Диэлектрики

Диэлектрики

ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, в которых может существовать электрическое поле. Электрические заряды, находящиеся в диэлектрике, смещаются под действием поля, ослабляя его. Если в диэлектрике имеются заряды, способные свободно перемещаться, то их движение будет продолжаться до тех пор, пока поле внутри диэлектрика не будет компенсировано полем, создаваемым этими зарядами. Чем выше электропроводность вещества, тем быстрее исчезает в нем электрическое поле. Поэтому электрические свойства таких тел, как металлы или хорошие электролиты, м. б. обнаружены только при очень кратковременных или частопеременных процессах. Типичными же диэлектриками, к которым обычно и относится это название, являются вещества, обладающие весьма большим удельным сопротивлением в 107 Ом и выше до 1020 Ом. Количественной характеристикой диэлектрика является диэлектрическая постоянная (диэлектрический) коэффициент ε - отношение между электростатической индукцией D и напряжением поля Е:

Dielektriki 1

Если внутри диэлектрика перпендикулярно к силовым линиям представить себе узкую щель площадью в 1 см2, то на обеих сторонах щели, благодаря смещению положительных зарядов в одну сторону, а отрицательных - в противоположную, появится электрический заряд Р, который называется диэлектрической поляризацией. Число линий индукции, создаваемой этой поляризацией, будет 4πР, которые вместе с линиями основного поля Е создадут индукцию D:

Dielektriki 2

Поляризация Р может считаться пропорциональной электрическому полю Е:

Dielektriki 3

Коэффициент k называется коэффициентом электризации. Существенную роль в учении о диэлектриках играет также сила F, действующая внутри диэлектрика на любую из его молекул. Чтобы подсчитать эту силу, нужно было бы выделить вокруг молекулы небольшое шаровое пространство. На молекулу, кроме внешнего поля Е, будут действовать также поля окружающих молекул, вызывая поляризацию среды:

Dielektriki 4

В случае молекул, обладающих достаточной симметрией α = 4π/3. Так как поляризация молекул вызвана действующей на них силой F, то можно считать

Dielektriki 5

где β будет пропорционально числу поляризованных молекул N. Если обозначить плотность вещества через ϱ, а его молекулярный вес через М, то для единицы объема N = ϱ/M, и, следовательно, поляризация Р единицы объема равна

Dielektriki 6

Здесь γ выражает поляризуемость отдельных молекул. Приведенные формулы дают следующие соотношения:

Dielektriki 7

Формула (8) представляет собою выражение закона Клаузиуса-Моссоти. Стоящая в левой части величина, которая может быть названа молекулярной поляризацией, характеризует собой химические свойства данного вещества. Она не зависит от его плотности и агрегатного состояния.

Поляризация диэлектриков может иметь двоякое происхождение: во-первых, раздвижение противоположных зарядов внутри каждого атома и каждой молекулы и, во-вторых, поворот по направлению электрического поля молекул, если они по своей химической структуре обладают уже электрическим диполем. В первом случае диэлектрическая постоянная почти не зависит от температуры и мало зависит от частоты переменного поля вплоть до тех высоких частот (порядка 1012 пер/сек. и выше), где уже начинает сказываться резонанс с собственными колебаниями молекул. В этом случае диэлектрическая постоянная ε близка к квадрату показателя преломления n для длинных волн: ε n2 и не превышает 3—4. Во втором случае поворот диполей по направлению поля противодействует тепловому движению, стремящемуся разбросать их по всевозможным направлениям. Чем ниже температура, тем слабее это противодействие и тем выше диэлектрическая постоянная.

Дебай, которому принадлежит теория дипольной поляризации и ее опытное изучение, дал для молекулярной поляризации следующее выражение:

Dielektriki 8

Здесь первый член правой части выражает, как в (8), поляризацию, вызванную только смещением зарядов, а второй член - поляризацию вследствие поворота диполей; μ представляет собою электрический момент диполя, а Т - абсолютную температуру.

Зависимость диэлектрической постоянной от частоты в случае поворота диполей определяется испытываемым им трением при повороте. С увеличением частоты наступает уменьшение диэлектрической постоянной, и при больших частотах в выражении (9) остается только первый член. Точно так же при переходе в твердое состояние поворот диполей либо делается невозможным, либо чрезвычайно затрудняется уже при небольших частотах. И в этом случае выражение (9) сводится к одному первому члену. Обычно второй член значительно больше первого, и поэтому диэлектрики с вращающимися диполями обладают диэлектрической постоянной порядка нескольких десятков (для воды, например, ε 80). В очень сильных электрических полях диэлектрическая постоянная дипольных жидкостей падает, т. к. наступает насыщение. Очевидно, например, что дальнейшее нарастание поля не может увеличить поляризацию, когда все диполи повернутся вдоль поля. Наконец, присутствие диполей в молекулах проявляется в величине сил молекулярных взаимодействий, которые ведут к образованию сложных ассоциированных молекул [в случае воды, например, (Н2О)6, (Н2О)4,..]. Дипольные моменты μ имеют следующие значения для некоторых жидкостей и газов в электростатических единицах: вода 1,87·10–18; хлористый водород 2,15·10–18, нитробензол 0,57·10–18; ацетон 0,34·10–18; этиловый эфир 1,18·10–18; углекислота 0,14·10–18; окись углерода 0,12·10–18.

Поляризуемость диэлектрических сред, очевидно, зависит от смещаемости зарядов внутри отдельной молекулы и от смещаемости молекул в отношении друг друга. Первая показывает принципиальную зависимость диэлектрического коэффициента от химического состава молекулы, а вторая - от физического состояния диэлектрической среды как агрегата молекул.

Зависимость от состава. О зависимости диэлектрического коэффициента от состава имеется несколько ценных указаний. Наиболее связное из них разработано П. И. Вальденом (в 1910 г.). Он подтвердил установленную Эггерсом (в 1904 г.) неаддитивность диэлектрического коэффициента: объединяясь в молекулы, атомы и атомные группы изменяют диэлектрические свойства друг друга. Затем Вальден установил существование атомных групп двоякого рода - диэлектрофоров и диэлектрогенов. Диэлектрофоры бывают трех родов: электроотрицательные радикалы

Dielektriki 9

соединение многовалентных элементов между собой [CN, SCN, NCS (изородан), NH2]; галоидные ионы (F, Cl, Br, J). Диэлектрогены - это электроположительные радикалы (Н, СН2, СН, ..., С6Н5, ..., т. е. водород, алкиловый, аллиловый и т. п. остатки). Диэлектрофоры - носители большой кондуктивности; диэлектрогены - условие раскрытия свойств диэлектрофоров. Диэлектрофоры при сочетаниях между собой не дают веществ высокой индуктивности. Равным образом не дает таких веществ и сочетание диэлектрогенов. Но вступление одного диэлектрофора в молекулу, содержащую одни только диэлектрогены, значительно повышает индуктивность. Примерами являются: Н2O, СН3ОН, HCN, CH3NO2 с соответствующими диэлектрическими коэффициентами - 80, 35, 95 и 40. Дальнейшее введение в ту же молекулу новых диэлектрофоров (второго, третьего и т. д.) ведет к понижению индуктивности; например:

Dielektriki 10

Но если второй вводимый в молекулу диэлектрофор отличен от первого, то они друг друга не подавляют, и индуктивность сложной молекулы оказывается возросшей; например:

Dielektriki 11

Твинг предложил формулу для вычисления диэлектрического коэффициента ε в зависимости от состава вещества:

Dielektriki 12

Здесь D - плотность вещества, М - молекулярный вес его, ε1, ε2, ..., εk - особые числа, характеризующие диэлектрическое поведение атомов или их групп, а1, а2, ..., аn - числа этих атомов или групп. Для элементарных атомов с атомным весом Ах, коэффициент εх равен 2,6 Ах или, иногда, аликвотной части этой величины; атомные же группы имеют особые соответствующие коэффициенты индуктивности, например: 1356 для ОН, 1520 для СО и т. д. Формула Твинга иногда вводит, однако, в грубую ошибку.

Траубе дает соотношение:

Dielektriki 13

где с изменяется между 0 и 30, но остается постоянной для целых классов тел.

Соотношение Ланга, относящееся к газам:

Dielektriki 14

где s есть сумма валентностей всех атомов, входящих в молекулу газа (например, s для СО2 будет 8).

Согласно правилу Д. К. Добросердова, индуктивность у металлоидов возрастает в периодической системе: по горизонтальным рядам вместе с валентностью, а по вертикали - вместе с атомным весом.

Индуктивность смесей и растворов. Смеси жидкостей между собою в различных отношениях не дают для ε точной линейной зависимости. Фиг. 1 показывает пример такой зависимости для смесей гексана с ацетоном.

Dielektriki 15

Пунктиром проведена кривая зависимости ε той же смеси от плотности при соответствующем процентном составе. Предложенные различными исследователями выражения для зависимости ε от пропорции раствора оказались, по исследованию Добросердова, одинаково точно выражающими ход явления, так что опыт не дал пока решающего основания для выбора какого-либо из них. Весьма приблизительно ε все-таки подчиняется закону смешения, и поэтому растворы, при весьма малом содержании электролита, почти неуловимо меняют индуктивность, хотя проводимость возрастает, например, в 5—6 раз; даже при изменении проводимости в 1000 раз индуктивность изменяется лишь в пределах 1%. Для дисперсных сред связь между диэлектрическим коэффициентом ε среды и коэффициентами ε1, ε2, ..., εn фаз, имеющих плотности D1, D2, ..., Dn, выведена Моссотти и Клаузиусом на основании предположения о сферичности частиц (n—1 веществ), взвешенных в среде. Это соотношение выражается следующим образом:

Dielektriki 16

где D1, D2, ..., Dn - частные плотности указанных фаз в смеси (т. е. отношение каждой массы каждой фазы к полному объему смеси). Соотношение Моссотти-Клаузиуса подтверждено опытом, поскольку частицы действительно были сферичны.

Зависимость ε от давления. Опытом установлена, как и следовало ожидать, линейная зависимость индуктивности от давления р в газах, вида

Dielektriki 17

где b - постоянный множитель, а р - давление. Для жидкостей установлено небольшое увеличение ε (порядка 1—3%) при возрастании р до 200 и более atm, а для твердых диэлектриков определенных результатов пока не получено.

Зависимость ε от температуры. Температурный коэффициент индуктивности диэлектриков довольно значителен; у газов и жидкостей он отрицателен, а у твердых тел б. ч. положителен. Жидкости подчиняются зависимости, установленной Аббеггом (в 1879 г.):

Dielektriki 18

где с - константа вещества. Для воды в промежутке температур от 4,7 до 20,75° имеется зависимость Геервагена:

Dielektriki 19

При сильном охлаждении (до –185°) различных жидкостей, имеющих ε от 70,8 до 2,67 при 15°, ε у всех их стремится почти к одной и той же величине, колеблющейся между 3,13 и 2,12. Наиболее общая зависимость ε от Т выведена теоретически Дебаем (в 1912 году) в предположении, что в диэлектриках имеются квазиупругие электронные связи и жестко связанные диполи; это соотношение:

Dielektriki 20

где d - плотность тела, а и b - константы вещества, из которых первая зависит от существования диполя. Разный смысл изменения ε с температурой у твердых тел наглядно показан на фиг. 2; кривая а относится к сырому чистому пара-каучуку, б - к эбониту, в - к парафину, причем точка плавления его при 54° выражается перегибом кривой. У стекол повышение температуры от комнатной до 130° вызывает увеличение ε от 3 до 10%, смотря по составу.

3ависимость ε от агрегатного состояния. При переходе жидкостей через критическое состояние индуктивность их не претерпевает скачка, но при плавлении изменяется прерывно и притом в сторону уменьшения. Кроме того, в твердых телах, при анизотропии, ε различно в различных направлениях. Такого рода явления показывают кристаллы, древесина, слоистые диэлектрики и т. д.

Зависимость ε от освещения. Поглощение квантов света оптическими средами ведет к изменению ε этих сред, причем при повышении температуры обнаруживается максимум ε (для фосфоресцирующего сернистого цинка при 127°). Этот эффект Гуддена-Поля установлен у т. н. «фосфоров» (фосфоресцирующих веществ). Индуктивность возрастает с течением времени (от 1 до 3 мин.) и, после того как прекращено световое возбуждение, падает тоже не сразу. Зависимости ε от действия лучей радия, напротив, не оказалось.

        

Электропроводность диэлектриков. Наряду с диэлектрической постоянной, каждый диэлектрик обладает и некоторой электропроводностью, вызванной необратимым и значительным смещением зарядов внутри диэлектрика. Измерение электропроводности диэлектриков затрудняется, помимо малости измеряемых величин, еще скоплением внутри диэлектриков объемных зарядов, которые сильно искажают поле. Если к диэлектрику приложить постоянную разность потенциалов V, то с течением времени раздвигаемые полем заряды образуют все растущую обратную электродвижущую силу Р, уменьшающую поле в диэлектрике. Поэтому сила тока I в данный момент

Dielektriki 21

уменьшается с течением времени. При замыкании на короткое появляется ток обратного направления

Dielektriki 22

также убывающий со временем.

Трудность измерения сопротивления R и обратной величины, электропроводности, S = 1/R обусловливается измерением переменной во времени величины Р. В иных случаях нарастание Р происходит за малые доли секунды, и, определяя сопротивление R по формуле R V/I, мы преувеличиваем R иногда в сотни и тысячи раз. Пока количества электричества, протекшие через диэлектрик, невелики, R в формуле (10) сохраняет постоянное значение, но при длительном пропускании сильных токов (порядка 10–3—10–5 А) наступает возрастание R, вызванное очисткой диэлектрика от наилучше проводящих примесей. Обыкновенно очищаются только небольшие слои у одного из электродов, из которых уводятся примеси. Тогда в диэлектрике появляется тонкий слой, гораздо хуже проводящий, чем остальная масса. В этом слое сосредоточивается почти все падение потенциала. Чем большее количество электричества прошло через диэлектрик, тем толще этот слой. В жидкости ток уводит, помимо ионов примесей, взвешенные в ней пылинки, которые заряжаются от соприкосновения с жидкостью. Эта очистка также ведет к уменьшению электропроводности.

Dielektriki 22 1

Распределение объемных зарядов, создающих обратную ЭДС Р, может быть двояким: они либо сконцентрированы в тонком слое (0,01—0,001 мм) у электрода либо же распределены по всей толще диэлектрика - положительные заряды со стороны катода, отрицательные - у анода. С течением времени Р возрастает до значения Рmax, близкого к приложенной разности потенциалов V, и остаточный ток тогда падает до очень малых значений. С повышением температуры отношение Pmax/V уменьшается, и остаточный ток составляет все большую часть начального. И при низких температурах величина Pmax не превосходит некоторого предела (2000—5000 V), определяемого тем, чтобы электрическое поле у электродов не превосходило 108 V/см.

Большинство диэлектриков обладает электролитической электропроводностью, причем подвижность одного из ионов (чаще всего положительного) преобладает. С повышением температуры электропроводность растет

Dielektriki 23

где α имеет значение около 10000. При нагревании на 1° S возрастает приблизительно на 10%, при нагревании на 100° - в 105 раз. Электропроводность некоторых диэлектриков при комнатной температуре имеет значение: абсолютно чистые квасцы 20·10–16, обычные препараты квасцов ~10000·10–16, кварцевое стекло <2·10–19, слюда - от 10–11 до 10–1 , стекло от 10–11 до 10–15, янтарь ~10–18. В некоторых диэлектриках (сера, сернистые металлы, некоторые окислы) установлена была электронная электропроводность. Такой же электропроводностью обладают диэлектрики с большим коэффициентом преломления n>2 (алмаз, селен) при освещении ультрафиолетовым светом. В каменной соли и аналогичных солях, окрашенных рентгеновскими лучами, свет также создает электроны, вызывающие электропроводность, повышенную в тысячи раз по сравнению с нормальной. При электронной проводимости температурный коэффициент мал или даже отрицателен. Образование объемных зарядов имеет место и здесь.

Джоулево тепло, выделяемое током в диэлектриках, является основной причиной потерь энергии, наблюдаемых в особенности в переменных электрических полях. Кроме того, как показал еще Максвелл, явления потерь и гистерезиса должны наблюдаться в диэлектриках, составленных из отдельных слоев, обладающих различным отношением электропроводности к диэлектрической постоянной. Потери могут также вызываться поворотом диполей с трением (как, например, в случае глицерина). Однако вычисление джоулева тепла при правильном учете объемных зарядов дает правильные значения потерь, тогда как без этого учета получаются совершенно неверные результаты.

Поверхностная электропроводность. Прохождение тока по поверхности тел имеет порядок величины и сам механизм, отличные от таковых же при прохождении тока через толщу того же вещества. Это обусловлено особыми свойствами поверхности всякого тела, а также особыми условиями, в которых она находится. Механизм поверхностной электропроводности изучен весьма недостаточно. Факторы поверхностной электропроводности многочисленны. К числу их надо отнести: электросмотический и электрофоретический процессы вдоль этой поверхности, особенно когда она соприкасается с жидкостью; адсорбированные на поверхности пленки влаги, коллоидов и других веществ; электролиты, возникшие за счет разложения, окисления, выветривания самого диэлектрика; фотоэлектрический эффект и т. д. Практически наибольшее значение в явлениях поверхностной проводимости имеет адсорбированная влажность. По возрастающей поверхностной влагостойкости обычные диэлектрики могут быть расположены в ряд: стекло, эбонит, янтарь, сера, парафин, церезин. В табл. 2 примерно охарактеризовано изменение поверхностного сопротивления некоторых веществ при изменяющейся влажности.

Изменение поверхностного сопротивления некоторых веществ при изменяющейся влажности

На фиг. 3 показана (по Кертису) зависимость поверхностного сопротивления некоторых изолирующих материалов от относительной влажности.

Зависимость поверхностного сопротивления некоторых изолирующих материалов от относительной влажности

При изменении влажности поверхностная проводимость особенно сильно меняется у тел с развитой поверхностью, например, у волокнистых изоляционных материалов, ваты и т. п. Многие диэлектрики обнаруживают фотоэлектрический эффект, вследствие чего проводимость поверхностного слоя возрастает (сера, эбонит). Изменение проводимости от действия света особенно заметно обнаруживается у селена в весьма тонком слое (около 0,014 мм), а также у ряда минералов: висмутина (Bi2S3), аргентита кубической системы и акантита ромбической системы (Ag2S), галенита (PbS), пеарцита (Ag9AsS6), миаргирита (AgSb2S2), джемсонита (Pb2Sb2S5), бурнонита (Сu2Рb2Sb2S6), буланжерита (Рb5Sb4S11) и т. д. Из них наиболее замечательны висмутин и буланжерит; один образчик последнего при переходе от полного солнечного света к темноте изменил свое сопротивление на 5000%.

Рассеяние энергии. Угол диэлектрических потерь. На первой ступени точности при подхождении к диэлектрику за ним не признается никакой проводимости; такой отвлеченный, или схематический, диэлектрик обладает лишь индуктивностью и способен при наложении на него поля к передаче лишь нормального емкостного тока. На второй ступени приближения учитывается также кондуктивность диэлектрика; под схему этого идеального, или совершенного, диэлектрика подходят до известной степени газы и некоторые твердые диэлектрики (например, парафин); ток через них слагается из емкостного I1 и нормального тока проводимости I4. Однако большинство действительно существующих диэлектриков никак не м. б. подведены и под схему совершенного диэлектрика. Зарядный ток конденсатора с такими диэлектриками, наряду со слагаемыми I1 и I4, имеет третье слагаемое - аномальный ток I3, прямой или обратный - в зависимости от возрастания или убывания поля. Это - явление электрического гистерезиса. При периодическом изменении поля действительно существующие диэлектрики дают вследствие гистерезиса смещение фазы на некоторый угол δ, называемый углом диэлектрических потерь. Следствием этих потерь бывает выделение в диэлектрике теплоты (теплота Сименса), сверх теплоты Джоуля. Физическая причина этих явлений с формальной стороны есть электрическая неоднородность среды, причем происходит смещение электрических масс, отстающее по фазе от поля. Во многих случаях к этой неоднородности в особенности ведет присутствие электролитов в тончайших каналах, рассеянных по диэлектрику. Угол диэлектрических потерь может, согласно Бетману, служить мерой степени несовершенства диэлектрика; Бетман предлагал даже делить вещества на диэлектрики и проводники по пограничному значению 45° для угла потерь.

Анизотропность диэлектриков ведет также к неравенству угла потери по разным направлениям (см. Анизотропный проводник). Конденсатор (фиг. 4, IV) с диэлектрическими потерями м. б. заменен эквивалентным ему схематическим конденсатором, но имеющим еще присоединенную к нему систему проводников: параллельных I, дающих утечку, последовательных II, дающих электрическую вязкость, и, наконец, комбинированную систему III.

Dielektriki 26

Явление диэлектрических потерь, неизвестное первоначально, делает невозможным сохранить прежние электростатические понятия о емкости конденсатора и диэлектрическом коэффициенте его среды. В самом деле, мыслить установившееся состояние конденсатора с действительным диэлектриком не приходится; если же говорить о состоянии его динамики, то возникает вопрос, на каком именно из моментов надо остановиться, так как в изменяющемся поле заряд такого конденсатора непрерывно меняется. В то время как вектор заряжающей ЭДС V описывает некоторый контур, в соответственные моменты заряд Q, тоже вектор, дает другой контур. Чтобы получить величину емкости С и диэлектрического коэффициента, согласно первоначальному определению, необходимо разделить комплексную величину Q на таковую же V. Это отношение, во-первых, все время меняется, само представляя функцию времени, и, во-вторых, выражается комплексной величиной, а на плоскости - некоторым контуром; вид этого контура зависит не только от свойств диэлектрической среды, но и от характера изменения ЭДС. Т. о., понятия емкости и диэлектрического коэффициента становятся вполне неопределенными. На практике произвол выбора суживается применением полей исключительно синусоидных, и тогда заряд конденсатора графически выражается эллипсом (ТЭ, т. V, ст. 626, фиг. 2); емкость конденсатора тогда будет отношением ординаты эллипса к соответственной абсциссе.

Dielektriki 27

Однако и это, в сущности искусственное, сужение понятия о емкости (соответственно - о диэлектрическом коэффициенте) оставляет неопределенную возможность выбора той или другой из Q ординат. Как более выдающиеся виды емкости можно отметить: 1) мгновенную емкость Q1/V1 - при весьма кратковременном действии ЭДС; 2) максимальную емкость Q2/V2 - при весьма длительном приложении постоянной ЭДС; 3) емкость в данное мгновение Qt/V; 4) емкость при переменной ЭДС Q4/V5; 5) активную составляющую емкости при переменной ЭДС Q3/V5; 6) реактивную составляющую емкости Q5/V5. Величины Q3, Q4, Q5 показаны на фиг. 5.

Dielektriki 28

Рассеяние энергии в практически применяемых диэлектриках (изоляция кабелей, различные ходовые изоляционные материалы и т. д.) обычно характеризуется значениями коэффициента мощности между 1 и 6%, чаще всего - в среднем 2,5%. У наилучших изоляционных материалов угол диэлектрических потерь не превышает 1°; при этом он возрастает, как показывают примеры в табл. 3, не в соответствии с проводимостью.

Dielektriki 29

Зависимость угла потерь от разных факторов. Угол диэлектрических потерь δ зависит от физического состояния диэлектрика, возрастая при температурах, дающих у сплавов особую неоднородность, вследствие плавления одной из фаз. Величина δ зависит, далее, от строения диэлектрика и его выработки и может служить, по мнению некоторых исследователей, наилучшим критерием для суждения о качестве диэлектрика. Присутствие влажности в диэлектриках, особенно в волокнистых изоляционных материалах и в дереве, значительно повышает δ и проводимость, просушка же ведет к обратным последствиям. Фиг. 6 наглядно показывает (по Скиннеру), как изменяются диэлектрические потери микарты при последовательных обработках; Н означает нагревание в печи, С - сушку в пустоте, П - постарение в воздухе, длительность (в часах) которого указана индексом.

Dielektriki 30

Весьма вредно в отношении рассеяния энергии поля присутствие в диэлектриках воздушных пузырьков, пленок и зазоров: на эти воздушные промежутки, заключенные в диэлектриках большой индуктивности, приходятся особенно большие значения градиента, и потому при повышении напряжения градиент особенно легко делается здесь критическим и вызывает ионизацию; эта последняя ведет к постарению изоляции и, кроме того, к резкому повышению коэффициента мощности. Вероятно, наличием воздушных и влажных пленок объясняется также существенная зависимость угла потерь (и емкости) в конденсаторах с тонкими диэлектриками от вида обкладок, нажатия их и степени близости к диэлектрикам. Диэлектрические потери W возрастают с градиентом Е поля в параболическом отношении (W = а·Еn), причем порядок параболы n меняется с температурой и веществом, равно как и постоянная а. Так, когда температура возрастает от 15 до 120°, то n у целого ряда диэлектриков падает от 2,7 до 1,9; при температуре ниже 100° коэффициент мощности возрастает и притом пропорционально градиенту поля; при температуре выше 100° коэффициент мощности убывает, часто обратно пропорционально градиенту, а иногда тоже растет или имеет минимум. По исследованию Фригона, существует наивыгоднейшая толщина диэлектрика, при которой он наименее рассеивает энергию поля, каково бы ни было напряжение. Во многих случаях величина диэлектрических потерь убывает с течением службы диэлектрика, который, как говорят, «формируется» переменным полем; точно так же диэлектрик конденсатора, после длительной зарядки последнего, обнаруживает меньшую утечку - «очищается». С возрастанием температуры диэлектрические потери в большинстве диэлектриков значительно возрастают, но в некоторых случаях могут иметь максимум, объясняемый увеличением однородности диэлектрика. Зависимость диэлектрических потерь от температуры - параболического вида W = β·tm, причем β и m тоже изменяются с температурой, но сравнительно медленно. Так, во многих случаях в температурном промежутке 0—25° показатель m = –0,3, а между 70 и 125° его значение = 3,6. Фиг. 7 дает пример кривых диэлектрической потери в слюдяных изоляционных трубках соответственно возрастанию температуры; кривая 1 относится к микафолию, сливающаяся с ней кривая 2 - к 70—80%-ной слюде, 3 и 4 - к чистой слюде, 5 - к микартафолию.

Dielektriki 31

Зависимость диэлектрических потерь W от частоты исследовалась теоретически (И. Иордан, Е. фон-Швейдлер, К. В. Вагнер) и экспериментально. Эта зависимость - параболического вида W = γ·wk, где k > 0,5 и < 1; при этом k тоже зависит от w, но изменяется медленно и с возрастанием w стремится к 1.

На основании исследования Ж. Гранье, все твердые диэлектрики можно разделить на два разряда. Разряд I (например, слюда, эбонит): γ - мало, k - близко к 1; при постоянном поле утечки ничтожны; рассеиваемая энергия переменного поля мала и пропорциональна частоте; диэлектрический коэффициент неизменен. Разряд II (например, дерево, мрамор): γ - велико, k - при обыкновенных частотах близко к 0,5; при постоянном поле утечки велики; рассеиваемая энергия при переменном поле велика при малых частотах и делается сравнительно меньшей при больших; диэлектрический коэффициент с ростом частоты убывает; диэлектрики II разряда посредственны при низких частотах и улучшаются при высоких. В жидкостях, кроме глицерина, вязкие диэлектрические потери при технических частотах и радиочастотах ничтожны, и потому даже явно проводящие жидкости оказываются при высоких частотах хорошими диэлектриками (например, у воды угол потерь при частоте 65 мегациклов - около 1°). Зависимость диэлектрических потерь от температуры меняется с частотой. Фиг. 8 показывает (по К. В. Вагнеру) ход этого явления на примере бумажной изоляции кабелей высокого напряжения.

Dielektriki 32

Диэлектрические потери при относительном движении. Относительное смещение силового поля и диэлектрика сопровождается диэлектрическим трением - вязким гистерезисом; поэтому подвижное поле сообщает телу некоторое ускорение, зависящее от проводимости ϰ и индуктивности ε тела (m) и среды (с). В частном случае шарообразного тела с радиусом r, вращающегося вокруг оси с угловой скоростью w, поле градиента Е сообщает диэлектрику вращающий момент; он выражается соотношением, найденным А. Лампа:

Dielektriki 33

причем индексы m и с относят соответственные величины к телу и среде; ϰ выражена в электростатических единицах. Вращение диэлектрика демонстрируется двигателем Р. Арно, аналогичным магнитному двигателю Феррариса.

Электрический пробой. Понятие о пробое. Изолирующая способность диэлектриков, т. е. их противодействие выравниванию электрических потенциалов, всегда имеет некоторый предел прочности, причем изоляция дает отказ либо постепенно (и тогда мы говорим о проводимости) либо весьма быстро, практически - внезапно. В последнем случае явление отказа называется пробоем. С физической стороны пробой есть чрезвычайно быстрое, и притом нарастающее, усиление электрического тока, проходящего через диэлектрик. Очевидно, этот перенос электрических масс в значительном, и притом быстро возрастающем, количестве может происходить лишь за счет освобождения их из диэлектрической среды и, следовательно, предполагает ее разрушение. Т. о., пробой происходит, когда превзойдена электрическая прочность (или крепость) диэлектрика, а напряжение, дающее пробой, соответствует разрушающему усилию в механическом сопротивлении материалов. Так как разрушающей причиной служит работа силы поля (Е), то сравнимость напряжения и пробоя при разной толщине диэлектриков до известной степени м. б. достигнута, если дается не самое напряжение пробоя V, а соответственный градиент поля dV/dn; в случае равномерного поля, Е = V/h , где h - толщина пробиваемого диэлектрика. По основаниям, излагаемым ниже, оказывается весьма затруднительным установить, что именно следует разуметь под мерой пробойной крепости, как константы вещества, а равным образом определить условия и приемы измерения этой константы так, чтобы получать во всех случаях сравнимые результаты. Как установлено опытом, электрическая (или также диэлектрическая) крепость зависит от химического состава диэлектрика, его молекулярного микроскопического строения, температуры, влажности, внешних ионизирующих деятелей, быстроты подъема напряжения, формы и размеров электродов пробойника, давления их на испытуемый образец, толщины воздушных зазоров между диэлектриком и электродами или между слоями диэлектрика, частоты приложенного напряжения, формы его волны, толщины слоя испытуемого образца, числа произведенных опытов, прежней службы диэлектрика, длительности его существования, хотя бы он и не находился в работе, и разных других сопровождающих обстоятельств.

Виды пробоя. Разрушение диэлектрика при пробое можно представить себе трояким: во-первых, как чисто электрический разрыв силами поля молекул или атомов диэлектрика; во-вторых, как нарастающую ионизацию диэлектрика, подобную газовой проводимости в круто восходящей части ее характеристики; в-третьих, как тепловое проплавление или прожигание диэлектрика током, быстро усиливающимся при известных условиях неустойчивого теплового равновесия. Все эти виды пробоя на самом деле м. б. в диэлектрике; вид пробоя в каждом отдельном случае определяется главным образом температурными условиями пробоя (теплопроводностью и теплоемкостью диэлектрика и электродов, температуры среды) и толщиной пробиваемого слоя, которая отчасти тоже характеризует тепловые условия. Пробой чисто электрического характера происходит в очень тонких слоях, где невозможна ионизация ударом и где хорошая теплоотдача не благоприятствует нарушению теплового равновесия. Подсчет показывает, что чисто электростатическое разрушение идеальной кристаллической решетки каменной соли требует градиента около 130 MV/см; на самом деле эта величина меньше, например, 0,6 МV/см для каменной соли, а для стекла 1,02 MV/см. Внезапное появление проводимости разреженных газов в электрическом поле при возрастании его градиента Э. Бути объяснял ионизацией газовых молекул вследствие разрыва их силами электрического поля; однако последние недостаточны для разрыва только статического, но, вероятно, облегчают ионизацию ударом. Пробой диэлектрика в силу ударной ионизации происходит не только в газовых, но также и в жидких и в твердых средах. Практически наиболее часто происходит электрический пробой теплового характера. Теория этого процесса, разработанная К. В. Вагнером, Дж. Л. Р. Гайденом и Ч. П. Штейнмецом, основана на подсчете теплового баланса в диэлектрике между притоком джоулевой и сименсовой теплоты, образующейся действием минимального тока в диэлектрике, и отдачей ее вследствие теплопроводности и теплоемкости того же диэлектрика. Если тепловой баланс не превосходит нулевого значения, то диэлектрик остается целым; если теплота возникает в избытке, то начинается более или менее быстрый перегрев соответственного места диэлектрика, влекущий за собою увеличение проводимости и угла потерь; вследствие этого опять усиливаются оба источника теплообразования, что, в свою очередь, ведет по тем же причинам к ускоренному нарастанию температуры. Таким образом, температура участка, в котором тепловое равновесие было нарушено, б. или м. быстро поднимается до разрушения диэлектрика (расплавление, химическое разложение, прожигание) при весьма значительной электропроводности.

Знаначение геометрических факторов при пробое. Каков бы ни был механизм пробоя, исходным началом всех его видов служит электрическое поле; поэтому именно форма поля, т. е. распределение силовых линий в пространстве, а не сама по себе разность потенциалов, определяет характер процесса. Таким образом, в явлениях пробоя существенное значение имеют величина и форма электродов, между которыми происходит пробой. Фиг. 9 показывает, по А. Швайгеру, зависимость силы пробивающего поля от размеров и вида электродов.

Dielektriki 34

Кривая а относится к шаровым электродам радиуса R, кривая б - к цилиндрическим коаксиальным, с внутренним радиусом r, а кривая в - к круглым пластинчатым, радиуса d. Во всех указанных случаях пробивающее поле неоднородно (пример - на фиг. 10); этим обстоятельством затрудняется сопоставление испытаний на пробойную крепость, раз только меняются размеры и форма электродов и их взаимное расстояние.

Dielektriki 35

Неоднородность поля в особенности повышается при пробое твердых диэлектриков, когда диэлектрическая среда оказывается по меньшей мере из двух разнородных тел. Поэтому, когда желают достигнуть большей однородности поля, изготавливают из испытуемого материала трубочки с резервуарами (фиг. 11), которые и служат электродами (Мосьцицкий), или же погружают весь пробойник с диэлектриком в среду примерно того же диэлектрического коэффициента (Грюневальд).

Dielektriki 36

Другой способ (фиг. 12) состоит в том, что шаровые электроды врезают, приблизительно наполовину, в толщу диэлектрика (Рохов).

Dielektriki 37

Третий способ (Я. Н. Шпильрейн) заключается в устройстве электродов в виде поверхностей, равноудаленных от поверхности катеноидной. Четвертый способ (Аллен) - плоские круглые электроды снабжают тяжелым охранным кольцом, подложенным дополнительным слоем диэлектрика. Пятый способ - окружают электрод системой охранных колец-конденсаторов (фиг. 13) постепенно уменьшающейся емкости, выравнивающих градиент внутреннего поля (Зонненштейн).

Dielektriki 38

Практически чаще всего пользуются плоскими электродами с закругленными краями. Те же электроды, при известном усовершенствовании, применяются в грушевидной форме (фиг. 14, размеры в мм) или в виде электродов Роговского (фиг. 15).

Dielektriki 39

Dielektriki 40

Английские нормы рекомендуют пробой между диском и шаром радиусом в 25 мм, причем электрическая крепость Е получается от помножения V/h на особый коэффициент β, который представляет собой функцию толщины h и дается таблицей или графически. Наконец, К. В. Вагнер предложил для однородности поля прокладывать между диэлектриком и электродом кусок соответственно пропитанного дерева или же вообще полупроводника W (фиг. 16).

Dielektriki 41

Пробойная крепость диэлектрика оказывается более однородной при большем размере электродов, чем при меньшем; кроме того, изменяются также и средние значения. Затем, пробойная крепость меняется также от давления электродов, а именно - падает при его возрастании, асимптотически стремясь к постоянному значению, к которому близко подходит при давлении 0,6 кг/см2. Зависимость пробойной крепости от толщины диэлектрика особенно заметна, причем кривая соответственной зависимости имеет вид приблизительно равносторонней гиперболы, одна из осей которой - ось силы поля, а другая - параллель оси толщин (фиг. 17).

Dielektriki 42

В тонких слоях диэлектрики имеют весьма большую электрическую крепость; при толщинах в несколько мкм крепость достигает нескольких MV/см; так, пробойная крепость воздуха при толщине в 1 мкм доходит до 1,5—1,7 MV/см, а слюды, при толщине 14,5 мкм - до 7—8 MV/см. Зависимость пробойного напряжения Vпp. от толщины выражалась различными способами:

Dielektriki 43

Опыты показывают, что при сравнительно значительных толщинах устранение краевого эффекта дает пробойное напряжение, пропорциональное толщине диэлектрика, т. е. независимость электрической крепости от толщины.

Значение физических факторов при пробое. Электрическая крепость диэлектриков в большинстве случаев существенно зависит от температуры и, как общее правило, есть убывающая функция ее. В следующей сводке данных показана зависимость электрической крепости от температуры (по Флайту) для некоторых употребительных материалов (числа выражают остающуюся у данного материала при 100° электрическая крепость в % крепости при 30°).

Dielektriki 44

Однако у некоторых материалов электрическая крепость при повышении температуры может проходить через максимум, в связи с происходящей при этом просушкой диэлектриков. Напротив, влажность диэлектриков, особенно волокнистых или губчатых, даже при ничтожном содержании ее, существенно понижает электрическую крепость, создавая протоки молионам и ионам. Так, например, трансформаторное масло, вполне сухое и при чистых электродах пробойника, имеет электрическую крепость 230 kV/см, тогда как слегка сырое - около 20 kV/см; уже 0,01% влаги понижает крепость масла вдвое. По Фризе, крепость масла Е (в кV/см) связана с содержанием влажности р% гиперболически:

Dielektriki 45

Т. к. пробой совершается работой сил поля, то он не м. б. в строгом смысле мгновенным и запаздывает, делаясь возможным лишь по достижении импульсом сил достаточной величины. Классификация явлений пробоя по длительности наложения поля представлена ниже в табл. 5.

Dielektriki 46

Время как фактор пробоя сказывается на пробое особенно своеобразно при напряжении, накладываемом ударно: пробой некоторых диэлектриков происходит здесь, как взрыв. Т. н. фактор времени, или коэффициент удара (отношение крепости при ударном напряжении к крепости при напряжении непрерывном), у одних диэлектриков близок к 1 - это тела электрически хрупкие; у других диэлектриков он значительно больше 1, и такие тела причисляются к электрически вязким. В отношении электрического удара газы напоминают твердые тела механики, тогда как твердые тела в электрическом отношении подобны газам в механике. Т. о., атмосфера представляет электрически твердую, но хрупкую, среду. В некоторых случаях диэлектрики выдерживают удар хуже, чем постоянную нагрузку. Различное отношение диэлектриков к удару объясняется наличием электрической неоднородности, т. е. неравенства релаксации отдельных участков; последняя может иметь причиной либо различные индуктивности их (и тогда диэлектрики выдерживают постоянное или медленно переменное напряжение) либо различие кондуктивности Фактор времени возрастает с увеличением пробойного расстояния и с крутизной фронта волны напряжения. В отношении твердых диэлектриков электрический удар действует кумулятивно, если не произошло пробоя сразу. Действие полей высокой частоты тоже связано с ударным характером напряжения каждой полуволны. Зависимость пробойной крепости от характера изменения поля наглядно показана на фиг. 18, по Грюневальду.

Dielektriki 47

Одна и та же (мадрасская) слюда испытывалась здесь на пробой нагрузками следующих видов: а - постоянное напряжение, б - переменное напряжение 50 пер/сек., в - однократный непериодический удар, г - десятикратный непериодический удар, д - периодический удар, е - прерванный удар, ж - удар разрядки конденсатора, з - напряжение большой частоты трансформатора Тесла, и - удар по предварительно поляризованному в противоположном смысле диэлектрику. Вид этих напряжений показан на фиг. 19.

Dielektriki 48

Пробой с кратковременной нагрузкой обусловлен накоплением теплоты джоулевой и сименсовой. При этом температура тела и время τ действия поля связаны соотношением:

Dielektriki 49

где Q - тепловая мощность процесса, с - теплоемкость тела, а - коэффициент теплоотдачи, причем предполагается, что Q, с, а не меняются с температурой. Так называемая постоянная времени (время, равное с:а) показывает, насколько медленно поднимается температура. Семейство соответственных кривых для разных значений Q:а представлено на фиг. 20.

Dielektriki 50

Параллель оси абсцисс дает в пересечении с этим семейством время, при котором диэлектрик достигает заданной температуры. Зная зависимость электрической крепости от температуры, можно установить на основании этого время, по прошествии которого диэлектрик будет пробит. Пробой продолжительной нагрузкой обусловлен, наряду с нагревом, также диэлектрическим утомлением, которое медленно проходит, если диэлектрик получает достаточный отдых. Наконец, пробой долговременной нагрузкой обусловлен постарением диэлектрика - как от длительного действия поля, так и от независящих от поля причин. Постарение диэлектрика отличается от утомления невосстановимостью первоначального состояния при отдыхе. Процесс постарения м. б. весьма различным: понижение дисперсности в коллоиде, перекристаллизация, проникновение влаги в поры и капилляры, полимеризация и деполимеризация, окисление, растрескивание, различные химические изменения и т. д. Постарение диэлектриков ускоряется электролизом, высокой или низкой температурой и, особенно, резкими изменениями температуры, действием озона и окислов азота, производимых короной, газовой ионизацией и т. д.

Особые явления в диэлектриках. Основные свойства диэлектриков находятся в зависимости от множества факторов, в том числе от самого поля и его изменения во времени. Это ведет к различным своеобразным явлениям в службе диэлектриков. Таковы: облегчение пробоя в присутствии пылеобразных или рыхлых тел (эффект Волькотта); пьезоэлектрическое расширение кристаллов, ведущее к расшатыванию кристаллических диэлектриков в переменном поле (эффект Писли); стриктоэлектрические явления, изменяющие форму диэлектриков и, кроме того, ведущие к разрежению газа вдоль поверхности диэлектриков, с соответственным облегчением коронообразования (эффект Штауффера); электростатические притяжения при наличии полупроводников (эффект Ионсена-Рабека); ослабление электрической крепости изоляции при введении в нее дополнительных изолирующих масс; преждевременный пробой, когда в месте пробоя получается резонанс гармоники; сохраняющаяся поляризация, если диполи закрепляются в ориентированном положении (электрет Хивисайда); дихроизм некоторых диэлектриков в электрическом поле; эффект Эвершеда в волокнистых диэлектриках; поляризация диэлектриков (эффект Иоффе и Кузнецова); анизотропные и униполярные явления в диэлектриках и т. д.

Использование диэлектриков в технике м. б. весьма облегчено, если будут установлены соотношения, связывающие между собою различные свойства диэлектриков, хотя бы эти соотношения и не получили строго количественного характера. Пока таких соотношений установлено немного (например, правило Торнтона, по которому имеется пропорциональность между теплопроводностью диэлектриков и модулем Юнга).

  

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 7 - 1929 г.