Диэлектриктер. Диэлектриктердің қасиеттері презентация

электр өткізгіштігімен байланысты түрлі электрлік үрдістер өтеді. Үлкен кернеу кезінде диэлектриктердің пробой деп аталатын бұзылуы болуы мүмкін. Бұл үрдістер диэлектриктердің қасиеттерін анықтайды, яғни, олардың радиоқұрылғылардағы жұмыстарының сенімділігін анықтайды, сондықтан осы үрдістерді қарастырайық.

Диэлектриктер – электрөткізгіштігі аз заттар, себебі олардың еркін зарядталған бөлшектері – электрондар және иондар аз. Бұл бөлшектер диэлектриктерде тек жоғары температураларда ғана пайда болады. Диэлектриктер газтәріздес (газдар, ауа), сұйық (майлар, сұйық органикалық заттар) және қатты (парафин, полиэтилен, тасқабат, керамика және т.б.) болып келеді.

болады. Диэлектриктің поляризациясымен маңызды сипаттамаларының бірі - заттың диэлектрлік өтімділігі ε.
Диэлектрлік өтімділік диэлектриктегі электр өрісінің вакуумдағы электр өрісінен қанша есе кіші екенін көрсетеді және поляризация үрдісінің интенсивтілігі мен диэлектриктің сапасын көруге мүмкіндік береді. Диэлектрик поляризациясы поляризацияның түрлі механизмдерінің қосындыларының әрекетін анықтайды. Диэлектрик өтімділігінің температуралық және жиіліктік тәуелділігі поляризация механизмдері және олардың диэлектрик поляризациясына салыстырмалы үлесі туралы ақпаратты қамтиды. Поляризация құбылыстарын қарастыра отырып, келесі екі топты атай кету керек:
Серпімді поляризациясы, іс жүзінде электр өрісінің әсерінен лезде ағатын, диэлектрикте (жылу бөлу) энергияның шашырау (жоғалу) заңдылығымен сәйкес келмейтін;
 релаксациялық поляризация, кейбір уақыт аралығында өсіп, кемитін және диэлектрикте энергияның шашырау заңдылығымен сәйкес келетін, яғни оның қыздырылуымен.
Поляризацияның мынадай түрлері бар:

1. Диэлектриктердің поляризациясы

өзекке қатысты оң электродқа қарай жылжиды.
Орын ауыстырған атомдар өзектерінің оң зарядталған электрондары серпімді диполь деп аталатын бір-бірімен сабақтас байланысқан электр зарядтарын құрайды. Олардың құрылуы лезде болады (10-15 с). Егер диэлектриктен кернеу алынса олар жоғалып кетеди. Серпімді дипольдардың бұл құрылу процесі электродық поляризация деп аталады.
ε шамасы αэ атомының поляризациясын анықтайтын диэлектриктегі атомдардың (молекулалардың) шоғырлануына және олардың құрылымына тәуелді, және мына теңдеумен сипатталады:
ε = 1 + nαэ,
мұндағы ε – диэлектрлік өтімділік; n – диэлектриктегі бөлшектердің шоғырлануы (атомдардың, молекулалардың); αэ – молекула немесе атомның құрылымымен анықталатын электрондық поляризация.
Егер диэлектрик кристалл болса, онда ε аморфты диэлектрикке қарағанда көбірек, себебі атомдар мен молекулалардың ораушы тығыздығы кристалдық күйде көбірек болады.
Таза электрондық поляризацияланған заттың диэлектрлік өтімділігі жарықтың сыну көрсеткішінің n квадратына тең.
ε = n2.
Электрондық орбиталардың деформациясы температураға тәуелді емес, электрондық поляризация, демек, диэлектрлік өтімділік ε диэлектриктің температурасы ұлғайған сайын азаяды, себебі оның көлемі ұлғаяды және бірлік көлемдегі бөлшектер саны азаяды.

2)     Иондық поляризация (немесе иондық поляризацияның жылжуы).

үшін тән, яғни кристалдық диэлектриктер үшін. Кристалдық тордың түйіндерінде орналасқан әрбір иондық кристалл оң және теріс иондардан тұрады. Кернеу берген кезде электрлік күштер әсер ете бастайды, және иондар жылжиды: оң иондар – бір бағытта, теріс иондар – қарама қарсы бағытта. Иондардың әрбір жұбы серпімді диполь құрайды. Иондық поляризацияның айқындау уақыты 10-13 с. Поляризациондық жылжу процесімен қатар электрондық поляризация ағады. Бұл процестердің кристалдық диэлектриктегі интенсивтілігі үлкен, сондықтан ε = 7 ÷ 12 үлкен және жоғары.
Электрондық және иондық поляризациялар серпімді поляризацияға жатады. Бұдан ары қарастырылатын қалғандары релаксациялық поляризацияның түрлі әсерлері болып табылады.

2)     Иондық поляризация 

қозғалысымен байланысты.
Диэлектрик полярлық молекулалардан тұруы мүмкін. Бұндай молекула оң және теріс иондардан және оның дипольдік электрлік моментінен тұрады.
μ = q·l,
q – бір ионның заряды; l – иондар ортасы арасындағы арақашықтық. Зарядтардың бұндай жүйесі қатты диполь деп аталады, ал полярлық молекулалардан тұратын диэлектрик – полярлық деп аталады.
Хаостық жылулық қозғалыста болатын дипольдық молекулалар поляризацияның себебі болатын ішінара өрістің қозғалысымен бағытталады. Өріс бағытындағы дипольдар бұрылысы тұтқыр ортада ағады және ортаның тұтқыр кедергісінің күшін жеңу жұмыстарымен байланысты, сондықтан дипольдік поляризация энергияның жоғалуымен байланысты.
Өрістің әсерімен радикалдарда бағытталады (атомдар тобы) – бұл дипольдік – радикалды поляризация.
Температураның ұлғаюымен ортаның тұтқырлығы азаяды, және тұтқырлық үлкен болганда дипольдік поляризация өседі. Бірақ жылулық қозғалыс жөнсіздігі біртіндеп өсе келе дипольдар бағыттарына ие болады, яғни температура ұлғайған сайын дипольдік бағыт тқмендей бастайды.
Бұл поляризация газ және сұйықтықтарға тән, сонымен қатар құрамында радикалдары бар қатты полярлық органикалық заттарға тән. 10-2 с уақыт аралығында болады. Өрісті алғаннан кейін бағыт әлсірейді (релаксация болады).

3)     Дипольдік релаксациялық поляризация (бағытталған).

әсерінен пайда болады. Жоғары сыну көрсеткіші және электрондық жылуөткізгіштігі бар диэлектриктер үшін, сонымен қатар жартылайөткізгіштерге тән.
5)     Серпімді – дипольдік поляризация
Поляризация бекітілген және тек аз ғана бұрышқа шектеліп бұрылатын кейбір кристалдардың дипольдік молекулаларында байқалады.
6)     Жікаралық поляризация
Поляризация өткізетін және жартылайөткізетін қосындылармен және әр түрлі өткізгіштігі бар жіктермен сипатталады. Поляризация төменгі жиіліктерде құрылымы біртекті емес қатты денелерде байқалады (қабықшалы пластиктер), және электр энергиясының түбегейлі жоғалуымен байланысты.
7)     Қалдық поляризация
Поляризация диэлектрикте кернеуді алғаннан кейін ұзақ уақыт бойы болады. Поляризацияның бұл түрі электреттерде байқалады. Электр өрісінің кернеулігіне және температураға күшті тәуелді болып келеді.

аумақтарға бөлетін (домендер) сегнетоэлектриктер мен заттарға тән. Өріс жоқ кездегі домендердің дипольдік моментінің өзара бағыттары мынадай, заттың дипольдік моментінің жиынтығы нолге тең. Өрістердің қабаттасуы өте қатты поляризацияны тудыратын домендардың дипольдік моментерін бағыттайды. Поляризация электр өрісінің кернеуіне сызықты емес тәуелді және электр өрісі кернеулігінің кейбір мәндерінде қанығуға жетеді. Сондықтан сегнетоэлектриктің диэлектрлік өтімділігі оның нақты бір мәнінде максимумға жететін электр өрісінің кернеулігінен сызықты емес тәуелді болады. Сонымен қатар, диэлектрлік өтімділіктің температуралық тәуелділігі белгілі бір температураларда бір немесе бірнеше максимумдарға ие болады (стронций және барий титанаттары). Сегнетоэлектриктердегі жоспарсыз поляризация Кюри температурасы деп аталатын температурадан жоғары жоғалатын температураның белгілі бір аумағында айқындалады. Бұл температура кезінде сегнетоэлектрикте екінші ретті фазалық ауысу байқалады, яғни кристалдық құрылымның түрі өзгереді.

.

және дипольдық болуы мүмкін.
Газдар молекулалар арасындағы үлкен арақашықтық үшін аз тығыздыққа ие. Сондықтан газдардың поляризациясын ескермеуге болады және қалыпты қысым кезінде газдардың диэлектрлік өтімділігі ε 1-ге жақын.
Газдардың диэлектрлік өтімділігі молекулалар радиусының өсуімен өседі, себебі радиустың өсуімен молекуланың поляризациялануы өседі. Газдардың диэлектрлік өтімділігінің қысым p  және температураға T тәуелділігі молекулалар шоғырлануының n өзгерісімен анықталады.
p = nkT.
Мұндағы k -  Больцман тұрақтысы. 

Заттың диэлектрлік өтімділігі

жақын.
ε = n2
Бейтарап сұйықтар үшін ε температура өскен сайын азаяды, бұл температура өскен сайын сұйықтық тығыздығының азаюымен байланысты, яғни, молекулалар шоғырлануының азаюы деген сөз.
Бензол, толуол үшін ε = n2 ≈ 2.
 
Дипольдық (полярлық) сұйықтарда бір уақытта электрондық, дипольдық–релаксациялық поляризация өтеді. Дипольдардың электр моменті μ және бірлік көлемдегі молекулалар саны неғұрлым көп болса, ε соғұрлым көп болады. Полярлық сұйықтың диэлектрлік өтімділігі биполярлыққа қарағанда көп. Мысалы, кастор майының ε = 4,5.
Полярлық сұйықтардың температуралық тәуелділігі ε сұйықтар тұтқырының кенет өзгеретін аймағындағы дипольдік максимуммен сипатталады. Электр өрісінің жиілігінің өсуімен полярлық сұйықтардың диэлектрлік өтімділігі электрондық поляризациямен анықталатын мәнге дейін төмендейді.
ε(ω)ω→∞= n2

Сұйық диэлектриктер

ε = n2, бұл төмендегі 20 ºС температурада биполярлық диэлектриктер үшін келтірілген қорытындыларда расталады.
Бөлшектердің тығыз ораушысы бар иондық кристалдар электрондық және иондық поляризацияға ие. ε кең диапазондарда өзгереді. Әдетте температура өскен сайын ε өседі. Бейорганикалық аморфты диэлектриктерде (шыныларда) ε 4-тен 20-ға дейін өзгереді, температура өскен сайын өседі, алайда (рутил TiO2, кальций титанаты CaTiO3) жағдайларында өзгеруі де мүмкін.
Органикалық полярлық диэлектриктерде дипольдық–релаксациялық поляризация бар. ε кең ауқымда өзгереді, бірақ әдетте 4 – 10 мәндеріне ие. Диэлектрлік өтімділік температураға, берілген кернеудің жиілігіне тәуелді, полярлық сұйықтарда көрсетілетін заңдылықтарға бағынады.

өткізеді. Бірақ диэлектриктерде өте аз шамадағы тоқтар өтеді, тіпті оларға үлкен кернеу әсер етсе де (500 В және жоғары).
Диэлектриктердегі электр тоғы – бұл электрондар мен иондардың бағытталған қозғалысы: оң және (немесе) теріс иондар.

Диэлектриктердің электрөткізгіштігі

зарядталған ірі коллоидтық бөлшектердің болуы және де басқа факторлар.
Биполяр сұйықтардың электрөткізгіштігі диссоциацияланған қоспалар мен ылғалдылықтарға тәуелді болады. Полярлы сұйықтарда электрөткізгіштік қоспалардан басқа сұйықтың өзінің диссоциацияланған иондарымен пайда болады. Биполяр сұйықтармен салыстырғанда поляр сұйықтар жоғары өткізгіштікке ие. Диэлектрлік өтімділік жоғарылаған сайын өткізгіштік өседі. Сұйықтарды қоспалардан тазалау олардың өткізгіштігін азайтады.
Сұйық диэлектриктің меншікті өткізгіштігі температураға экспоненциалды тәуелді және мына теңдеумен өрнектеледі
мұндағы А және a – сұйықты сипаттайтын тұрақтылар.
Температура өскен сайын сұйық өткізгіштігінің өсуі оның иондарының қозғалғыштығының өсуіне алып келетін тұтқырлығының азаюымен және диссоциация дәрежелерінің өсуімен туындайды.
Әлсіз өріс аумақтарындағы тоқ сұйық диэлектриктерде Ом заңымен сипатталады. Газға қарағанда әдетте тоққа байланысты сұйық диэлектрик кернеуінде қанығу аймағы болмайды, алайда ол сұйықты тазалаудың жоғары дәрежесінде пайда болуы мүмкін. 10 – 100 МВ/м артатын жоғары өріс аймағында Ом заңы өрістің әсерімен қозғалатын иондар санының өсуі нәтижесінде бұзылады.

Сұйық диэлектриктердің электрөткізгіштігі

бос электрондардың қозғалысымен диэлектрик электрөткізгіштігі шартталған. Электрлік электрөткізгіштік өте күшті электр өрісі болса ғана байқалады. Төменгі температураларда әлсіз орныққан иондар және қоспалар иондары, ал жоғарғы температураларда термиялық босатылған кристаллдық тор иондары қозғалысқа ұшырайды. Электрондық электрөткізгішке қарағанда иондық электрөткізгіш кезінде зат алмасу жүреді.
Қатты диэлектриктердің салыстырмалы өткізгіштігінің температуралық тәуелділігі былай өрнектеледі
мұндағы W – заряд тасымалдаушылардың активацияэнергиясы, k –Больцман тұрақтысы.
Тас тұзы үшін натрий ионының активация энергиясы 0,85 эВ, хлор иондары үшін 2,5 эВ, электрондар үшін 6,0 эВ.
Бір валенттік иондық кристаллдарың өткізгіштігі, мысалы NaCl, көпваленттік иондық кристаллдарға (MgO, Al2O3)қарағанда көбірек болады.
Электр өрісінің кернеулілігі жоғары болған жағдайда (10 - 100 МВ/м жоғары болса) кристаллдық диэлектрикте өріс кернеулілігінің жылдам өсуіне байланысты, Ом заңының бұзылуына әкелетін біршама электр тогы пайда болады.

. Қатты диэлектриктердің электрөткізгіштігі

қасиеттерін, сонымен қатар, диэлектриктің химиялық тұрақтылығын және активтілгін, тропикотұрақтылығы мен радиациялық тұрақтылығын ескеру қажет.

Диэлектриктердің физико–механикалық және химиялық қасиеттері

сенімділігі. Дымқылға тұрақтылық дымқыл және суөткізгіштігімен; дымқыл және сужұтқыштығымен; жоғарғы және жоғарылатылған дымқыл атмосферасында орналасқан материалдың электрлік, механикалық және басқа физикалық қасиеттерінің өзгерісімен анықталады.
Дымқылөткізгіштігі – материалдың екі жағында екі түрлі салыстырмалы дымқыл буы болған жағдайда материалдың дымқыл бу өткізу қабілеттілігі.
Дымқылжұтқыштығы – қанығу күйіне жақын дымқыл атмосферасында ұзақ уақыт бойы болғандағы материалдың суды сіңіру қабілеттілігі.
Сужұтқыштығы – ұзақ уақыт суда болғандағы материалдың суды сіңіру қабілеттілігі.
Тропикотұрақтылығы және құрылғының тропикализациясы – электрлік құрылғыны дымқылдан, көгеруден және кеміргіштерден қорғау.

Диэлектриктердің дымқылдық қасиеттері

мен бұымдардың ешбір зиянсыз температураның жедел ауысуы мен жоғары температура әсеріне төтеп беру қабілеттілігі. Электрлік және механикалық қасиеттер неғұрлым өзгеріске ұшырауымен анықталады, мысалға, органикалық диэлектриктерде жүктеудің нәтижесінде созылу немесе бүгілу деформациясының пайда болуы.
Жылуөткізгіштігі – материалда жылу беру процессі.Тәжірибелік түрде анықаталатын λт. λт  коэффициентпен сипатталады, яғни, 1 секунд ішінде 1 м қалыңдықтағы және 1 м2  беттік қабат ауданда 1 °К температуралық өзгерісі кезіндегі жылу мөлшері. Диэлектриктердің жылуөткізгіштік коэффициенті кең аумақта ауысады. Газдар, кеуекті диэлектриктер және сұйықтар үшін λт ең төменгі мәнге ие (ауа үшін λт= 0,025 Вт/(м·К), су үшін λт = 0,58 Вт/(м·К)), ал кристаллық диэлектриктер жылуөткізгіштік коэффициенті ең жоғарғы мәнге ие. (кристаллдық кварц үшін λт = 12,5 Вт/(м·К))Диэлектриктердің жылуөткізгіштік коэффициенті олардың құрылымына (балқытылған кварц үшін λт = 1,25 Вт/(м·К)) және температураға тәуелді.
Диэлектриктердің жылулық кеңейуі температуралық коэффициенттің сызықтық ұлғаюымен бағаланады:
 
 
Жылулық ұлғаюы төмен мәнге ие материалдардың жылуға төзімділігі жоғарырақ болады, және керісінше жылулық ұлғаюы жоғары материалдардың жылуға төзімділігі төменірек болады. Органикалық диэлектриктердің жылулық ұлғаюы бейорганикалық диэлектриктерден жоғары (он және жүз есе) болып келеді. Сондықтан бейорганикалық диэлектрлік бұйымдардың өлшемінің тұрақтылығы температуралық тербеліс кезінде органикалыққа қарағанда алдеқайда жоғары болып табылады.

Диэлектриктердік жылулық қасиеттері

және толқындық сәулеленуге ұшырайды. Сәулелендіру кезіндегі материалдардың физико-химиялық қасиеттерінің тұрақтылығы, электрлік, механикалық және т.б. басқа қасиеттерін сақтап қалу дәрежесі радиациялық шыдамдылық деп аталады.
Сәулеленудің затпен әрекеттесу нәтижесі заттың және сәулеленудің табиғатына байланысты. Сәулелену энергиясының шашырауы иондалу нәтижесінде (ішкі фотоэффект), атомдардың қозуынан, комптон шашырауынан, өте жоғары энергия кезінде ядролық түрлену нәтижесінде пайда болады. Энергияның біраз бөлігі түйінаралық атомдарды жұлуға жұмсалады, яғни, материалдың беттік қабатында құрылымдық дефектілерді, вакансия және түйінаралық атомдарды туындату үшін. Бірақ бөлшектердің орын алмасуының ұзындығы үлкен сәулелену, мысалға нейтрондар болса онда мұндай сәулелену материалдың барлық көлемі бойынша құрылымның өзгеруіне әкеледі.
Сәулелену әсерінен химиялық өзгерулер болуы мүмкін, химиялық байланыстар бұзылуы немесе алмасады, бос радикалдар пайда болады. Осылайша органикалық полимерлерде газ бөліну, екі реттік байланыстың түзілуі және жойылуы, полимеризация, көлденең байланыстардың пайда болуы, вулканизация құбылыстары болады. Химиялық өзгерулер материалдардың физикалық қасиеттерінің өзгеруіне әкеледі.
Сәлеленуге төзімді материалдар келесі касиетке ие болуы кажет:
 Энергияны өлшеусіз ионизациясыз жұту қасиетіне;
 Байланыстарды үзбей көбінесе екілік байланыстарды түзе алатын касиетке.
Сәулеленуге ең шыдамды бейорганикалық диэлектриктерге: кварц, слюда, глинозем, цирконий оксиді,бериллий оксидіжәнеәйнектәріздес байланысқа ие слюдалық материалдар жатады. Сәулелену әсерінен салыстырмалы кедергісі мен электрлік беріктілігі кемиді. Сәулеленген бейорганикалық диэлектриктерді жоғарғы температурада күйдірсе олардың алғашқы касиеттерін қайта қалпына келтіру мүмкіншілігі бар.
Полиэтилен, полистирол, синтетикалық және табиғи каучуктергежәне т.б.органикалық поримерлерге радиоактивтілік сәулеленудің әсерін зерттеп келгенде ароматикалық байланыстардың[5]алифатикалық байланыстарға[6] қарағанда радиацияға төзімділігі жоғары болып табылады. Бензолдық сақиналар[7] ешбір деструкциясыз радиоактивті сәулені жұтады деп саналады. Соның нәтижесінде бензолдық сақиналы байланыстардың (полистирол) радиациялық төзімділігі алифатикалық бензолдық сақинасыз полимерлерге (полиэтилен, фторопласт) қарағанда жоғары болады. Радиацияға ең төзімсізі полидиметилсилоксандар[8] болып табылады. Фенилдық топтар[9] полимерлерде радиацияға төзімділікті арттырады. 

Диэлектриктердің радиациялық шыдамдылығы

сіңіру үшін, конденсаторларда, трансформаторларда, өшіргіштерде және кірістерде пайдаланады. Сонымен қатар, олар трансформаторда жылу алып жүргіштер ретінде, өшіргіштерде доғаөшіргіштер ретінде т.б. пайдаланылады.

Газтәріздесдиэлектриктер Ауа және газдар иондалу процессіне дейін идеалды диэлектрик болып табылады. Космостық радиация әсерінен олардың электризоляциялау қасиеті төмендей түседін Ауаның электрлік беріктігі нормалды қысымда 2,1 МВ/м. Ауаның электрлік беріктігі электр өрісінің жиілігіне тікелей тәуелді. Жоғары қысымдағы ауаның электрлік беріктігі фарфор және трансформаторлық майдың беріктілігінен асып түседін. 

Оларды электротехникада трансформаторлық, кабельдік және конденсаторлық майлар ретінде пайдаланады. Осы майлармен электротехникалық құрылғылардың арасын және кеуегін толтырса құрылғының изоляциясының электрлің беріктігін жоғарылатып, бұйымның жылужіберу қасиетін жоғарылатады.
Трансформаторлық майды мұнайдан айырып шығару арқылы алады. Трансформаторлық майдың электрлік қасиеттері газсыздандыру дәрежесіне, құрамындағы судың болуына, майды әртүрлі қоспалардан тазартқанына тәуелді. Майдың диэлектрлік өтімділігі 2,2, салыстырмалыэлектрліккедергісі 1013 Ом·м.
Трансформаторлық майлар изоляцияның электрлік беріктігін арттыруға; майлық өшіргіштерде доғаөшіруге, электрлотехникалық бұйымдардағы: реостаттарда, қағаз конденсаторларда, қағазды изоляцияланған кабельдерде, мықты кабелдерде құю және сіңіру нәтижесінде электроизоляциялық сапаны арттыруға тағайындалған.
Пайдалану процессінде трансформаторлық май ескіреді, яғни, оның сапасы төмендейді. Майдың ауамен әрекеттесуі, температураның жоғарылауы, металдармен (Сu, Рb, Fе) айқасуы, жарықтың әсері – осының бәрі майдың ескіруіне әкеледі. Ингибиторларды қосып, ескірген өнімді жойып және тазалап майдың жұмыс істеу мерзімін арттыруға болады.
Кабельдік және конденсаторлық майлар трансформаторлық майлардан тазалаудың жоғарғы сапасымен ерекшеленеді.

Мұнайлымайлар

Мұнайлық майларға қарағанда диэлектрлік өтімділігі жоғарырақ. Соволдың диэлектрлік өтімділігі шамамен 5,0, салыстырмалы электрлік кедергісі 1011 ¸ 1012Ом·м.  Совол жоғары салыстырмалы сыйымдылыққа ие және төменгі кернеуде жұмыс істейтін мықты қағаздан жасалған ирадиоконденсаторларда қолданылады.  .
Совтол –соволдың трихлорбензолмен қоспасы. Жарылудан қауіпті трансформаторларда пайдаланылады.

Синтетикалық сұйық диэлектриктер Синтетикалық сұйық диэлектриктер кейбір қасиеттері бойынша мұнайлық электроизоляциялық майлардан артық болып табылады.