Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков, страница 6

На начальном участке приближенно соблюдается закон Ома, т.к.концентрация носителей заряда сохраняет постоянное значение вследствиеравновесия между процессами ионизации и рекомбинации, распределение потенциалалинейно.Вопрос. Почему для вольтамперной характеристики газообразного диэлектриканаблюдается область насыщения?Ответ. Это связано с тем, что на участке насыщения скорость носителей зарядавозрастает настолько, что они не успевают рекомбинировать и почти все достигаютэлектродов.Вопрос. Характер электропроводности для жидких диэлектриков?Ответ. Основную роль играют два типа электропроводности: ионная и молионная(катафоретическая).Вопрос. Что является носителями заряда в неполярных и слабополярныхжидкостях?Ответ.

В неполярных и слабополярных жидкостях носителями заряда в основномявляются ионы, возникающие при диссоциации молекул примесей.Вопрос. Какой общей закономерности подчиняется изменение удельногосопротивления диэлектриков от температуры?Ответ. Удельное сопротивление диэлектриков уменьшается с ростомтемпературы по экспоненциальному закону.Вопрос. Назовите причины нарушения закона Ома в жидких диэлектриках вобласти сильных полей?Ответ. Имеют место следующие причины: диссоциация молекул жидкости,приводящая к резкому росту концентрации ионов; увеличение подвижности;автоэлектронная эмиссия электронов с катода в тщательно очищенных жидкостях.20Вопрос.

Что является в твердых диэлектриках носителями заряда?Ответ.Длятвердыхдиэлектриковнаиболеехарактернаэлектропроводность.ионнаяВопрос. В чем состоит механизм электропроводности по Я.И.Френкелю?Ответ. Под действием тепловых флуктуаций ионы получают энергию,достаточную, для покидания нормального положения в решетке, попадают впространство между нормально закрепленными ионами (межузлия) и перемещаютсяпод действием поля.Вопрос.

В чем состоит механизм электропроводности по Шоттки?Ответ. Дефекты образуются в результате удаления равного числа анионов (-) икатионов (+) из нормальных узлов решетки, вакансии перемещаются по кристаллувследствие переноса в незанятый узел ионов из соседних узлов.Вопрос.

С чем связан излом в зависимости логарифма удельной проводимости оттемпературы?Ответ. Зависимость представляется в виде линии с изломом, если имеются дваразличных механизма проводимости, либо в виде прямой линии, если механизмпроводимости один.Вопрос. Характер электропроводности полимерных диэлектриков?Ответ. Электропроводность полимерных диэлектриков носит в основном ионныйхарактер - источником ионов могут быть как сами молекулы, так и ионогенные примеси.Однако, у некоторых полимерных диэлектриков может наблюдаться электроннаяпроводимость, например у полимеров с сопряженными двойными связями, у которыхширина запрещенной зоны невелика.Вопрос.

От чего зависит концентрация электронов и дырок в полимерах?Ответ. Концентрация электронов или дырок в полимерах зависит от иххимического строения и условий обработки.Вопрос. С чем связано уменьшение сопротивления изоляции в области слабыхполей с повышением приложенного напряжения?Ответ. Уменьшение сопротивления изоляции с повышением приложенногонапряжения связано с образованием объемных зарядов, плохим контактом междуэлектродом и диэлектриком, изменением под действием поля формы и размероввключений влаги, ионизацией газовых включений.21Поляризация диэлектриковОсновные определенияПоляризацией называется состояние вещества, при котором элементарныйобъем диэлектрика приобретает электрический момент.Возникновение (индуцирование) электрического момента в единице объемаобразца диэлектрического материала или участка электрической изоляции можетпроисходить под действием электрического поля, механических напряжений илиспонтанно (самопроизвольно).а)б)Рис.

2.1. Возникновение дипольного момента вэлектрическом полеа) – внешнее поле отсутствует Е=0, l=0, P=0;б) – приложено внешнее поле Е>0, l>0, P>0Поляризованность Р — определяет интенсивность поляризации диэлектрика иявляется количественной характеристикой диэлектрика.Средний электрический момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика,дипольный момент молекулы(1)p = q.l,где q - величина заряда, l - расстояние между центрами положительного иотрицательного заряда.Если существует n таких молекул (диполей) в 1 м3, то(2)P = n.p..3Поляризованность Р, Кл м/м совпадает по значению с поверхностнойплотностью зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика.Индуцированный полем электрический момент молекулы р, поляризованностьдиэлектрика Р и напряженность электрического поля Е векторные физическиевеличины.

Векторы Р и Е в изотропных кристаллических диэлектриках и текстурахсовпадают и имеют различные направления в анизотропных средах. Для изотропных("линейных") диэлектриков поляризованость Р пропорциональна напряженностивнешнего поля Е:P = ε 0 χEгдеχ−безразмерныйпараметр,(3)диэлектрическаяε0 - электрическая постоянная, 8.854.10-12 Ф/м.восприимчивость22Для характеристики способности диэлектрических материалов к поляризации втехнике используют безразмерный параметр — относительную диэлектрическуюпроницаемость ε.Диэлектрическая проницаемостьРассмотримэлектрическийконденсатор,изготовленныйизплоскихпараллельных пластин площадью S (м2), расстояние между которыми d (м). Приложим кпластинам (электродам) конденсатора электрическое напряжение U и рассмотрим дваслучая:На рисунке а) показан конденсатор, помещенный в вакуум.

В этом случае на егопластинах возникнет заряд Qo. На рисунке б) показан тот же конденсатор, междупластинами которого вставлен диэлектрик толщиной, равной расстоянию междуэлектродами.а)б)Рис. 2.2. Изменение свободного и дополнительногозарядов на обкладках конденсатора:а) – вакуумный конденсатор;б) – конденсатор с диэлектрикомИз-за поляризации диэлектрика в электрическом поле на его противоположныхсторонах возникают заряды Qд, знак которых противоположен знаку поляризационныхзарядов на поверхности диэлектрика.

Следовательно, полный заряд конденсатора сдиэлектриком(4)Q = Qо + Qд = ε.Qо.где ε- относительная диэлектрическая проницаемость - один из важнейшихпараметров,характеризующихдиэлектрическиематериалы.Относительная23диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение суммарного зарядаконденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его ввакууме без диэлектрика, т.е.(5)ε = Q/Qо = (Qо + Qд)/Qо = 1 + Qд/Qо.Из формулы (5) видно, что если Qд=0, что соответствует относительнойдиэлектрической проницаемости вакуума, то диэлектрическая проницаемость любогодиэлектрика будет больше 1. В дальнейшем для краткости в большинстве случаевтермин "относительная" при наименовании диэлектрической проницаемости,опускается.Определениедиэлектрическойпроницаемостиможнодатьтакжеииспользованием понятия емкости электрического конденсатораС = Q/U.(6)Используя (4), найдем(7)С = Q/U = ε.Qo/U =ε.Сo,(8)ε = С/Сo.Используя понятие поляризации и диэлектрической проницаемости можноклассифицировать диэлектрики на линейные и нелинейные (пассивные и активные).Классификация диэлектриков на линейные инелинейныеДля большинства диэлектриков в слабых электрических полях зависимостьполяризованности от напряженности поля можно записать в видеP = ε 0 ⋅ χ ⋅ E = ε 0 ⋅ (ε − 1) ⋅ E ,(9)где χ - диэлектрическая восприимчивость диэлектрика.В сильных электрических полях линейная зависимость между поляризованностьюи напряженностью поля нарушается.

Пропорциональности между векторами Р и Е неттакже у нелинейных диэлектриков, к которым относятся, в частности, сегнетоэлектрики.Характер изменения поляризованности и диэлектрической проницаемости отнапряженности поля для линейных диэлектриков, у которых Р ипропорционально изменению Е, показан на рисунке.ε изменяютсяРис. 2.3. Зависимость диэлектрической проницаемостии поляризованности линейных диэлектриков отнапряженности электрического поляЛинейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, применяемым восновном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика24конденсаторов. На рисунке показано изменение поляризованности и диэлектрическойпроницаемости от напряженности поля для нелинейных диэлектриков.Рис.

2.4. Зависимость диэлектрической проницаемостии поляризованности нелинейного диэлектрика отнапряженности электрического поляНелинейные диэлектрики относят к активным диэлектрикам, параметры которыхзависят от величины приложенной разности потенциалов. Емкостью конденсатора снелинейным диэлектриком можно управлять электрическим полем.Единицы измерения емкости в системах СИ и СГСЭДля практических расчетов заряда и емкости, когда наряду с системой СИиспользуются единицы системы СГСЭ, оказываются полезны соотношения междуединицами в разных системах и дольными единицами. В системе СИ напряжение Uвыражается в вольтах (В), заряд Q(q) - кулонах (Кл), емкость С - в фарадах (Ф).

Изформулы (6) следует, что Ф = Кл/В = А.с/В = с/Ом. Соотношения между единицамиемкости:1 Ф = 106 мкФ = 1012 пФ = 9.1011 см;1 мкФ = 10-6 Ф = 106 пФ = 9.105 см;1 пФ = 10-12 Ф = 10-6 мкФ = 0,9 см.Пример. Найти емкость в пФ участка плоской изоляции из полиэтиленовойпластины толщиной d = 1 мм; площадь электродов S = 100 см2, диэлектрическаяпроницаемость ε = 2,4. Емкость С находим по формуле С = ε o.

ε.S/dС=8.854.2.4.100.10-2/(1.10-3)=21250 пФКлассификация диэлектриков на неполярные, полярныеи с ионной структуройДля установления механизмов поляризации диэлектриков, что важно дляправильного практического использования диэлектриков, необходимо, прежде всего,уяснить взаимосвязь способности веществ к поляризации с их химической природой. Всвязи с этим следует упомянут имена двух ученых — П.И.Вальдена и П.Дебая, вработах которых (1910 и 1912 гг.) впервые рассматривалось влияние химическойприроды вещества на процесс диэлектрической поляризации.В настоящее время принято разделение линейных диэлектриков по механизмамполяризации молекул. Эта классификация исключительно важна при изучении какэлектрических, так и общих физико-химических свойств диэлектриков.

Неполярные25диэлектрики (нейтральные) - состоят из неполярных молекул, у которых центрытяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно,неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрическиймомент равен нулю.Рис. 2.5. Строение некоторых неполярных материаловПримером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качествеэлектроизоляционных,являютсяуглеводородныематериалы,нефтяныеэлектроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. Но при замещении внеполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами илинеуглеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определенииполярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственноестроение молекул. Значения дипольных моментов некоторых полярных веществ (поБ.М.Тарееву) приведены таблице.ВеществоИодистый калийДипольный моментp,.10-30 Кл.м23ФенолНитробензол5.25.1Ацетон9.7Хлорид олова17Вода6.1Полярные диэлектрики (дипольные) - состоят из полярных молекул,обладающих электрическим моментом.