Заряды в диэлектрическом материале выстраиваются в линию, чтобы противодействовать зарядам каждой пластины конденсатора.
    • Опишите поведение диэлектрика в электрическом поле конденсатора
  • Диэлектрики и их анализ

    • Пробой диэлектрика — это явление, при котором диэлектрик теряет способность изолировать и вместо этого становится проводником.
    • Пробой диэлектрика (показан на ) — это явление, при котором диэлектрик теряет способность изолировать и вместо этого становится проводником.
    • В качестве отказа имеется вероятностный элемент, и поэтому диэлектрик может испытать пробой в любом диапазоне напряжений.
    • Газообразные диэлектрики обычно испытывают пробой в природе (наиболее распространенным примером является явление молнии).
    • Определите условия, которые могут привести к пробою диэлектрика и его влиянию на материалы
  • Конденсатор с параллельными пластинами

    • Конденсаторы могут иметь различные формы, но все они состоят из двух проводников, разделенных диэлектрическим материалом .
    • Такие диэлектрики обычно состоят из стекла, воздуха, бумаги или пустого пространства (вакуума).
    • На практике диэлектрики не действуют как идеальные изоляторы и допускают прохождение через них небольшого количества тока утечки.
    • В зависимости от прочности диэлектрика (Eds) и расстояния (d) между пластинами конденсатор «разрывается» при определенном напряжении (Vbd).
    • Заряды в диэлектрическом материале выстраиваются в линию, чтобы противодействовать зарядам каждой пластины конденсатора.
  • Поляризация

    • Диэлектрическая поляризация — это явление, возникающее при разделении положительных и отрицательных зарядов в материале.
    • Для целей этого атома мы сосредоточимся на его значении в контексте того, что известно как диэлектрическая поляризация — разделение зарядов в материалах.
    • Положительный заряд в диэлектрике будет мигрировать в сторону приложенного поля, а отрицательный заряд будет смещаться.
    • Различные материалы будут по-разному реагировать на индуцированное поле, в зависимости от их диэлектрической постоянной.
    • Самый простой взгляд на диэлектриков включает рассмотрение их заряженных компонентов: протонов и электронов.
  • Конденсатор с параллельными пластинами

    • Между ними может быть вакуум или диэлектрический материал , но не проводник.
    • Максимальная энергия (U), которую может хранить конденсатор, может быть рассчитана как функция Ud, прочности диэлектрика на расстояние, а также напряжения конденсатора (В) на пределе его пробоя (максимальное напряжение перед ионизацией диэлектрика ). и больше не работает как изолятор):
    • Диэлектрик гарантирует, что заряды разделены и не переходят с одной пластины на другую.{1/2}(\omega) > 1$, или, другими словами, на частотах, где заряд превышает скорость распространения излучения.
    • Суммарная излучаемая энергия расходится; это просто следует из нашего предположения, что заряд проходит через диэлектрик навсегда, и это предположение легко ослабить, заменив бесконечный интеграл единицей за время $ 2T$, в течение которого частица проходит через диэлектрик
    • Снова пик излучения наблюдается при черенковском угле, пока $\omega T \gg 1$, и мы можем проинтегрировать этот результат по всем углам, чтобы получить полную энергию на частоту, испускаемую при прохождении заряда через диэлектрик
    • , где $2 c \beta T$ — толщина области диэлектрика .
  • Емкость

    • Самый распространенный конденсатор известен как конденсатор с параллельными пластинами, состоящий из двух отдельных проводящих пластин, разделенных друг от друга диэлектриком .
    • В конечном счете, в таком конденсаторе q зависит от площади поверхности (A) проводящих пластин, а V зависит от расстояния (d) между пластинами и диэлектрической проницаемости (εr) диэлектрика между ними.
    • Диэлектрик предотвращает перетекание заряда с одной пластины на другую.
  • Индуцированный заряд

    • Субъекты, которые могут реагировать на индукторы, включают проводники и диэлектрики .
  • Генераторы Ван де Граффа

    • Генератор Ван де Граафа состоит из гибкого ремня из диэлектрика (обычно используется шелк), натянутого на два металлических шкива.
  • Полная поляризация

    • Угол Брюстера (также известный как угол поляризации) — это угол падения, при котором свет с определенной поляризацией полностью проходит через прозрачную диэлектрическую поверхность без отражения.

Диэлектрическая проницаемость

ПредыдущийСледующий

Диэлектрическая проницаемость материала служит мерой его воздействия на конденсатор. Это отношение емкости конденсатора, содержащего диэлектрик, к емкости такого же, но пустого конденсатора.

Альтернативное определение диэлектрической проницаемости относится к диэлектрической проницаемости материала. Диэлектрическая проницаемость — это величина, описывающая влияние материала на электрическое поле: чем выше диэлектрическая проницаемость, тем больше материал стремится ослабить любое создаваемое в нем поле. Поскольку диэлектрический материал уменьшает поле, становясь поляризованным, полностью эквивалентным определением является то, что диэлектрическая проницаемость выражает способность материала поляризоваться в ответ на приложенное поле.Диэлектрическая проницаемость (иногда называемая «относительной диэлектрической проницаемостью») представляет собой отношение диэлектрической проницаемости диэлектрика к диэлектрической проницаемости вакуума, поэтому чем больше поляризация, развиваемая материалом в приложенном поле заданной силы, тем больше диэлектрическая проницаемость. будет.

Стандартного символа для диэлектрической проницаемости не существует — вы можете встретить его как κ , ε , ε ′ или ε r . В этом TLP κ следует использовать, чтобы избежать путаницы с абсолютной диэлектрической проницаемостью, которая также может быть обозначена символом ε .

Два определения диэлектрической проницаемости показаны на диаграмме ниже (зеленые стрелки представляют электрическое поле).


В целом, чем более доступными механизмами поляризации обладает материал, тем больше будет его результирующая поляризация в заданном поле и, следовательно, тем больше будет его диэлектрическая проницаемость.

Диэлектрическая проницаемость материала и его показатель преломления тесно связаны уравнением κ = n 2  (нажмите здесь, чтобы получить вывод).Однако следует соблюдать осторожность при применении этого уравнения. Он является строго точным только тогда, когда диэлектрическая проницаемость и показатель преломления измеряются в одних и тех же условиях. В частности, поскольку диэлектрическая проницаемость может значительно меняться в зависимости от частоты (по причинам, обсуждаемым в следующем разделе этого TLP), мы должны измерять диэлектрическую проницаемость при переменном токе на той же частоте, на которой мы измеряем показатель преломления – частоте видимого света. , ~10 15 Гц.Однако указанные значения диэлектрической проницаемости обычно относятся к статической диэлектрической проницаемости, то есть диэлектрической проницаемости при постоянном токе. Часто это сильно отличается от значения диэлектрической проницаемости при 10 15 Гц.

Исключением являются материалы, обладающие только электронным типом поляризации. Для этих материалов диэлектрическая проницаемость существенно не меняется с частотой ниже видимых частот, и κ S n 2  , где κ S — статическая диэлектрическая проницаемость.

Подводя итог: уравнение κ = n 2  можно применять только к статическим диэлектрическим проницаемостям неполярных материалов или к высокочастотным диэлектрическим проницаемостям любого диэлектрика.

Диэлектрик

Обзор
Оксиды в твердом состоянии используются в качестве материалов для прецизионных конденсаторов и пассивных электрических компонентов.Эти материалы находят широкое применение в самых разных областях: от аэрокосмической и аудиотехники до лифтов, тяжелого оборудования и микроэлектроники. Термины диэлектрическая проницаемость и (относительная) диэлектрическая проницаемость часто используются взаимозаменяемо, как и потери на переменном токе, диэлектрические потери и тангенс δ. Основная информация доступна на вики относительной диэлектрической проницаемости. Большая диэлектрическая проницаемость позволяет хранить больше заряда в электрическом поле в конденсаторе с параллельными пластинами, содержащем диэлектрик, который полностью заполняет пространство между пластинами.

Диэлектрическая проницаемость — Изоляционные материалы обычно используются двумя различными способами: (1) для поддержки и изоляции компонентов электрической сети друг от друга и от земли и (2) в качестве диэлектрика конденсатора. Для первого использования, как правило, желательно, чтобы емкость подложки была как можно меньше в соответствии с приемлемыми механическими, химическими и термостойкими свойствами. Поэтому желательно низкое значение диэлектрической проницаемости. Для второго использования желательно иметь высокое значение диэлектрической проницаемости, чтобы конденсатор был физически как можно меньше.Промежуточные значения диэлектрической проницаемости иногда используются для градации напряжений на краю или конце проводника, чтобы свести к минимуму коронный разряд переменного тока. Взято из ASTM D150-11.

Потери переменного тока — В обоих случаях (в качестве электрической изоляции и в качестве диэлектрика конденсатора) потери переменного тока обычно должны быть небольшими, чтобы уменьшить нагрев материала и минимизировать его влияние. на остальной части сети. В высокочастотных приложениях особенно желательно низкое значение показателя потерь, поскольку при заданном значении показателя потерь диэлектрические потери увеличиваются непосредственно с частотой. В некоторых диэлектрических конфигурациях, таких как используемые в концевых изоляторах и кабелях для испытаний, иногда вводятся повышенные потери, обычно получаемые из-за повышенной проводимости, для контроля градиента напряжения. При сравнении материалов, имеющих примерно одинаковую диэлектрическую проницаемость, или при использовании любого материала в таких условиях, когда его диэлектрическая проницаемость остается практически постоянной, потенциально полезно также учитывать коэффициент рассеяния, коэффициент мощности, фазовый угол или угол потерь. Взято из ASTM D150-11.

Диэлектрические свойства
Принципы электронных материалов и устройств, 4-е издание
Справочник по материалам с низкой и высокой диэлектрической проницаемостью и их применению, Хари Сингх Налва
Международный семинар по импедансной спектроскопии для характеризации материалов и структур Solid State Ionics Special Issue

Приборы и программное обеспечение
Agilent Technologies
National Instruments LabVIEW
Ametek
Scribner – Z view для Windows (анализ импеданса)

Измерения (Гц-МГц)
C и D диэлектрических измерений – изд. com
Измерение диэлектрической проницаемости и коэффициента рассеяния – Plastics Technologies Laboratories
Измерение относительной диэлектрической проницаемости диэлектриков

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости
τ (ppm/°C) = {(1/ε) × ([Δε]/[ΔT])} × 10 6 , где ε — диэлектрическая проницаемость при самой низкой температуре (т. е. окружающей среды) измерения.

Trans-tech Температурные коэффициенты диэлектрических резонаторов

Высокая частота (ГГц)
Беспроводной словарь
Khalam et al, Materials Science and Engineering B107 (2004) 264–270 микроволновые диэлектрические свойства образцов, измеренные с помощью сетевого анализатора HP 8510C и использование метода Хакки и Коулмана.

Промышленность
Электрокуб — ​​Технические бюллетени — PF, DF, Q
Корпорация Rogers Advanced Connectivity Solutions
TRSTech

Материал Диэлектрическая проницаемость Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости TCe ppm/K Температурный коэффициент частоты TCf ppm/K Q (1/тангенс δ) f (ГГц) Артикул
Вакуум 1. 000000
Воздух (сухой) 1.0005899
SiO 2 3,9 1
Алюминий 2 О 3 10 +115-200 -60 50 000 10 1 2 3 4 5
Ба 2 Ти 9 О 20 37-39 -25 1
TiO 2 86-173 -600 1
CaTiO 3 150-160 -1600 1
СерТиО 3 250-310 -2600 1
БАТИО 3 1250–10 000
Можно исследовать температурную зависимость диэлектрической проницаемости (ε’) и диэлектрических потерь (ε”). Некоторые материалы, напр. висмутовые пирохлоры проявляют диэлектрическую релаксацию. Функцию Аррениуса можно использовать для моделирования поведения релаксации с ν = ν o exp[-E a /(k b T)], где ν — частота измерения, ν o — попытка измерения. частота скачков, E a — энергия активации, k b — постоянная Больцмана. T была определена для каждой частоты измерения путем подгонки пика мнимой части относительной диэлектрической проницаемости к функции Гаусса.См. рисунки 7 и 8 в этой рукописи.

Удельное сопротивление
Кельвин (4-проводное) измерение сопротивления – Allaboutcircuits.com
Геометрические факторы в четырехточечном измерении удельного сопротивления Четырехточечные датчики

Диэлектрик — Энциклопедия Нового Света

Различные типы конденсаторов. Каждый конденсатор состоит из пары проводящих пластин, разделенных диэлектриком.

Диэлектрик или электрический изолятор представляет собой материал, обладающий высокой устойчивостью к протеканию электрического тока. Диэлектрические материалы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Кроме того, вакуум является отличным диэлектриком.

Важным применением диэлектриков является разделение пластин конденсаторов. Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от диэлектрика, разделяющего его пластины.

Пояснение

При взаимодействии диэлектрической среды с приложенным электрическим полем происходит перераспределение зарядов внутри ее атомов или молекул. Это перераспределение меняет форму приложенного электрического поля как внутри диэлектрической среды, так и в близлежащей области.

Когда два электрических заряда движутся через диэлектрическую среду, энергии взаимодействия и силы между ними уменьшаются. Когда электромагнитная волна проходит через диэлектрик, ее скорость уменьшается, а длина волны укорачивается.

Когда электрическое поле первоначально приложено к диэлектрической среде, протекает ток. Полный ток , протекающий через реальный диэлектрик, состоит из двух частей: тока проводимости и тока смещения. В хороших диэлектриках ток проводимости будет крайне мал.Ток смещения можно рассматривать как упругую реакцию диэлектрического материала на любое изменение приложенного электрического поля. По мере увеличения величины электрического поля протекает ток смещения, и дополнительное смещение накапливается в диэлектрике в виде потенциальной энергии. Когда электрическое поле уменьшается, диэлектрик высвобождает часть накопленной энергии в виде тока смещения. Электрическое смещение можно разделить на вакуумное и диэлектрическое.

D = ε0E + P = ε0E + ε0χE = ε0E (1 + χ), {\ displaystyle \ mathbf {D} = \ varepsilon _ {0} \ mathbf {E} + \ mathbf {P} = \ varepsilon _ { 0}\mathbf {E} +\varepsilon _{0}\chi \mathbf {E} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} \left(1+\chi \right),}

, где P — поляризация среды, E — электрическое поле, D — плотность электрического потока (или смещение) и его электрическая восприимчивость.Отсюда следует, что относительная диэлектрическая проницаемость и восприимчивость диэлектрика связаны: εr = χ + 1 {\ displaystyle \ varepsilon _ {r} = \ chi +1}.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость (или статическая диэлектрическая проницаемость) материала (при данных условиях) является мерой степени, в которой материал концентрирует электростатические линии потока. На практике она измеряется как «относительная диэлектрическая проницаемость», которая определяется как отношение количества электрической энергии, запасенной в изоляторе, когда на него наложено статическое электрическое поле, к диэлектрической проницаемости вакуума (который имеет диэлектрическая проницаемость 1).

Относительная диэлектрическая проницаемость представлена ​​​​как ε r (или иногда κ{\ displaystyle \ kappa}, K или Dk). Математически это определяется как:

, где материала, а ε 0 — диэлектрическая проницаемость вакуума. Диэлектрическая проницаемость вакуума выводится из уравнений Максвелла путем связывания напряженности электрического поля E с плотностью электрического потока D . В вакууме (свободном пространстве) диэлектрическая проницаемость ε равна всего лишь ε 0 , поэтому диэлектрическая проницаемость равна единице.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость — это физическая величина, описывающая, как электрическое поле влияет на диэлектрическую среду и как на нее влияет, и определяется способностью материала поляризоваться в ответ на поле и, таким образом, уменьшать поле внутри материала. Таким образом, диэлектрическая проницаемость относится к способности материала пропускать (или «разрешать») электрическое поле.

Непосредственно связан с электрической восприимчивостью. Например, в конденсаторе повышенная диэлектрическая проницаемость позволяет сохранять тот же заряд при меньшем электрическом поле (и, следовательно, меньшем напряжении), что приводит к увеличению емкости.

Диэлектрическая прочность

Термин диэлектрическая прочность может быть определен следующим образом:

  • Для изоляционного материала диэлектрическая прочность представляет собой максимальную напряженность электрического поля, которую материал может выдержать без разрушения, то есть без потери своих изоляционных свойств.
  • Для данной конфигурации диэлектрического материала и электродов диэлектрическая прочность представляет собой минимальное электрическое поле, вызывающее пробой.

Теоретическая диэлектрическая прочность материала является неотъемлемым свойством сыпучего материала и зависит от конфигурации материала или электродов, с которыми приложено поле. При пробое электрическое поле освобождает связанные электроны. Если приложенное электрическое поле достаточно велико, свободные электроны могут разгоняться до скоростей, которые могут высвободить дополнительные электроны во время столкновений с нейтральными атомами или молекулами в процессе, называемом лавинным пробоем.Пробой происходит довольно резко (обычно за наносекунды), что приводит к образованию электропроводящей дорожки и пробивному разряду через материал. Для твердых материалов пробой серьезно ухудшает или даже разрушает их изоляционную способность.

Напряженность поля пробоя

Напряженность поля, при которой происходит пробой в данном случае, зависит от соответствующей геометрии диэлектрика (изолятора) и электродов, к которым приложено электрическое поле, а также от скорости нарастания электрического поля. Поскольку диэлектрические материалы обычно содержат незначительные дефекты, практическая диэлектрическая прочность будет составлять часть внутренней диэлектрической прочности, наблюдаемой для идеального материала без дефектов. Диэлектрические пленки обладают большей диэлектрической прочностью, чем более толстые образцы того же материала. Например, диэлектрическая прочность пленок диоксида кремния толщиной от нескольких сотен нм до нескольких микрон составляет примерно десять МВ/см. Несколько слоев тонких диэлектрических пленок используются там, где требуется максимальная практическая диэлектрическая прочность, например, в высоковольтных конденсаторах и импульсных трансформаторах.

Диэлектрическая прочность различных распространенных материалов
Материал Диэлектрическая прочность (МВ/м)
Воздух 3
Кварц 8
Титанат стронция 8
Неопреновый каучук 12
Нейлон 14
Стекло пирекс 14
Силиконовое масло 15
Бумага 16
Бакелит 24
Полистирол 24
Тефлон 60

Диэлектрики в плоскопараллельных конденсаторах

Электроны в молекулах смещаются к положительно заряженной левой пластине. Затем молекулы создают направленное влево электрическое поле, которое частично нейтрализует поле, создаваемое пластинами. (Воздушный зазор показан для наглядности; в реальном конденсаторе диэлектрик обычно находится в непосредственном контакте с пластинами.)

Помещение диэлектрического материала между пластинами конденсатора с параллельными пластинами вызывает увеличение емкости пропорционально k , относительной диэлектрической проницаемости материала:

C = kϵ0Ad {\ displaystyle C = {\ frac {k \ epsilon _ {0} A} {d}}}
, где ϵ0{\displaystyle \epsilon _{0}} — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, A — площадь, покрытая конденсаторами, а d — расстояние между пластинами.

Это происходит потому, что электрическое поле поляризует связанные заряды диэлектрика, создавая концентрации заряда на его поверхности, которые создают электрическое поле, противоположное (антипараллельное) полю конденсатора. Таким образом, данное количество заряда создает более слабое электрическое поле между пластинами, чем без диэлектрика, что снижает электрический потенциал. Если рассматривать этот аргумент в обратном порядке, этот аргумент означает, что в случае диэлектрика заданный электрический потенциал заставляет конденсатор накапливать большую поляризацию заряда.

Приложения

Использование диэлектрика в конденсаторе дает несколько преимуществ. Самый простой из них заключается в том, что проводящие пластины можно размещать очень близко друг к другу без риска контакта. Кроме того, если подвергнуть воздействию очень сильного электрического поля, любое вещество ионизируется и становится проводником. Диэлектрики более устойчивы к ионизации, чем сухой воздух, поэтому конденсатор, содержащий диэлектрик, может подвергаться более высокому рабочему напряжению. Слои диэлектрика обычно включаются в промышленные конденсаторы для обеспечения более высокой емкости в меньшем пространстве, чем конденсаторы, использующие только воздух или вакуум между их пластинами, и термин диэлектрик относится к этому приложению, а также к изоляции, используемой в силовых и радиочастотных кабелях. .

Некоторые практические диэлектрики

Диэлектрические материалы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Кроме того, высокий вакуум также может быть полезным диэлектриком без потерь, даже если его относительная диэлектрическая проницаемость равна всего единице.

Твердые диэлектрики, пожалуй, наиболее часто используемые диэлектрики в электротехнике, и многие твердые тела являются очень хорошими изоляторами. Некоторые примеры включают фарфор, стекло и большинство пластмасс. Воздух, азот и гексафторид серы являются тремя наиболее часто используемыми газообразными диэлектриками.

  • Промышленные покрытия, такие как парилен, обеспечивают диэлектрический барьер между подложкой и окружающей средой.
  • Минеральное масло широко используется внутри электрических трансформаторов в качестве жидкого диэлектрика и для охлаждения. Диэлектрические жидкости с более высокой диэлектрической проницаемостью, такие как касторовое масло электротехнического качества, часто используются в высоковольтных конденсаторах, чтобы помочь предотвратить коронный разряд и увеличить емкость.
  • Поскольку диэлектрики сопротивляются потоку электричества, поверхность диэлектрика может удерживать скрученных избыточных электрических зарядов.Это может произойти случайно при трении диэлектрика (трибоэлектрический эффект). Это может быть полезно, как в генераторе Ван де Граафа или электрофоре, или потенциально разрушительно, как в случае электростатического разряда.
  • Специально обработанные диэлектрики, называемые электретами, могут сохранять избыточный внутренний заряд или «замороженную» поляризацию. Электреты имеют полупостоянное внешнее электрическое поле и являются электростатическим эквивалентом магнитов. Электреты имеют множество практических применений в быту и промышленности.
  • Некоторые диэлектрики могут генерировать разность потенциалов при механическом воздействии или изменять физическую форму, если к материалу приложено внешнее напряжение. Это свойство называется пьезоэлектричеством. Пьезоэлектрические материалы представляют собой еще один класс очень полезных диэлектриков.
  • Некоторые ионные кристаллы и полимерные диэлектрики обладают спонтанным дипольным моментом, который можно обратить вспять приложенным извне электрическим полем. Такое поведение называется сегнетоэлектрическим эффектом.Эти материалы аналогичны тому, как ферромагнитные материалы ведут себя во внешнем магнитном поле. Сегнетоэлектрические материалы часто имеют очень высокие диэлектрические проницаемости, что делает их весьма полезными для конденсаторов.

См. также

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

  • Бетчер, Карл Йохан Фридрих. 1980. Теория электрической поляризации: диэлектрическая поляризация . Эльзевир Наука. ISBN 0444415793
  • Рамбл, Джон (изд.). 2017. CRC Справочник по химии и физике , 98-е изд. Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-1498784542
  • Фон Хиппель, Артур Р. 1994. Диэлектрики и волны . Артек Печать по требованию. ISBN 978-08038

Внешние ссылки

Все ссылки получены 8 мая 2018 г.

Кредиты

New World Encyclopedia автора и редактора переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами энциклопедии Нового Света .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Указание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. На использование отдельных изображений, которые лицензируются отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.