XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

Диэлектрик (изолятор)— вещество (материал), относительно плохо проводящее электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Термин введён в науку английским физиком М. Фарадеем.

При помещении в электрическое поле любого вещества электроны и атомные ядра испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, создавая электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов (поляризация или электрическая проводимость) преобладает, вещества делят на диэлектрики (все неионизованные газы, некоторые жидкости и твёрдые тела) и проводники (металлы, электролиты, плазма). Электрическая проводимость диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков лежит в пределах 10⁸–10¹⁷ Ом·см, металлов – 10^–6–10^–4 Ом·см.

Исследование диэлектрических свойств касается хранения и рассеивания электрической и магнитной энергии в материалах. Понятие диэлектрики важны для объяснения различных явлений в электронике, оптике, физике твердого тела и клеточной биофизике.

Рис.1 Схема конденсатора с параллельными пластинами с диэлектриком.[6]

Схема конденсатора с параллельными пластинами с диэлектриком. Две пластины с площадью находятся на расстоянии . Когда заряд находится на пластинах, в промежутке между пластинами возникает электрическое поле . Диэлектрик поляризуется из-за смещения зарядов в его молекулах и атомах, уменьшая общее внутреннее поле и увеличивая электрическую ёмкость конденсатора.

Свойства.

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10^-5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 10⁸ Ом·м. Удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10^-8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10¹⁶ Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий внешней среды может изменяться в пределах 10^-5 —10⁸ Ом·м.

Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь 25 являются неметаллами, причём 12 элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ известны тысячи химических соединений, сплавов или композитов со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

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

Пассивные свойства:

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

Активные свойства:

Активными диэлектриками, диэлектрические свойства которых зависят от приложенного напряжения, влияния внешней среды являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Виды диэлектриков.

Рис.2 Виды диэлектриков.[5]

Твёрдые диэлектрики могут обеспечивать безопасность приборов, работающий на электричестве. Они являются хорошими изоляторами тока, а значит очень сильно влияют на долговечность этих приборов. Твердыми неорганическим диэлектриками являются различные керамики, стекло, слюда, кварц, асбест. Твердые органические диэлектрики – смолы, лаки, пластмассы, каучуки, волокна.

Жидкие диэлектрики. К жидким диэлектрикам относятся нефтяные масла, кремнийорганические и фторорганические жидкости. Так, в маслонаполненном трансформаторе масло, выполняет роль, как электроизоляции, так и является хорошей теплоотводящей средой. В масляном высоковольтном выключателе масло играет активную роль в гашении электрической дуги. Масло хорошо пропитывает твердые волокнистые материалы (бумагу, ткани, пряжу и т.д.), заполняет пространство между конструктивными элементами, что значительно улучшает электрическую изоляцию тех или иных устройств.

Газообразные диэлектрики. Из газообразных диэлектриков чаще всего используется воздух, который ввиду повсеместного распространения является частью системы электрической изоляции подавляющего большинства электро- и радиотехнических устройств. Кроме воздуха в качестве электроизоляции применяют инертные газы (неон, аргон, криптон), водород, Азот, Углекислый газ и др.

Применение.

В большинстве случаев диэлектрики используются в качестве надежного изоляционного материала для электрического поля. Пробой диэлектрика происходит довольно редко. Как правило, это возникает в результате нарушения его целостности из-за ряда механических повреждений. Если возникает необходимость в преобразовании механических сигналов, используются пьезоэлектрики. С их помощью можно контролировать порядок перемещения деформаций и различного рода звуковых колебаний. Отдельного внимания заслуживают пироэлектрики. В большинстве случаев речь идет о тепловых детекторах и ИК-излучении. Не менее распространены сегнетоэлектрики, которые чаще всего используются в качестве конденсаторного материала. Функциональные элементы ценятся из-за высокого уровня диэлектрической проницаемости. Структурные компоненты часто используются в разнообразных устройствах. Диэлектрики часто выполняют задачи в разрезе оптического материала. В зависимости от физического состояния, различают жидкие диэлектрики и твердые диэлектрики.

Область применения:

• Изготовление каркасов катушек индуктивности

• Арматуры установочных изделий (патронов, предохранителей, переключателей, кабельных разъемов, ручек и т.п.)

• Деталей механизмов РЭА (шестерен, насадок и т.п.)

• Плат (расшивочные панели, печатные платы, трансформаторные колодки)

• Защитных покрытий (электромагнитных)

• Для изоляции проводниковых и кабельных изделий

• Для изготовления элементов конструкций (корпуса, кожухи, основание, шасси, стойки, панели).

Список литературы:

[1]. Диэлектрик — Википедия (wikipedia.org) Дата обращения: 02.12.2023

[2]. Диэлектрики. Большая российская энциклопедия (bigenc.ru) Дата обращения: 02.12.2023

[3]. Диэлектрик это: что такое, классификация, свойства, примеры (profazu.ru) Дата обращения: 02.12.2023

[4]. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. (helpiks.org) Дата обращения: 02.12.2023

[5]. 09-klassifikatsiya-dielektrikov.jpg (604×892) (profazu.ru) Дата обращение: 02.12.2023

[6]. Capacitorschematicwithdielectric-ru - Диэлектрик — Википедия (wikipedia.org) Дата обращение: 02.12.2023

Код для цитирования: Скопировать