ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Диэлектрические свойства из "Химия диэлектриков" Полярные и неполярные диэлектрики. В зависимости от молекулярного строения (характера распределения связанных зарядов) диэлектрики делятся на две группы полярные и неполярные. Полярные диэлектрики содержат электрические диполи, способные к переориентации во внешнем электрическом поле. Диэлектрики, не содержащие электрических диполей, являются неполярными. [c.48] Полярность ионной связи принимается за единицу, а полярность ковалентных связей составляет долю от нее и выражается дробным числом. Полярность связи или вещества характеризуется чаще дипольным моментом ц, который равен произведению элементарного заряда (заряда электронов) е на расстояние I между центрами распределения всех положительных и отрицательных зарядов. Единица дипольного момента — Дебай (1Д=3,34 10-зо Кл м) обозначается буквой Д. Дипольные моменты некоторых связей имеют следующие значения С—Н = 0,2Д С—N = 0,4 С—0=0,9 С = 0 = 2,5 С-С1 = 2,5 С-Р = 1,83 Д. Из значений дипольных моментов следует, что в молекулах органических веществ связи атомов углерода с другими атомами более или менее полярны. Однако в целом молекула органического соединения может быть неполярна, что обусловливается возможностью симметричного расположения атомов или групп атомов в молекуле и, как следствие этого, компенсацией дипольных моментов (суммарный дипольный момент, или равнодействующую отдельных моментов можно получить с помощью векторного сложения). [c.49] Рассмотрим это на отдельных примерах. [c.49] Дипольные моменты связей С—С1 и С—Н не компенсируются, так как они не равны и их равнодействующая не равна нулю, поэтому эти молекулы полярны (дипольные моменты соединений соответственно 1,69 и 1,55 Д). [c.50] В молекуле л-дихлорбензола дипольный момент одной связи с—С1 компенсируется равным и направленным в противоположную сторону дипольным моментом второй связи, поэтому это соединение неполярно. Иная картина наблюдается у о- и л-ди-хлорбензолов. В этих соединениях сумма моментов не равна нулю, так как векторы расположены под углом соответственно 60 и 120°. Такие молекулы полярны, и их дипольный момент может быть легко рассчитан или получен геометрическим построением. [c.51] Дипольный момент межатомных связей определяет полярность полимерных молекул. [c.51] Диэлектрическая проницаемость. С полярностью веществ тесно связана диэлектрическая проницаемость — одна из важнейших характеристик диэлектрика. [c.52] Поляризационный заряд и связанная с ним диэлектрическая проницаемость зависят от дипольного момента молекул и числа дипоЛёй в единице объема вещества. Например, дипольный момент спиртов, обусловленный полярной гидроксильной группой, практически одинаков (1,67 Д у метилового спирта, 1,64 Д у н-амилового спирта), однако диэлектрическая проницаемость в гомологическом ряду постепенно снижается у метилового спирта она равна 33,6, у к-пропилового спирта 21,2 и у к-амилового 10,8, что объясняется уменьшением числа диполей в единице объема при увеличении молекулярной массы. [c.53] Неполярные вещества также поляризуются вследствие упругого смещения связанных электронов (деформационная поляризация). Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков, обусловленная деформационной поляризацией, значительно меньше диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков, зависящей только частично от деформационной и в основном — от дипольной поляризации. [c.54] Высокомолекулярные полярные соединения ведут себя в электрическом поле принципиально так же, как низкомолекулярные вещества. Однако химическое строение полимеров и их структура обусловливают некоторые особенности их поведения. [c.54] В низкомолекулярных соединениях каждая молекула имеет один диполь, и поворот ее не связан с поворотом соседнего диполя. Полярные полимеры состоят из большого числа диполей — полярных звеньев, связанных между собой химическими связями, и повороты звеньев зависят друг от друга. Повороту звеньев (вокруг простых связей) препятствуют силы меж-молекулярного взаимодействия и боковые группы соседних звеньев. В результате звенья совершают не полное вращение, а вращательные колебания. Однако при отсутствии свободы вращения в цепи полимера имеются участки, называемые сегментами, способные независимо изменять форму. Чем меньше сегмент, тем больше гибкость молекул и тем больше проявляется способность полимера ориентироваться в электрическом поле. [c.54] Электропроводимость диэлектриков обусловлена передвижением ионов, образующихся вследствие диссоциации полярных примесей (сама полимерная цепь в переносе зарядов не участвует). Примеси всегда присутствуют в природных диэлектриках, а при изготовлении синтетических электроизоляционных материалов вносятся катализаторами, эмульгаторами, электролитами для коагуляции эмульсии и т. д. Эти примеси в процессе очистки материалов полностью не удаляются, хотя их количество часто не улавливаются химическим анализом. Чтобы произошла диссоциация на ионы вещества, распределенного в какой-либо среде, необходимо, чтобы не только оно само отличалось достаточной полярностью, но и чтобы среда имела высокую диэлектрическую проницаемость. Поэтому ионогенные примеси оказывают сильное влияние на электропроводимость полярных диэлектриков и в меньшей степени — неполярных диэлектриков. Это подтверждается легкой диссоциацией примесей в воде (диэлектрическая проницаемость которой очень велика, е = 81), спирте и в других низкомолекулярных полярных жидкостях. [c.56] Диэлектрические потери. Поляризация диэлектриков сопровождается преврашением части электрической энергии в теплоту вследствие трения, возникающего между макромолекулами, сегментами и объемными заместителями в цепи. Диэлектрические потери представляют собой ту часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде теплоты. [c.57] Ориентация диполей в электрическом поле происходит во времени, поэтому поляризация отстает от напряженности электрического поля. Это оказывает влияние на угол сдвига фаз между напряжением и током и соответственно на угол ( 6 ) в векторной диаграмме или его тангенс, численно равный отношению активной и реактивной составляющей тока. Так как активная составляющая характеризует тепловые потери, то тангенс угла б (tgo), или тангенс угла диэлектрических потерь, принят в качестве показателя диэлектрика. Чем tgo больше, тем при прочих равных условиях больше диэлектрические потери. [c.57] Для работы при высоких частотах должны применяться материалы с малыми значениями tg6. Так, полиэтилен, у которого tgб при 10 Гц находится в пределах 0,0003—0,0005, практически не обладает дипольной поляризацией. [c.58] Величина tgб существенна для материалов, используемых при высоком напряжении, например в кабелях напряжением выше 6 кВ, поскольку потери возрастают пропорционально квадрату напряжения. [c.58] При выборе электроизоляционного материала очень важно знать зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры. Для полярных диэлектриков эта зависимость описывается кривой с максимумом и минимумом (рис. 4), так как потери зависят от степени ориентации диполей, а при достигнутой ориентации — от состояния среды, влияющей на внутреннее трение молекул. [c.58] Электрическая прочность. Важной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность — его способность оказывать сопротивление разрушающему действию электрического поля. Она характеризуется минимальной напряженностью электрического поля, вызывающей пробой Е и зависит от химического строения и структуры материала. [c.59] С химическим строением связана электрическая прочность при тепловом пробое, вызываемом нагреванием диэлектрика вследствие рассеивания в нем энергии за счет диэлектрических потерь. Диэлектрические потери определяются тангенсом угла потерь ), зависящим от химического строения полимера (его полярности). Так как tgб резко возрастает с повышением температуры и диэлектрик является плохим проводником, то нагревание протекает лавинообразно, что приводит к термическому разрушению материала или пробою. Материал с более высокой нагревостойкостью оказывает большее сопротивление разрушающему термическому действию. Электрическая прочность при чисто электрическом пробое зависит от однородности материала и содержания в нем газовых включений. Содержащиеся во включениях газы имеют небольшую электрическую прочность по сравнению с большинством жидких и твердых диэлектриков, так как газы ионизируются при меньшей напряженности электрического поля. Образовавшиеся вследствие ионизации заряженные частицы (ионы и электроны), число которых при воздействии поля повышается лавинообразно, разрушают материал, в результате чего наступает пробой. [c.59] При длительном воздействии электрического поля электрическая прочность постепенно снижается, и пробой может произойти при напряжении, меньшем напряжения, вызывающего пробой при кратковременном его приложении (в исходном состоянии до длительного воздействия электрического поля). Процесс, сопровождающийся ухудшением свойств диэлектрика при длительном приложении электрического поля, называется электрическим старением. Разрушение обусловлено медленным изменением химического состава и структуры диэлектрика. Основной причиной ухудшения свойств является возникновение разрядов в газовых включениях неоднородной изоляции. Разряды вызывают ионизацию газов — распад на ионы и электроны, вследствие чего возникают местные перегревы и местные разрушения (эрозия). Вследствие ионизации воздуха образуется озон, который вызывает окисление материала. Для повышения стойкости электроизоляционных конструкций используют различные меры для подавления процессов, протекающих при электрическом старении. Например, в кабелях на высокое напряжение с бумажно-пропитанной изоляцией процессы электрического старения замедляются в результате повышения давления во включениях с помощью масла (маслонаполненные кабели). Для надежной работы кабелей-с полиэтиленовой изоляцией напряжением до 220 кВ особо важное значение имеют однородность полиэтилена и его чистота. Для уменьшения электрического старения в полиэтилен вводят специальные стабилизаторы. [c.60] Вернуться к основной статье