Вводные замечания

Диэлектрические материалы имеют молекулярное или ионное строение. Молекулы, в свою очередь, образованы из атомов, атомы и ионы – из электронов и положительно заряженных ядер. При этом суммарные заряды всех отрицательно и положительно заряженных частиц равны друг другу.

Идеальный диэлектрик состоит только из связанных между собой заряженных частиц. Свободных зарядов в нем нет, поэтому электро­проводность в идеальном диэлектрике отсутствует.

В реальных диэлектриках из-за наличия в них дефектов строения и ионогенной примеси име­ются свободные заряженные частицы (свободные заряды), кото­рые не связаны с определенными молекулами или атомами. Под действием приложенного электрического поля они направленно перемещаются (дрейфуют) в диэлектрике на относительно большие расстояния. Подходя к электродам, свободные заряды разряжаются на них, обу­словливая электрический ток. Поскольку содержание свободных за­рядов в диэлектриках ничтожно мало, их электропроводность очень низкая (в 10¹¹ – 10²⁶ раз меньше, чем у проводников).

Диэлектрические материалы используют в электротехнике в ос­новном для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отде­ляет друг от друга элементы схемы или конструкции, находящиеся под различ­ными электрическими потенциалами.

Применение диэлектриков в конденсаторах позволяет получать требуемые значения емкости, а в некоторых случаях обеспечивает определенный характер зависимости этой емкости от внешних факторов. Диэлектрик конденсатора может запасать, а потом отдавать в цепь электрическую энергию (емкостный накопи­тель). Иногда конденсатор используют для разделения цепей постоянного и пе­ременного токов, для изменения угла фазового сдвига и т. д.

Некоторые диэлектрики применяют как для создания электрической изоля­ции, так и в качестве конденсаторных материалов (например, слюда, керамика, стекло, полистирольные и другие пленки). Тем не менее, требования к электро­изоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Если от электроизоляционного материала требуется невысокая относительная диэлектри­ческая проницаемость и большое удельное сопротивление, то диэлектрик кон­денсатора, наоборот, должен иметь повышенную e и малое значение tgd.

Диэлектрические материалы являются основными видами электротехниче­ских материалов, с которыми придется встретиться на практике будущим инженерам-электрикам.

Физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид и тип используемых электротехнических материалов. Кроме того, при конст­руировании даже простейших изделий, предназначенных для работы в электри­ческом поле, необходимо четко представлять, какие процессы происходят в мате­риале, как влияет тот, или иной материал на работу других частей устройства, в том числе за счет перераспределения электрического поля. Здесь необходимо учитывать разноплановые характеристики материала:

– механические: плотность и вес материала, прочность;

– теплофизические: теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, те­плостойкость и горючесть;

– электрофизические: диэлектрическая проницаемость, электропровод­ность, электрическая прочность, трекингостойкость;

– физико-химические: химическая стойкость, влагопро­ни­цаемость и т.д.

Чтобы оценить значи­мость каждого из них и понять, какие требования, в каждом конкретном случае, являются главными, а какие – второстепенными необхо­димо ясное понимание всего комплекса процессов, происходящих при функцио­нировании устройств.

Основными электрическими характеристиками диэлектриков являются диэлектрическая проницаемость e, удельное объ­емное сопротивление r, удельное поверхностное сопротивление r _s, тан­генс угла диэлектрических потерь tgd и электрическая прочность Е _пр.