Основные определения и классификация диэлектриков
Электроизоляционными материалами или диэлектриками называются вещества, с помощью которых осуществляется изоляция элементов или частей электрооборудования, находящихся под разными электрическими потенциалами. По сравнению с проводниковыми материалами (проводниками) диэлектрики обладают значительно большим электрическим сопротивлением. Характерным свойством диэлектриков является возможность создания в них сильных электрических полей и накопления электрической энергии. Это свойство диэлектриков используется в электрических конденсаторах и других устройствах.
Согласно агрегатному состоянию диэлектрики делятся на газообразные, жидкие и твердые. Особенно большой является группа твердых диэлектриков (высокополимеры, пластмассы, керамика и др.). Согласно химическому составу диэлектрики делятся на органические и неорганические. Основным элементом в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода не содержится. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).
По способу получения диэлектрики делятся на естественные (природные) и синтетические. Наиболее многочисленной является группа синтетических электроизоляционных материалов. В результате органического синтеза могут быть созданы диэлектрики с заданным комплексом необходимых электрических и физико-химических свойств. Поэтому группа синтетических электроизоляционных материалов имеет очень широкую область применения в электротехнике.
С точки зрения строения молекул диэлектрики обычно делят на нейтральные и полярные.
Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими моментами. Нейтральные атомы и молекулы приобретают электрические моменты только под действием электрического поля - в процессе деформационных поляризаций. Среди нейтральных диэлектриков иногда выделяют группу ионных кристаллических диэлектриков (слюда, кварц, отдельные виды керамики и др.), в которых каждая пара ионов составляет нейтральную частицу - молекулу. Ионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Каждый ион находится в колебательном тепловом движении около центра равновесия - узла кристаллической решетки.
Полярные или дипольные диэлектрики состоят преимущественно из полярных молекул - диполей. Последние вследствие асимметрии своего строения обладают начальным электрическим моментом (до воздействия электрического поля). При воздействии электрического поля полярные молекулы ориентируются, стараясь расположить свои оси в направлении электрического поля.
Полярные диэлектрики отличаются повышенными значениями диэлектрической проницаемости e и несколько повышенной проводимостью и гигроскопичностью по сравнению с нейтральными диэлектриками.
Нейтральными диэлектриками являются водород, бензол, четыреххлористый углерод, полиэтилен, полистирол, парафин и др. К полярным диэлектрикам относятся касторовое масло, совол, совтол, бакелиты, галовакс и др. Иногда выделяют еще группу слабо полярных диэлектриков, молекулы которых обладают относительно небольшим начальным электрическим моментом. К слабо полярным диэлектрикам можно отнести совтол, поливинилхлорид, многие кремнийорганические электроизоляционные материалы и др.
На рис. 5-1 и 5-5 представлены типичные температурные зависимости ε и tgδ нейтрального и полярного жидких диэлектриков.
Рис. 5.1 Зависимость e от температуры для электроизоляционных жидкостей.
1 - нейтральная жидкость; 2 - полярная жидкость.
Рис. 5.5
Многочисленную группу твердых диэлектриков обычно делят на ряд подгрупп в зависимости от их состава, структуры и технологических особенностей этих материалов. Так, выделяют керамические диэлектрики, воскообразные, пленочные, минеральные и др.