Диэлектрики. Виды и работа. Свойства и применение. Особенности

Диэлектрики — это вещество, которое не проводит, или плохо проводит электрический ток. Носители заряда в диэлектрике имеют плотность не больше 108 штук на кубический сантиметр. Одним из основных свойств таких материалов является способность поляризации в электрическом поле.

Параметр, характеризующий диэлектрики, называется диэлектрической проницаемостью, которая может иметь дисперсию. К диэлектрикам можно отнести химически чистую воду, воздух, пластмассы, смолы, стекло, различные газы.

Свойства диэлектриков

Если бы вещества имели свою геральдику, то герб сегнетовой соли непременно украсили бы виноградные лозы, петля гистерезиса, и символика многих отраслей современной науки и техники.

Родословная сегнетовой соли начинается с 1672 года. Когда французский аптекарь Пьер Сегнет впервые получил с виноградных лоз бесцветные кристаллы и использовал их в медицинских целях.

Тогда еще невозможно было предположить, что эти кристаллы обладают удивительными свойствами. Эти свойства дали нам право из огромного числа диэлектриков выделить особые группы:

Пьезоэлектрики.
Пироэлектрики.
Сегнетоэлектрики.

Со времен Фарадея известно, что во внешнем электрическом поле диэлектрические материалы поляризуются. При этом каждая элементарная ячейка обладает электрическим моментом, аналогичным электрическому диполю. А суммарный дипольный момент единицы объема определяет вектор поляризации.

В обычных диэлектриках поляризация однозначно и линейно зависит от величины внешнего электрического поля. Поэтому диэлектрическая восприимчивость почти у всех диэлектриков величина постоянная.

P/E=X=const

Кристаллические решетки большинства диэлектриков построены из положительных и отрицательных ионов. Из кристаллических веществ наиболее высокой симметрией обладают кристаллы с кубической решеткой. Под действием внешнего электрического поля кристалл поляризуется, и симметрия его понижается. Когда внешнее поле исчезает, кристалл восстанавливает свою симметрию.

В некоторых кристаллах электрическая поляризация может возникать и при отсутствии внешнего поля, спонтанно. Так выглядит в поляризованном свете кристалл молибдената гадолиния. Обычно спонтанная поляризация неоднородная. Кристалл разбивается на домены – области с однородной поляризацией. Развитие многодоменной структуры уменьшает суммарную поляризацию.

Пироэлектрики

В пироэлектриках спонтанная поляризация экранирует со свободными зарядами, которые компенсируют связанные заряды. Нагревание пироэлектрика изменяет его поляризацию. При температуре плавления пироэлектрические свойства исчезают вовсе.

Часть пироэлектриков относится к сегнетоэлектрикам. У них направление поляризации может быть изменено внешним электрическим полем.

Существует гистерезисная зависимость между ориентацией поляризации сегнетоэлектрика и величиной внешнего поля.

В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от величины поля. При его дальнейшем увеличении все домены ориентируются по направлению поля, переходя в режим насыщения. При уменьшении поля до нуля кристалл остается поляризованным. Отрезок СО называют остаточной поляризацией.

Поле, при котором происходит изменение направления поляризации, отрезок ДО называют коэрцитивной силой.

Наконец, кристалл полностью меняет направление поляризации. При очередном изменении поля кривая поляризации замыкается.

Однако, сегнетоэлектрическое состояние кристалла существует лишь в определенной области температур. В частности, сегнетова соль имеет две точки Кюри: -18 и +24 градусов, в которых происходят фазовые переходы второго рода.

Группы сегнетоэлектриков

Микроскопическая теория фазовых переходов разделяет сегнетоэлектрики на две группы.

Первая группа

Титанат бария относится к первой группе, и как ее еще называют, группе сегнетоэлектриков типа смещения. В неполярном состоянии титанат бария имеет кубическую симметрию. При фазовом переходе в полярное состояние ионные подрешетки смещаются, симметрия кристаллической структуры понижается.

Вторая группа

Ко второй группе относят кристаллы типа нитрата натрия, у которых в неполярной фазе имеется разупорядоченная подрешетка структурных элементов. Здесь фазовый переход в полярное состояние связан с упорядочением структуры кристалла.

Причем в различных кристаллах может быть два или несколько вероятных положений равновесия. Существуют кристаллы, в которых цепочки диполя имеют антипараллельные ориентации. Суммарный дипольный момент таких кристаллов равен нулю. Такие кристаллы называют антисегнетоэлектриками. В них зависимость поляризации линейная, вплоть до критического значения поля.

Дальнейшее увеличение величины поля сопровождается переходом в сегнетоэлектрическую фазу.

Третья группа

Существует еще одна группа кристаллов – сегнетиэлектриков.

Ориентация дипольных моментов у них такова, что по одному направлению они имеют свойства антисегнетоэлектриков, а по-другому сегнетоэлектриков. Фазовые переходы у сегнетоэлектриков бывают двух родов.

При фазовом переходе второго рода в точке Кюри спонтанная поляризация плавно уменьшается до нуля, а диэлектрическая восприимчивость, меняясь резко, достигает огромных величин.

При фазовом переходе первого рода поляризация исчезает скачком. Также скачком изменяется электрическая восприимчивость.

Большая величина диэлектрической проницаемости, электрополяризации сегнетоэлектриков, делает их перспективными материалами современной техники. Например, уже широко используют нелинейные свойства прозрачной сегнетокерамики. Чем ярче свет, тем сильнее он поглощается специальными очками.

Это является эффективной защитой зрения рабочих в некоторых производствах, связанных с внезапными и интенсивными вспышками света. Для передачи информации с помощью лазерного луча применяют сегнетоэлектрические кристаллы с электрооптическим эффектом. В пределах прямой видимости лазерный луч моделируется в кристалле. Затем луч попадает в комплекс приемной аппаратуры, где информация выделяется и воспроизводится.

Пьезоэлектрический эффект

В 1880 году братья Кюри обнаружили, что в процессе деформации сегнетовой соли на ее поверхности возникают поляризационные заряды. Это явление было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Если на кристалл воздействовать внешним электрическим полем, он начинает деформироваться, то есть, возникает обратный пьезоэлектрический эффект.

Однако эти изменения не наблюдаются в кристаллах, имеющих центр симметрии, например, в сульфиде свинца.

Если на такой кристалл воздействовать внешним электрическим полем, подрешетки отрицательных и положительных ионов сместятся в противоположные стороны. Это приводит к поляризации кристаллов.

В данном случае мы наблюдаем электрострикцию, при которой деформация пропорциональна квадрату электрического поля. Поэтому электрострикцию относят к классу четных эффектов.

ΔX1=ΔX2

Если такой кристалл растягивать или сжимать, то электрические моменты положительных диполей будут равны по величине электрическим моментам отрицательных диполей. То есть, изменение поляризации диэлектрика не происходит, и пьезоэффект не возникает.

В кристаллах с низкой симметрией при деформации появляются дополнительные силы обратного пьезоэффекта, противодействующие внешним воздействиям.

Таким образом, в кристалле, у которого нет центра симметрии в распределении зарядов, величина и направление вектора смещения зависит от величины и направления внешнего поля.

Благодаря этому можно осуществлять различные типы деформации пьезокристаллов. Склеивая пьезоэлектрические пластинки, можно получить элемент, работающий на сжатие.

В этой конструкции пьезопластинка работает на изгиб.

Пьезокерамика

Если к такому пьезоэлементу приложить переменное поле, в нем возбудятся упругие колебания и возникнут акустические волны. Для изготовления пьезоэлектрических изделий применяют пьезокерамику. Она представляет собой поликристаллы сегнетоэлектрических соединений или твердые растворы на их основе. Изменяя состав компонентов и геометрические формы керамики, можно управлять ее пьезоэлектрическими параметрами.

Прямые и обратные пьезоэлектрические эффекты находят применение в разнообразной электронной аппаратуре. Многие узлы электроакустической, радиоэлектронной и измерительной аппаратуры: волноводы, резонаторы, умножители частоты, микросхемы, фильтры работают, используя свойства пьезокерамики.

Пьезоэлектрические двигатели

Активным элементом пьезоэлектрического двигателя служит пьезоэлемент.

В течение одного периода колебаний источника переменного электрического поля он растягивается и взаимодействует с ротором, а в другом возвращается в исходное положение.

Великолепные электрические и механические характеристики позволяют пьезодвигателю успешно конкурировать с обычными электрическими микромашинами.

Пьезоэлектрические трансформаторы

Принцип их действия также основан на использовании свойств пьезокерамики. Под действием входного напряжения в возбудителе возникает обратный пьезоэффект.

Dielektriki 21

Волна деформации передается в генераторную секцию, где за счет прямого пьезоэффекта изменяется поляризация диэлектрика, что приводит к изменению выходного напряжения.

Dielektriki 22

Так как в пьезотрансформаторе вход и выход гальванически развязаны, то функциональные возможности преобразования входного сигнала по напряжению и току, согласование его с нагрузкой по входу и выходу, лучше, чем у обычных трансформаторов.

Исследования разнообразных явлений сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества продолжаются. Нет сомнений, что в будущем появятся приборы, основанные на новых и удивительных физических эффектах в твердом теле.

Классификация диэлектриков

В зависимости от различных факторов они по-разному проявляют свои свойства изоляции, которые определяют их сферу использования. На приведенной схеме показана структура классификации диэлектриков.

В народном хозяйстве стали популярными диэлектрики, состоящие из неорганических и органических элементов.

Неорганические материалы – это соединения углерода с различными элементами. Углерод обладает высокой способностью к химическим соединениям.

Минеральные диэлектрики

Такой вид диэлектриков появился с развитием электротехнической промышленности. Технология производства минеральных диэлектриков и их видов значительно усовершенствована. Поэтому такие материалы уже вытесняют химические и натуральные диэлектрики.

К минеральным диэлектрическим материалам относятся:

Стекло (конденсаторы, лампы) – аморфный материал, состоит из системы сложных окислов: кремния, кальция, алюминия. Они улучшают диэлектрические качества материала.
Стеклоэмаль – наносится на металлическую поверхность.
Стекловолокно – нити из стекла, из которых получают стеклоткани.
Световоды – светопроводящее стекловолокно, жгут из волокон.
Ситаллы – кристаллические силикаты.
Керамика – фарфор, стеатит.
Слюда – микалекс, слюдопласт, миканит.
Асбест – минералы с волокнистым строением.

Разнообразные диэлектрики не всегда заменяют друг друга. Их сфера применения зависит от стоимости, удобства применения, свойств. Кроме изоляционных свойств, к диэлектрикам предъявляются тепловые, механические требования.

Жидкие диэлектрики

Нефтяные масла

Трансформаторное масло заливается в силовые виды трансформаторов. Оно наиболее популярно в электротехнике.

Кабельные масла применяются при изготовлении электрических кабелей. Ими пропитывают бумажную изоляцию кабелей. Это повышает электрическую прочность и отводит тепло.

Синтетические жидкие диэлектрики

Для пропитки конденсаторов необходим жидкий диэлектрик для увеличения емкости. Такими веществами являются жидкие диэлектрики на синтетической основе, которые превосходят нефтяные масла.

Хлорированные углеводороды образуются из углеводородов заменой в них молекул атомов водорода атомами хлора. Большую популярность имеют полярные продукты дифенила, в состав которых входит С₁₂ Н₁₀-nC Ln.

Их преимуществом является стойкость к горению. Из недостатков можно отметить их токсичность. Вязкость хлорированных дифенилов имеет высокий показатель, поэтому их приходится разбавлять мене вязкими углеводородами.

Кремнийорганические жидкости обладают низкой гигроскопичностью и высокой температурной стойкостью. Их вязкость очень мало зависит от температуры. Такие жидкости имеют высокую стоимость.

Фторорганические жидкости имеют аналогичные свойства. Некоторые образцы жидкости могут долго работать при 2000 градусов. Такие жидкости в виде октола состоят из смеси полимеров изобутилена, получаемых из продуктов газа крекинга нефти, имеют невысокую стоимость.

Природные смолы

Канифоль – это смола, имеющая повышенную хрупкость, и получаемая из живицы (смола сосны). Канифоль состоит из органических кислот, легко растворяется в нефтяных маслах при нагревании, а также в других углеводородах, спирте и скипидаре.

Температура размягчения канифоли равна 50-700°C. На открытом воздухе канифоль окисляется, быстрее размягчается, и хуже растворяется. Растворенная канифоль в нефтяном масле используется для пропитки кабелей.

Растительные масла

Эти масла представляют собой вязкие жидкости, которые получены из различных семян растений. Наиболее важное значение имеют высыхающие масла, которые могут при нагревании отвердевать. Тонкий слой масла на поверхности материала при высыхании образует твердую прочную электроизоляционную пленку.

Скорость высыхания масла повышается при возрастании температуры, освещении, при использовании катализаторов – сиккативов (соединения кобальта, кальция, свинца).

Льняное масло имеет золотисто-желтый цвет. Его получают из семян льна. Температура застывания льняного масла составляет -200°C.

Тунговое масло изготавливают из семян тунгового дерева. Такое дерево растет на Дальнем Востоке, а также на Кавказе. Это масло не токсично, но не является пищевым. Тунговое масло застывает при температуре 0-50 градусов. Такие масла используются в электротехнике для производства лаков, лакотканей, пропитки дерева, а также в качестве жидких диэлектриков.

Касторовое масло используется для пропитки конденсаторов с бумажным диэлектриком. Получают такое масло из семян клещевины. Застывает оно при температуре -10 -180°C. Касторовое масло легко растворяется в этиловом спирте, но нерастворимо в бензине.