Диэлектрик — материал, не проводящий электрический ток¶
Диэлектрик (электрически непроводящее вещество, изолятор) — материал, в котором при приложении внешнего электрического поля практически отсутствуют свободные заряды, способные к упорядоченному переносу через объём вещества. В отличие от проводников, у которых концентрация свободных электронов достигает 10²²–10²³ см⁻³, в диэлектриках эта величина на много порядков меньше, а электрический ток, возникающий под действием поля, обусловлен главным образом смещением связанных зарядов и ограничен утечками.
¶Электрическая поляризация
Основное отличие диэлектрика от проводника проявляется в способности к поляризации. Под действием внешнего поля у атомов и молекул возникают смещения электронных облаков и ядер, появляются ориентированные диполи, формируется объёмный заряд на границах. Различают несколько типов поляризации:
- электронная — смещение электронных облаков относительно ядер; наблюдается во всех веществах, время установления ~10⁻¹⁵ с;
- ионная — относительное смещение ионов в ионных кристаллах (NaCl, Al₂O₃); время ~10⁻¹³ с;
- ориентационная (дипольная) — поворот постоянных молекулярных диполей; характерна для полярных диэлектриков (вода, глицерин), время зависит от температуры и вязкости;
- пространственная (объёмная) — накопление носителей в объёме или на границах при неоднородном поле; время от секунд до часов.
Суммарный эффект описывается вектором поляризации P = ε₀χE, где χ — восприимчивость. Диэлектрическая проницаемость ε = 1 + χ определяет, во сколько раз поле внутри вещества слабее внешнего.
¶Классификация
По характеру поляризации диэлектрики делят на неполярные (бензол, полиэтилен, воздух) и полярные (вода, слюда, фарфор). По агрегатному состоянию — на твёрдые (керамика, стекло, полимеры), жидкие (трансформаторное масло, жидкие кристаллы) и газообразные (воздух, азот, шестифтористая сера). По электрической прочности — на классические и сегнетоэлектрики, у которых自发ная поляризация сохраняется без внешнего поля.
¶Основные характеристики
| Параметр | Типичные значения | Примечание |
|---|---|---|
| Электрическая прочность | 10–1000 кВ/мм | зависит от толщины, температуры, влажности |
| Диэлектрическая проницаемость | 1,0006 (воздух) — 10⁴ (сегнетоэлектрики) | для большинства полимеров 2–5 |
| Тангенс угла потерь | 10⁻⁴–10⁻² | характеризует потери в переменном поле |
| Удельное объёмное сопротивление | 10⁸–10²⁰ Ом·м | ограничивается утечками |
¶Электрический пробой
При возрастании напряжения до критического значения диэлектрик теряет изоляционные свойства — происходит пробой. Различают:
- тепловой — разогрев проводящих участков и развитие тепловой нестабильности;
- электронный (лавинный) — ускорение электронов до энергии ионизации;
- электрохимический — разрушение под действием продуктов электролиза;
- ионизационный — в газах при давлении, близком к максимуму кривой Пашена.
После пробоя в твёрдых диэлектриках образуется канал с обугленным веществом («деревообразование»), в жидкостях — пузырьки газа, в газах — разрядная плазма.
¶Применение
Диэлектрики используются как изоляционные материалы в кабелях, трансформаторах, конденсаторах, печатных платах, высоковольтных линиях. Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью применяются в конденсаторах (титанат бария, тантал). Жидкие кристаллы служат основой ЖК-дисплеев. Сегнетоэлектрики применяются в памяти, датчиках, пьезоэлектрических преобразователях. В радиотехнике диэлектрические антенны и волноводы используются там, где металлические конструкции неприменимы.
¶Диэлектрики в природе и технике
Воздух — самый распространённый диэлектрик: его диэлектрическая прочность при нормальном давлении составляет около 3 кВ/мм, что определяет расстояния между электродами в высоковольтном оборудовании. Вода — полярный диэлектрик с ε ≈ 81, что объясняет её высокую растворяющую способность. В биологии мембраны клеток представляют собой тонкие диэлектрические плёнки толщиной около 5–10 нм, обеспечивающие градиент потенциала.
¶История
Термин «диэлектрик» введён Майклом Фарадеем в 1830-х годах для обозначения веществ, изменяющих электрическое поле в конденсаторе. Фарадей экспериментально показал, что вставка различных материалов между пластинами увеличивает ёмкость в определённое число раз — именно это число стало называться диэлектрической проницаемостью.
Источники: Физический энциклопедический словарь; Гранберг О. Г. «Изоляция высоковольтного оборудования»; Сивухин Д. В. «Общий курс физики. Электричество»; Кадомцев Б. Б. «Динамика заряженных частиц».