Критическая частота fo, при которой начинается резкое снижение эффекта дипольной поляризации, может быть определена по формуле

где г - эквивалентный радиус полярной молекулы; ц - динамическая вязкость; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Дипольная поляризация ярко выражена у полярных газов и жидкостей (касторовое масло, совол и др.). В твердых полярных

энергия рассеивается в полярных диэлектриках в виде тепла, которое вызывает нагрев последних. Потери энергии в диэлектриках, работающих в переменном поле, оцениваются тангенсом угла диэлектрических потерь

tg6 =--,

где V - удельная проводимость; ш - угловая частота; ео - электрическая постоянная; Вг - относительная диэлектрическая проницаемость.

fo го о го чо

Рис. 3-П. Зависимость Е температуры t, частоты f для электроизоляционных жидкостей.

/ - неполярная жидкость: 2 - полярная жидкость.

диэлектриках дипольная поляризация представляет собой не ориентацию самих полярных молекул, а поворот имеющихся в молекулах полярных радикалов, например гидроксильных групп в молекулах целлюлозы, бакелита и др.. Этот вид днпольной поляризации иногда называется структурной поляризацией.

Значения относительной диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков зависят от размеров полярных молекул и величины их начального электрического момента. Чем меньше размер полярной молекулы - диполя и больше ее начальный электрический момент р, тем больше &г данного диэлектрика. У полярных диэлектриков одновременно имеют место дипольная и электронная поляризации. Вследствие этого суммарный эффект поляризации полярных диэлектриков, а следовательно, и их относительные диэлектрические проницаемости намного выше, чем у неполярных диэлектриков (табл. 3-4).

Таблица 3-4

Неполярные диэлектрики!! Полярные диэлектрики

Дипольная поляризация вызывает потери энергии в диэлектрике, так как электрическое поле затрачивает энергию на поворот полярных молекул (диполей). Эта

Рис. 3-12. Зависимость tg 6 от температуры для электроизоляционных жидкостей.

Рис. 3-13. Зависимость tg 6 от частоты для полярной электроизоляционной жидкости.

На рис. 3-12 показаны зависимости этой характеристики от температуры для неполярной (1) и полярной (2) жидкостей.

У тщательно очищенных неполярных диэлектриков диэлектрические потери обусловлены преимушественно токами проводимости, которые возрастают с повышением температуры диэлектрика. В связи с этим возрастает и tg б. У полярных диэлектриков наблюдается максимум tg б при такой вязкости диэлектрика, когда в процессе дипольной поляризации принимает участие наибольшее количество полярных молекул. Понижение tg б с дальнейшим повышением температуры обусловлено ростом интенсивности беспорядочного теплового движения полярных молекул. Вторичный подъем tg6 вызван увеличением тока проводимости в диэлектрике.

Максимум tg б на рис. 3-13 соответствует частоте, при которой начинается снижение Бг. Это объясняется тем, что большинство полярных молекул при этой частоте; выходит из процесса дипольной поляризации.

Еще один вид релаксационной поляризации наблюдается в неорганических стеклах, а также в ионных кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (муллит в фарфоре и др.). В этих диэлектриках слабо связанные ионы, находящиеся в состоянии хаотических . тепловых колеба-

НИИ, перебрасываются электрическим полем. Этот процесс получил название миграционной поляризации. Переброс слабо связанных ионов вызывает дополнительные потери энергий.

Спонтанная (самопроизвольная поляризация) представляет собой процесс самопроизвольной ориентации диполей, наблюдаемой внутри отдельных областей (доменов) диэлектрика в отсутствие электрического

8DBB

Рис. 3-14. Зависимость сегнетоэлектрика от напря-жеииости электрического поля.

e,v DfimiM

800D

-80 О

ВО /дат

Рис. 3-15. Зависимость сегнетоэлектрика (ВаТЮз) от температуры.

Поля. Спонтанная поляризация имеет место у материалов, называемых сегиетоэлектри-ками.

В отсутствие электрического поля электрические моменты отдельных областей (доменов) диэлектрика направлены беспорядочно, но они взаимно уравновешивают друг друга. Воздействие на диэлектрик электрического поля вызывает ориентацию диполей и направлении поля (до.мённую поляризацию). При этом наблюдается сильный рост относительной диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика. Этот процесс продолжается до определенной напряженности электрического поля, а затем наступает насыщение (рис. 3-14). Дальнейшее повышение напряженности ие увеличивает поляризованности, и рост ег прекращается. Диэлектрическая проницаемость сегне-тоэлектриков имеет также ярко выраженный максимум при вполне определенной температуре (рис. 3-15). Эта температура называется сегнетоэлектрической точкой Кюри (6с). Наличие спонтанной поляризации обусловливает аномально большие зна-6-288

чения ег у сегнетоэлектриков (сегнетова соль, титанат бария и др.). Процесс доменной Поляризации сопровождается затратой энергии, рассеиваемой в диэлектриках в виде тепла.

Электропроводиость диэлектриков

Все диэлектрики при ненулевой температуре, хотя и в незначительной степени, обладают электропроводностью (см. §3-1).

В отличие от проводников у диэлектриков наблюдается изменение тока со временем (рис. 3-16) вследствие спадания тока абсорбции. Последний обусловлен наличием релаксационных поляризаций в диэлектрике. С некоторого момента под воздействием постоянного напряжения в диэлектрике устанавливается только сквозной

Рис. 3-16. Зависимость тока в диэлектрике от времени.

Рис. 3-17. Зависимость удельной проводимости жидкого диэлектрика от температуры.

ток проводимости. Последний определяет проводимость диэлектрика.

В газообразных диэлектриках ток про- водимости обусловлен направленным перемещением электронов, а также положительных и отрицательных ионов (см. § 3-5).

В жидких диэлектриках ток проводимости создается ионами и электрически заряженными коллоидными частицами (мо-лионы). Источником ионов являются различные примеси в диэлектрике: вода, органические кислоты и т. п. В полярных электроизоляционных жидкостях на ноны могут диссоциировать молекулы самого жидкого диэлектрика. Проводимость полярных электроизоляционных жидкостей всегда несколько выше проводимости неполярных жидких диэлектриков.

В электроизоляционных технических жидкостях наблюдается также молионная или электрофоретическая (электрофорез) электропроводность. В этом случае ток проводимости обусловлен направленным перемещением электрически заряженных коллоидных частиц различных примесей: воды, смолистых веществ и др. Коллоидные частицы различных загрязнений перемещаются в электроизоляционной жидкости под действием электрического поля. С повышением температуры жидкого диэлектрика его вязкость падает и направленное перемещение ионов и молйонов облегчается. Проводи-

мость жидких диэлектриков изменяется (рис. 3-17) по экспоненциальному закону

где Yo и Л ~ постоянные величины, зависящие от состава жидкого диэлектрика; Т - абсолютная температура.

С ростом напряжения, приложенного к жидкому диэлектрику, изменение тока проводимости (рис. 3-18) носит приблизительно такой же характер, как и у газообразных диэлектриков. В тщательно очищенных электроизоляционных жидкостях отчетливо

Рис. 3-18. Зависимость тока от напряжения в жидком диэлектрике.

наблюдается область насыщения. Понижение проводимости жидких диэлектриков достигается их тщательной очисткой (фильтрование, сущка, обработка адсорбентами и др.).

В твердых диэлектриках проводимость складывается из ионной и электронной про-водимостей, причем электронная проводимость, как правило, наблюдается в сильных электрических полях.

Ток проводимости в твердых диэлектриках обусловливается направленным перемещением ионов примесей и ионов самого диэлектрика. В диэлектриках с атомными и молекулярными решетками ток проводимости обусловлен только ионами различных примесей. У таких диэлектриков (парафин, полиэтилен, политетрафторэтилен и др.) проводимость весьма мала и они обладают большими удельными объемным и поверхностным сопротивлениями: р = = 10=-101 Ом-м; р = 101з10>= Ом. Такими же большими удельными сопротивлениями обладают высокополимерные аморфные диэлектрики, например полистирол, полипропилен, у которых ток проводимости обусловлен преимущественно ионами примесей.

С течением времени прохождения тока ионная проводимость твердого диэлектрика понижается в связи с уменьшением количества ионов примесей, которые, дойдя до электродов, нейтрализуют свои заряды. В ионных кристаллических диэлектриках (слюда и др.) ток проводимости определяется не только ионами примесей, но ионами самой кристаллической решетки. Последние могут быть освобождены электрическим полем от мест, где они были слабо закреплены (междуузлия), а также из узлов кристаллической решетки при одновременном воздействии на нее электрического поля и высокой температуры.

В аморфных диэлектриках (неорганические стекла) ионная электропроводность обусловлена электролизом различных окис-

лов, входящих в состав самих стекол. Особенно сильно повышается проводимость стекол при содержании в них окислов одновалентных металлов (КагО; К2О и др.). Введение же окислов двухвалентных металлов (ВаО; СаО и др.) приводит к снижению проводимости в стеклах.

Проводимость стекол и других твердых диэлектриков существенно зависит or температуры:

где А и Б - постоянные, зависящие от состава и структуры твердого диэлектрика; Т - абсолютная температура, К.

Проводимость- твердых кристаллических диэлектриков с ионными связями xopoj шо описывается двучленной формулой

Первый член этой формулы исчезающе мал при низких температурах, а второй - исчезающе мал при высоких температурах.

В ионных кристаллических диэлектриках ток проводимости обусловлен перемещением ионов одного знака. Так, в кристалле- NaCl под действием электрического поля движутся только положительно заряженные ионы натрия. При высоких температурах в токе проводимости принимают участие и ионы другого знака.

В области сильных электрических полей в твердых диэлектриках наблюдается также электронная проводимость, которая изменяется согласно выражению

где Vh - проводимость в конце области насыщения; b - коэффициент, зависящий от температуры.

В области очень сильных электрических полей (предпробойная область) проводимость твердых кристаллических диэлектриков более точно описывается формулой Я. И. Френкеля

кТ Г

где k - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; е,-- относительная диэлектрическая проницаемость материала; Е - напряженность электрического поля.

При высоких температурах может наблюдаться также вхождение электронов в твердый диэлектрик с поверхности металлических электродов.

Пробой диэлектриков

При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя.