Диэлектрик

Минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением. В зависимости от того замыкает канал или нет оба электрода пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность, образуя так называемый трекинг, науглероженный след на органических диэлектриках. Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому больше единицы и называется коэффициентом импульса. Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции. Снижение Uпр от времени происходит из-за электрического старения изоляции — необратимых процессов под действием тепла и электрического поля. Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле Eпр=Uпр/h, где Eпр, В/м, Uпр — пробивное напряжение, В, h — толщина диэлектрика, м. Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в МВ/м или кВ/мм. Соотношение между этими единицами такое: 106 В/м = 1 МВ/м = 1 кВ/мм.

Электрический пробой — разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами в течение 10 -5-10 -6 с. Eпр при электрическом пробое зависит главным образом от внутреннего строения диэлектрика и практически не зависит от температуры, частоты приложенного напряжения, геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10 -4-10 -5 см. По сравнению с воздухом, у которого Eпр » 3 МВ/м, наибольших значений при электрическом пробое достигает Eпр у твердых диэлектриков — 102-103 МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляет примерно 102 МВ/м.

пробивное напряжение

Смотреть что такое «пробивное напряжение» в других словарях:

  • пробивное напряжение — пробивное напряжение; отрасл. пробойное напряжение; напряжение пробоя; электрическая прочность изоляции Величина напряжения, приложенного к изоляции и вызвавшего пробой … Политехнический терминологический толковый словарь

  • пробивное «напряжение» — напряжение пробоя — Тематики энергетика в целом Синонимы напряжение пробоя EN breakdown voltageBDVbdv … Справочник технического переводчика

  • пробивное напряжение — Максимальное значение напряжения, необходимого для пробоя искрового промежутка свечи при заданных условиях. Тематики системы зажигания автомоб. двигат. EN required spark plug voltage FR tension d allumage exigée … Справочник технического переводчика

  • пробивное напряжение — pramušimo įtampa statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. breakdown voltage; disruptive voltage; rupture voltage vok. Durchbruchspannung, f; Durchschlagspannung, f rus. напряжение пробоя, n; пробивное напряжение, n pranc. tension de… … Automatikos terminų žodynas

  • пробивное напряжение — pramušimo įtampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Izoliaciją suardanti įtampa. atitikmenys: angl. breakdown voltage vok. Durchschlagsspannung, f rus. напряжение пробоя, n; пробивное напряжение, n pranc. tension… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • пробивное напряжение — pramušimo įtampa statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. breakdown voltage; disruptive voltage; puncture voltage vok. Durchbruchspannung, f; Durchschlagsspannung, f rus. напряжение пробоя, n; пробивное напряжение, n pranc. tension de claquage … Fizikos terminų žodynas

  • пробивное напряжение свечи зажигания — пробивное напряжение Минимальное напряжение, при котором возникает электрический разряд в межэлектродном промежутке свечи зажигания. Тематики системы зажигания авиационных двигателей Синонимы пробивное напряжение … Справочник технического переводчика

  • пробивное напряжение коллектор-база — Пробивное напряжение, измеряемое между выводами коллектора и базы, при заданном обратном токе коллектора и токе эмиттера, равном нулю. Обозначение UКБОпроб U(BR)CBO Тематики полупроводниковые приборы EN breakdown collector base… … Справочник технического переводчика

  • пробивное напряжение коллектор-база фототранзистора — Пробивное напряжение между выводами коллектора и базы фототранзистора при открытом эмиттере и в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности. Обозначение Uкпр к UBR CBO Примечание На ФЭПП может действовать равновесное… … Справочник технического переводчика

  • пробивное напряжение коллектор-эмиттер — Пробивное напряжение, измеряемое между выводами коллектора и эмиттера при заданном токе коллектора. Обозначение UКЭпроб Примечание При токе базы, равном нулю, UКЭО проб, U(BR)CEO ; при заданном сопротивлении в цепи база эмиттер, UКЭR проб,… … Справочник технического переводчика

Поляризация диэлектриков

У этого термина существуют и другие значения, см. Поляризация.

Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

  • Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле c напряжённостью E 1 {\displaystyle \mathbf {E} _{1}} , направленное против внешнего поля с напряжённостью E 0 {\displaystyle \mathbf {E} _{0}} . В результате напряжённость поля E {\displaystyle \mathbf {E} } внутри диэлектрика будет выражаться равенством:

E = E 0 − E 1 . {\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}-\mathbf {E} _{1}.}

Типы поляризации

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

  • Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10−15 с). Не связана с потерями.
  • Ионная — смещение узлов кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10−13 с, без потерь.
  • Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.
  • Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.
  • Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.
  • Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.
  • Самопроизвольная (спонтанная) — возникает в отсутствие внешнего электрического поля. Наблюдается в материалах, состоящих из отдельных доменов (областей). В каждом из доменов имеет своё, отличное от других доменов, направление, в результате чего суммарный дипольный момент материала равен нулю. При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются вдоль поля. Возникающая при этом поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля; наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики).
  • Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты колебания которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.
  • Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объёмных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения; имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты.

Зависимость вектора поляризации от внешнего поля

В постоянном поле

В слабых полях

В постоянном или достаточно медленно меняющемся от времени внешнем электрическом поле при достаточно малой величине напряженности этого поля, вектор поляризации P, как правило (исключение составляют сегнетоэлектрики), линейно зависит от вектора напряженности поля E:

P = χ E {\displaystyle \mathbf {P} =\chi \mathbf {E} } (в системе СГС), P = ε 0 χ E {\displaystyle \mathbf {P} =\varepsilon _{0}\chi \mathbf {E} } (в Международной системе единиц (СИ); дальше формулы в этом параграфе приводятся только в СГС, формулы СИ и дальше отличаются лишь электрической постоянной ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} )

где χ {\displaystyle \chi } — коэффициент, зависящий от химического состава, концентрации, структуры (в том числе от агрегатного состояния) среды, температуры, механических напряжений и т. д. (от одних факторов более сильно, от других слабее, конечно же и в зависимости от диапазона изменений каждого), и называемый (электрической) поляризуемостью (а чаще, по крайней мере для того случая, когда он выражается скаляром — диэлектрической восприимчивостью) данной среды. Для однородной среды фиксированного состава и структуры в фиксированных условиях её можно считать константой. Однако в связи со всем сказанным выше вообще говоря χ {\displaystyle \chi } зависит от точки пространства, времени (явно или через другие параметры) и т. д.

Для изотропных жидкостей, изотропных твердых тел или кристаллов достаточно высокой симметрии χ {\displaystyle \chi } — просто число (скаляр). В более общем случае (для кристаллов низкой симметрии, под действием механических напряжений и т. д.) χ {\displaystyle \chi } — тензор (симметричный тензор второго ранга, вообще говоря невырожденный), называемый тензором поляризуемости. В этом случае можно переписать формулу так (в компонентах):

P i = ∑ j χ i j E j , {\displaystyle P_{i}=\sum _{j}\ \chi _{ij}E_{j},}

где величины со значками соответствуют компонентам векторов и тензора, соответствующим трем пространственным координатам.

Можно заметить, что поляризуемость — одна из наиболее удобных физических величин для простой иллюстрации физического смысла тензоров и применения их в физике.

Как и для всякого симметричного невырожденного тензора второго ранга, для тензора поляризуемости можно выбрать (если среда неоднородная — то есть тензор зависит от точки пространства — то по крайней мере локально, если же среда однородная, то и глобально) т. н. собственный базис — прямоугольные декартовы координаты, в которых матрица χ i j {\displaystyle \chi _{ij}} становится диагональной, то есть приобретает вид, при котором из девяти компонент χ i j {\displaystyle \chi _{ij}} отличными от нуля являются лишь три: χ 11 {\displaystyle \chi _{11}} , χ 22 {\displaystyle \chi _{22}} и χ 33 {\displaystyle \chi _{33}} . В этом случае, обозначив для простоты χ i i {\displaystyle \chi _{ii}} как χ i {\displaystyle \chi _{i}} , вместо предыдущей формулы получаем более простую

P i = χ i E i . {\displaystyle P_{i}=\chi _{i}E_{i}.}

Величины χ i {\displaystyle \chi _{i}} называют главными поляризуемостями (или главными диэлектрическими восприимчивостями). Если среда в отношении поляризуемости изотропна, то все три главные поляризуемости равны друг другу, а действие тензора сводится к простому умножению на число.

В сильных полях

В достаточно сильных полях всё описанное выше осложняется тем, что по мере роста напряженности электрического поля рано или поздно теряется линейность зависимости P от E.

Характер появляющейся нелинейности и характерная величина поля, с которой нелинейность становится заметной, тоже, конечно, зависит от индивидуальных свойств среды, условий итп.

Можно выделить их связь с типами поляризации, описанными выше.

Так для электронной и ионной поляризации при полях, приближающихся к величинам порядка отношения потенциала ионизации к характерному размеру молекулы U0/D, характерно сначала ускорение роста вектора поляризации с ростом поля (увеличение наклона графика P(E)), затем плавно переходящее в пробой диэлектрика.

Дипольная (Ориентационная) поляризация при обычно несколько более низких значениях напряженности внешнего поля — порядка kT/p (где p — дипольный момент молекулы, T — температура, k — константа Больцмана) — то есть когда энергия взаимодействия диполя (молекулы) с полем становится сравнимой со средней энергией теплового движения (вращения) диполя — наоборот начинает достигать насыщения (при дальнейшем росте напряженности поля должен рано или поздно включиться сценарий электронной или ионной поляризации, описанный выше, и кончающийся пробоем).

В зависящем от времени поле

Зависимость вектора поляризации от быстро меняющегося во времени внешнего поля достаточно сложна. Она зависит от конкретного вида изменения внешнего поля со временем, быстроты этого изменения (или, скажем, частоты колебаний) внешнего поля, превалирующего механизма поляризации в данном веществе или среде (который тоже оказывается разным для разных зависимостей внешнего поля от времени, частот и т. д.).

При достаточно медленном изменении внешнего поля поляризация в целом происходит как в постоянном поле или очень близко к этому (впрочем то, насколько медленным должно быть для этого изменение поля, зависит, и зачастую крайне сильно, от превалирующего типа поляризации и других условий, например температуры).

Одним из наиболее распространенных подходов к изучению зависимости поляризации от характера меняющегося во времени поля является исследование (теоретическое и экспериментальное) случая синусоидальной зависимости от времени внешнего поля и зависимости вектора поляризации (также меняющегося в этом случае по синусоидальному закону с той же частотой), его амплитуды и сдвига фазы от частоты.

Каждому механизму поляризации в целом соответствует тот или иной диапазон частот и общий характер зависимости от частоты.

Диапазон частот, в котором имеет смысл говорить о поляризации диэлектриков как таковой, простирается от нуля где-то до ультрафиолетовой области, в которой становится интенсивной ионизация под действием поля.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Диэлектрический материал или диэлектрик– материал, наиболее характерным свойством которого является способ­ность к поляризации в электрическом поле. В технике эту способность удобно количественно характеризовать значением относительной ди­электрической проницаемости. Диэлектрики используются в техниче­ской практике для разных целей, в том числе для накопления энергии в электрических конденсаторах. К диэлектрикам можно отнести и многие полупроводники.

Электроизоляционные материалы, как материалы с минимальной способностью проводить электрический ток, используются главным образом для ограничения прохождения электрического тока между проводниками с различными электрическими потенциалами. Таким образом, электроизоляционные материалы можно рассматривать как более узкий класс материалов по сравнению с диэлектрическими ма­териалами. Характерным показателем качества электроизоляционного материала является его удельное электрическое сопротивление или обратная ему величина – удельная электрическая проводимость.

Многие диэлектрики являются хорошими электроизоляционными материалами. Это приводит к тому, что эти понятия на практике ча­сто используются как синонимы, несмотря на то, что между ними имеется чёткое смысловое различие .

Изоляторомназывается изделие из электроизоляционного мате­риала, задачами которого являются крепление и изоляция друг от друга проводников, находящихся под различными потенциалами; при­мер – изоляторы воздушных линий электропередачи. Изоляторы, как правило, изготавливаются из фарфора, стекла или пластмасс. Поэто­му неправильно подменять понятие «электроизоляционный материал» понятием «изолятор».

Электрической изоляциейназывается электроизоляционная систе­ма определённого конкретного электротехнического изделия, выполнен­ная из одного или нескольких электроизоляционных материалов.

Идеальный электроизоляционный материалопределяется как ма­териал, который не содержит свободных носителей заряда, а потому не способен проводить электрический ток. Такие электроизоляционные материалы существуют только в теоретических представлениях; в действительности идеальных электроизоляционных материалов не существует.

Все реальные электроизоляционные материалы содержат некото­рое количество свободных носителей заряда, а потому через любой из этих материалов под действием внешнего электрического поля те­чёт определённый, хотя и очень малый ток.

Между электроизоляционными материалами и полупроводниками не существует точной границы. В настоящее время электроизоляцион­ными материалами считаются материалы преимущественно с ионным характером электропроводности, удельная электрическая проводимость которых при комнатной температуре меньше 10-8 См/м, т. е. удельное электрическое сопротивление больше 108 Ом∙м.

Понятие электроизоляционный материал можно определить так­же с помощью ширины запрещённой зоны. Но и это определение носит условный характер. В настоящее время электроизоляционными обычно считаются материалы, ширина запрещённой зоны которых больше 3 эВ.

Согласно агрегатному состоянию элект­роизоляционные материалы делятся на газообразные, жидкие и твёрдые. Особенно большой является группа твёрдых электро­изоляционных материалов (полимерные, пластмассы, керамика и др.). Согласно химическому составу электро­изоляционные материалы делятся на орга­нические и неорганические. Основным эле­ментом в молекулах всех органических элек­троизоляционных материалов является уг­лерод. В неорганических диэлектриках уг­лерода не содержится. Наибольшей нагревостойкостьюобладают неорганические электроизоляционные материалы (слюда, керамикаи др.).

По расположению частиц, составля­ющих электроизоляционные материалы, по­следние делятся на материалы кристалличе­ской и аморфной структуры.

По электрическому состоянию молекул электроизоляционные материалы делят на неполярныеи полярные. Не­полярные электроизоляционные материалы состоят из электрически нейтральных ато­мов и молекул, которые до воздействия на них внешнего электрического поля не обладают электрическими моментами. Нейтраль­ные атомы и молекулы приобретают элек­трические моменты только под действием внешнего электрического поля – в процессе деформационных поляризаций.

Природа химической связи между атомами вещества оп­ределяет его химические свойства, но не объясняет причин его фазового состояния – газового, жидкого или твёрдого.

Состояние вещества определяется его структурой и харак­тером взаимодействия между его частицами (атомами, моле­кулами или ионами), что позволяет объяснить все механиче­ские, многие физические и некоторые физико-химические свойства реально существующих материалов.

При нормальных или близких к ним условиях вещества могут находиться в газовом, жидком или твёрдом состоянии. Частицы (атомы или молекулы) вещества, находящегося в газовом состоянии, совершают индивидуальные поступа­тельные движения с различными скоростями и практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому внутренняя структура газа характеризуется полным беспорядком в распо­ложении частиц, а сам газ не сохраняет ни объёма, ни формы.

Жидкое и твёрдое состояния вещества называют конденсированным состоянием, так как процесс пре­вращения газа (пара) в жидкость или в твёрдое тело заключа­ется в его «сгущении», «уплотнении», что обозначается тер­мином «конденсация». Необходимым условием перехода ве­щества в конденсированное состояние является установление связей между его отдельными частицами, в результате чего вещество приобретает собственный объём. Взаимодействие между частицами вещества заставляет их располагаться определённым образом друг относительно друга, что приводит к по­рядку во внутренней структуре вещества .

Так, если молекула воды может одновременно взаимодейство­вать с четырьмя другими молекулами воды, то каждая из них окру­жается четырьмя соседними. Соседние молекулы в свою очередь также координируют вокруг себя по четыре молекулы, а те, в свою очередь, имеют по че­тыре соседних и т.д. Координационное число молекулы воды равно четырём.

Это приводит к тому, что весь объём вещества как бы пронизывается невидимой трёхмерной сеткой связей между его частицами. Все частицы в веществе друг через друга становятся взаимно связанными.

Как показывает эксперимент, частицы жидкости совер­шают в секунду (1012 – 1013) колебаний, находясь в определён­ном месте в течение (10-11–10-10) с. Следовательно, до переско­ка в новое положение или до перестройки структуры частица успевает совершить от 10 до 103 колебаний. Иначе говоря, только от 0,1 до 10 % колебательных движений части­цы приводят к её перемещению в пространстве. В этом прояв­ляются черты сходства жидкого тела с твёрдым, в котором по­чти ни одно колебание молекулы (или атома) не сопровожда­ется её переходом на другое место. В то же время в газе все частицы совершают поступательное движение (рисунок 4.1). Но если твёрдое тело характеризуется практически неизменным относительным расположением частиц, то в жидкости в ре­зультате теплового движения частиц структура в отдельных областях уплотняется за счёт других мест, где она становится более рыхлой. Такие постоянные кратковременные местные изменения в структуре жидкости получили названия флуктуации, из-за чего сама структура становится «размытой», искажённой. Поэтому для жидкости говорят о ближ­нем порядке в расположении её частиц.

Рисунок 4.1 – Схемы перемещения частиц вещества в газе (а), в жидкости (б) и в твёрдом теле (в); цифры обозначают местонахождение частицы в разные моменты времени

Под действием внешних сил, например, силы тяжести, происходит перемещение отдельных скоплений частиц в жидкости, т. е. флуктуация её плотности становится направленной. В ре­зультате жидкость течёт, т.е. перемещается с изменением своей формы, но с сохранением общего объёма (при отсутствии испарения) в сторону приложенной силы. Таким образом, текучесть – это специфическое свойство жидкого тела, вы­званное ограниченной подвижностью его структурных единиц.

Тепловое движение молекул вещества обусловливает его способность к диффузии, т. е. к самопроизвольному переходу вещества в те области пространства, где его концентрация меньше или равна нулю. Способность к диффузии объясняет стремление веществ к взаимному смешению, что проявляется в самых различных природных и искусственных процессах – испарении, растворении, осмосе, клеении и пр.

При нагревании жидкости энергия теплового движения её час­тиц начинает превышать энергию взаимодействия между ними, и поверхностное натяжение уменьшается. При определённой темпера­туре, как было установлено Д.И. Менделеевым (1860 г.), поверхност­ное натяжение становится равным нулю. Выше этой температуры, независимо от давления, вещество не может находиться в конденси­рованном состоянии и существует только как газ. Такая температура называется критической.

Структура жидкости очень чувствительна к изменениям температуры. При температурах, близких к температуре плавления, строение жидкости приближается к строению твёрдого тела, так как содержит зачатки кристаллической структуры, и наоборот, при температурах, близких к темпера­туре кипения, упорядоченность в расположении частиц жид­кости сводится к минимуму, и начинается интенсивное испа­рение. С точки зрения строения вещества жидкое состояние является самым переменчивым и многообразным, а поэтому и наименее изученным.

Твёрдое состояние.Вещества при затвердевании приобре­тают структуру, в которой имеется дальний порядок в распо­ложении составляющих их частиц (молекул, атомов или ионов). Другими словами, достаточно знать ближнее окруже­ние частиц, чтобы иметь возможность предвидеть их располо­жение во всем объёме тврдого тела.

Поверхностные слои атомов – грани тела – направлены друг к другу под определёнными углами, благодаря чему ве­щества в твёрдом состоянии имеют индивидуальную форму и называются кристаллами. Кристаллическая структура вещества термодинамически более устойчива, чем аморфная. Это объясняется тем, что регулярное расположение частиц в кристалле позволяет им устанавливать между собой макси­мальное число связей, что способствует снижению запаса внутренней энергии в веществе.

Плотную упаковку частиц можно представить как укладку ша­ров одинакового размера, при которой координационное число каж­дого шара (т. е. число соседних шаров, с которыми он имеет контакт) равно 12. Столь высокое его значение в реальном кристалле может служить признаком ненаправленных и ненасыщенных связей между частицами. В некоторых металлах (Mg, Сu, Ag, Аu, Al, Pb и др.) и в кристаллах благородных газов координационные числа атомов рав­ны 12. В ионных кристаллах значения координационных чисел для ионов несколько меньше. В хлориде цезия CsCl координационные числа ионов Cs+ и С1- равны 8, в хлориде натрия NaCl – 6. Во мно­гих металлах координационные числа атомов также не превышают 8 (щелочные металлы, Ва, V, Nb, Та и др.). В атомных кристаллах (на­пример, в алмазе) координационные числа атомов обычно не превы­шают 4. В рутиле ТiO2 координационное число (Ti) = 6 и координационное число (О) = 3, в сульфиде цинка ZnS координационное число (Zn и S) = 4. В кристаллах льда для молекул воды координационное число 4.

В чём причина невысоких значений координационных чисел атомов, ионов или молекул, из которых построены кристаллы? Все­стороннему максимальному сближению частиц в кристалле могут препятствовать два фактора: во-первых, определённая направлен­ность связей между частицами и, во-вторых, несоответствие их раз­меров. Направленность связей играет решающую роль в расположе­нии частиц, между которыми устанавливаются атомные или водо­родные связи. Поэтому координационные числа атомов в атомных кристаллах совпадают с валентностью элемента, а координационные числа молекул, образующих Н-связи, – с числом этих связей, обра­зуемых каждой молекулой. Этот же фактор может проявляться в структуре металлических и ионных кристаллов, если в связях меж­ду атомами металлов или ионами имеются признаки атомной связи. В ионных кристаллах на взаимное расположение ионов в основном влияют несоответствие их размеров и электростатическое отталкива­ние одноименно заряженных ионов.

Регулярная структура кристаллических тел, характери­зующаяся направленностью в расположении частиц, придаёт им отличительную особенность – анизотропию (неодинаковость) их свойств по разным направлениям. Иначе говоря, свойства кристалла (прочность, светопоглощение, тепло­проводность и электрическая проводимость, скорость раство­рения, химическая активностьи др.) зависят от его ориента­ции по отношению к направлению оказываемого воздействия.

Если признаки газового состояния вещества очевидны (отсутст­вие собственного объёма и тем более формы: беспорядочное располо­жение частиц), то при оценке конденсированного состояния (твёрдое или жидкое) могут возникнуть кажущиеся противоречия. Поэтому, указывая, в каком состоянии находится вещество, следует уточнять признаки, по которым это сделано. В зависимости от критериев оцен­ки различают агрегатное и фазовое состояния вещества (таблица 4.1).

Агрегатное состояние вещества определяется способностью его образца сохранять собственный объём и форму. Если такая способ­ность имеется, то считается, что вещество находится в твёрдом со­стоянии. Если же вещество имеет собственный объём, но за достаточ­но малый промежуток времени (соизмеримый с продолжительно­стью эксперимента) самопроизвольно изменяет свою форму, то оно находится в жидком состоянии.

Фазовое состояние вещества определяется упорядоченно­стью его внутренней структуры. Если в расположении хими­ческих частиц в веществе имеется дальний порядок, то оно на­ходится в твёрдом (кристаллическом) состоянии. При частич­ном нарушении порядка в расположении частиц остаётся ближний порядок и вещество находится в жидком состоянии.

Такой подход к оценке состояния вещества, называемый термодинамическим, является более строгим, так как переход вещества из одного фазового состояния в другое (называемый «фазовым переходом») приводит к скачкообразному изменению свойств вещества (теплоёмкости, плотности, прочности и пр.). Поэтому, если проследить за изменением какой-либо физической ве­личины (например, удельного объёма), характеризующей изучаемое вещество при его нагревании или охлаждении, то можно легко за­метить, как монотонное увеличение или уменьшение этой величины резко нарушается при определённых температурах, соответствую­щих фазовым переходам. При переходе от твёрдого состояния к жид­кому и затем газовому (или при обратном переходе) значения этих температур при нормальном давлении называются температурами плавления (или кристаллизации) и кипения (или сжижения) вещества.

Таблица 4.1 — Различные состояния веществ

Критерии оценки состояния вещества
по внутренней структуре по наличию собственного объёма и формы по способности к изме­нению формы
признаки фазовое состояние признаки агрегатное состояние Признаки Физическое состояние
Даль­ний по­рядок Твёрдое (кристал­лическое) Наличие собственного объёма и формы Твёрдое Изменяет мало Стекло­образное
Ближ­ний по­рядок Жидкое Изменяет сильно Высокоэлас­тическое
Наличие собственно­го объёма Жидкое Изменяет неограни­ченно Вязко­текучее
Отсутст­вие по­рядка Газовое Отсутствие собственно­го объёма Газовое

Физические 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. При этом надо заметить, что 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 их эксплуатации может изменяться в пределах 10−5—108 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют 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.

Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 18 МОм·см.

Использование

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

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 диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

  1. Леванюк А. П. Диэлектрики // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 694—698. — 704 с. — 100 000 экз.
  2. В. В. Никольский, Т. И. Никольская. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989.
  3. Ток проводимости — направленное движение электрических зарядов
  4. Рез, 1989, с. 18.
  • Диэлектрик // Большая советская энциклопедия : / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  • Характеристики электроизоляционных материалов
  • Производство диэлектриков

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *