 |
Стали для измерительного инструмента
|
|
|
|
Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и сохранять постоянство размеров. Обычно применяют высокоуглеродистые хромистые стали Х (0,95-1,1% С, и 1,3-1,65% Сr), ХВГ и 12Х1 (1,15-1,25% С, 1,3-1,65% Сr). Измерительный инструмент подвергают закалке в масле с возможно более низкой температурой, обычно с 840-850° С для сталей Х и ХВГ и с 850-880°С для стали 12Х1. В закаленной высокоуглеродистой стали при нормальной комнатной температуре в течение длительного времени самопроизвольно протекает процесс старения, который заключается в частичном распаде мартенсита и превращении некоторого количества остаточного аустенита в мартенсит. Старение вызывает небольшое изменение объема и линейных размеров изделия, недопустимое для измерительных инструментов высоких классов точности.
Для предупреждения подобного старения измерительные инструменты продолжительное время (12-60 ч) подвергают отпуску при 120-140°С. Твердость после указанной обработки составляет HRC 62-64.
Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.
Выводы по лекции
Инструментальная углеродистая сталь – сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали – 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной – 0,02 % и 0,03 % соответственно.
|
|
|
Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку.
К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А (в конце маркировки), к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов – марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У – углеродистая, следующая за ней цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г – повышенное содержание марганца.
Достоинство углеродистых инструментальных сталей состоит в основном в их малой стоимости и достаточно высокой твёрдости по сравнению с другими инструментальными материалами. К недостаткам следует отнести малую износостойкость и низкую теплостойкость.
Вопросы для самопроверки
1. Как классифицируются и обозначаются инструментальные стали?
2. Для чего предназначены быстрорежущие стали? Охарактеризуйте их.
3. Какие стали применяются для режущего инструмента?
4. Какие стали применяются для измерительного инструмента? Основные требования к ним
РАЗДЕЛ 2. ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
ТЕМА 11. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ
План лекции
1. Строение атомов и молекул
2. Зонная теория твердых тел
Строение атомов и молекул
Мельчайшей частицей любого вещества является молекула, которая в свою очередь состоит из атомов. Основными элементарными частицами, из которых строятся все известные нам атомы, являются протоны, нейтроны и электроны. Протоны имеют положительный заряд, электроны – отрицательный. Заряды протона и электрона равны по величине и составляют 16×10-20К. Это элементарный, т.е. наименьший электрический заряд. Нейтроны, как говорит само название, являются нейтральными частицами, не имеющими заряда.
|
|
|
Согласно упрощенной модели Нильса Бора атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны, компенсируя положительный заряд ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Электроны располагаются вокруг ядра несколькими слоями – оболочками на очень большом по сравнению со своими размерами расстоянии. Строение ядер атомов и периодичность заполнения оболочек электронами можно находить с помощью таблицы Д. И. Менделеева.
Атом имеет размеры порядка ангстрема (один ангстрем равен 10-10м). Молекулы различных веществ содержат различное число атомов. Например, гелий и аргон – одноатомные газы, водород и кислород – двухатомные, озон – трехатомный. В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов в молекулах могут образовываться различные виды связей.
Ионная связь обусловлена кулоновским притяжением противоположно заряженных ионов. Этот вид связи наиболее характерен для неорганических диэлектриков, имеющих в своем составе ионы противоположных знаков, например Na+-Cl-, Li+-F-.
Ковалентная (атомная) связь обусловлена образованием обобществленных (общих пар) валентных электронов по одному от каждого атома. Такая пара электронов устойчива в результате обменного взаимодействия при противоположной ориентации спиновых и соответствующих орбитальных магнитных моментов электронов. В отличие от ионной, ковалентная связь имеет направленный характер, она образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая плотность объединенных электронов.
Металлическая связь обусловлена взаимодействием между положительно заряженными ионами металла, образовавшихся за счет потери (отрыва) электронов и этими коллективизированными электронами («электронным газом»). «Электронный газ» оказывает цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и обуславливает их высокую электропроводность, теплопроводность и пластичность.
Молекулярная связь (или силы Ван-дер-Ваальса) обусловлена электростатическим диполь-дипольным взаимодействием между молекулами, которое возникает в результате неоднородного распределения заряда электронов вокруг ядер.
|
|
|
Водородная связь осуществляется через ион водорода (протон), расположенный между двумя ионами (О, F, Cl) соседних молекул. Водородная связь реализуется в воде Н2О, некоторых органических соединениях и в кристаллах типа дигидрофосфата калия КН2РО4.
Энергия химических связей, к которым можно отнести ковалентную, ионную и металлическую связи, составляет ~102 кДж/моль. Энергия межмолекулярных взаимодействий существенно меньше. Энергия водородной связи ~10…50 кДж/моль, а энергия вандерваальсового межмолекулярного взаимодействия всего ~0,1…1 кДж/моль. Кроме того, в отличие от ионного или металлического типа связей, ковалентные связи имеют ярко выраженную направленность в сторону наибольшей плотности объединенных электронов. Поэтому материалы, полученные из веществ с различным типом связей, сильно отличаются по своим электрическим и другим свойствам.
Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, являются нейтральными. Если же в отдельных молекулах (рисунок 24) центры противоположных по знаку зарядов 
и 
не совпадают и находятся на некотором расстоянии l друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными. Полярная молекула характеризуется величиной дипольного момента 
, который определяется произведением заряда 
и расстояния 
между центрами положительного и отрицательного зарядов: 
. Электрический момент полярной молекулы является векторной величиной. За направление вектора принимают направление от отрицательного заряда к положительному. При отсутствии внешнего электрического поля суммарный дипольный момент равен нулю, так как диполи расположены хаотично. При приложении внешнего электрического поля диполи и из электрические моменты ориентируются по направлению поля.
Рисунок 24. Схема строения полярной молекулы.
Нейтральный атом, получив некоторое количество энергии извне может лишиться части электронов, и превратиться в положительный ион и свободные электроны. Такой процесс носит название ионизации. Атом может и присоединять дополнительные электроны, превращаясь в отрицательный ион. Ионами могут быть и группы атомов, потерявших или присоединивших электроны.
|
|
|
Зонная теория твердых тел
Все вещества в зависимости от их электрических свойств делятся на диэлектрики, проводники или полупроводники. Различие между ними наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.
Спектральный анализ отдельных атомов показывает, что для атома каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии Это говорит о наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов.
Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома. На других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом подвергается внешнему энергетическому воздействию и становится возбужденным. Стремясь снова вернуться к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии и электроны возвращаются на свои прежние уровни, при которых энергия атома минимальна. Сказанное иллюстрируется энергетической диаграммой атома, показанной на рисунке
Когда из отдельных атомов образуются молекулы, а из молекул образуется вещество, все имеющиеся у данного типа атома электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуются целые полосы – зоны энергетических уровней (рисунок 25). Нормальные энергетические уровни 1 образуют заполненную электронами зону 2. Уровни возбужденного состояния атома 3 образуют свободную зону 4. Между заполненной зоной и свободной зоной располагается запрещенная зона 5.
Рисунок 25. Схема расположения энергетических уровней уединенного атома (слева) и твердого кристаллического тела – диэлектрика (справа).
На рисунке 26 показаны энергетические диаграммы диэлектрика (а), полупроводника (б) и проводника (в). Обозначения те же, что и на рисунке 25.
Рисунок 26. Энергетические диаграммы твердых тел:
диэлектрика (а), полупроводника (б), проводника (в)
Диэлектриками являются такие материалы, у которых запрещенная зона (а следовательно и необходимая для ее преодоления энергия) настолько велика, что в обычных условиях электроны не могут переходить в свободную зону и электронной электропроводности не наблюдается. Таким образом, диэлектрики не проводят электрический ток, они являются изоляторами. Однако такими свойствами диэлектрик обладает до определенного предела. При воздействии очень высоких температур или сильных электрических полей связанные электроны могут переходить в свободную зону. В этом случае диэлектрик теряет свои изоляционные свойства, он перестает быть изолятором и становится проводником.
|
|
|
Полупроводники имеют более узкую запрещенную зону, которая может быть преодолена за счет небольших внешних энергетических воздействий, например температуры, света или других источников энергии. Если подведенная извне энергия будет достаточна для переброса электронов через запрещенную зону, то, став свободным, электроны могут перемещаться и под действием электрического поля, создавать электронную электропроводность полупроводника. При низких температурах полупроводники имеют мало свободных электронов, они плохо проводят электрический ток и практически являются изоляторами. С повышением температуры число носителей заряда растет и сопротивление полупроводников сильно уменьшается.
Проводниками являются материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле могут переходить из заполненной зоны в свободную зону даже при слабых напряженностях электрического поля.
Выводы по лекции
Мельчайшей частицей любого вещества является молекула, которая в свою очередь состоит из атомов. Основными элементарными частицами, из которых строятся все известные нам атомы, являются протоны, нейтроны и электроны. В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов в молекулах могут образовываться различные виды связей: ионная ковалентная металлическая молекулярная и водородная. Все вещества в зависимости от их электрических свойств делятся на диэлектрики, проводники или полупроводники. Различие между ними наиболее наглядно показывается с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.
Вопросы для самопроверки
1. Из чего состоят атомы и молекулы?
2. Какие виды связей могут образовываться в молекулах в зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов?
3. Какие молекулы называются нейтральными и какие полярными?
4. В чем сущность зонной теории твердых тел?
5. Какие материалы называются диэлектриками, полупроводниками и проводниками?
ТЕМА 12. ДИЭЛЕКТРИКИ
План лекции
1. Диэлектрики в электрическом поле
2. Поляризация диэлектрика и относительная диэлектрическая проницаемость
3. Основные виды поляризации диэлектриков
4. Диэлектрическая проницаемость газообразных, жидких и твердых диэлектриков
1. Диэлектрики в электрическом поле
Основной процесс, который возникает в диэлектрике при воздействии на него электрического поля это поляризация диэлектрика. Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул диэлектрика при воздействии на него электрического поля. Если процесс поляризации происходит без потерь энергии, то его характеризуют значением относительной диэлектрической проницаемости 
. Если же поляризация сопровождается рассеиванием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика, то ее дополнительно характеризуют и так называемым углом диэлектрических потерь 
.
2. Поляризация диэлектрика и относительная диэлектрическая проницаемость
Представим себе конденсатор, образованный двумя обкладками, между которыми находится вакуум (рисунок 27, а). Если к такому конденсатору подвести постоянное напряжение U, то постоянный ток через конденсатор не пойдет, так как между его обкладками находится диэлектрик – вакуум. На обкладках конденсатора образуются заряды противоположных знаков +Q0 и –Q0. Величина этих зарядов связана с емкостью конденсатора соотношением:
,
где 
– емкость конденсатора, когда между его пластинами находится вакуум; 
– электрическая постоянная; S – площадь пластин конденсатора, м2; d – расстояние между обкладками конденсатора, м.
Между обкладками конденсатора будет действовать электрическое поле. Линии напряженности электрического поля 
будут начинаться на положительных зарядах и заканчиваться на отрицательных. Величина напряженности будет равна: 
.
Рисунок 27. Электрическое поле в конденсаторе без диэлектрика (а) и с диэлектриком (б).
Заряд на обкладках конденсатора можно выразить через напряженность электрического поля следующим образом: 
.
Поверхностная плотность зарядов будет равна: 
.
Если теперь между обкладками конденсатора поместить диэлектрик (рисунок 27, б), то имеющиеся в диэлектрике связанные заряды смещаются в направлении действующих на них сил электрического поля. При снятии электрического поля заряды вернутся в свое прежнее состояние. Проанализируем воздействие этих зарядов на заряды, находящиеся на обкладках конденсатора.
Связанные заряды диэлектрика смещаются таким образом, что на поверхности, обращенной к положительному электроду образуется отрицательный заряд, а на поверхности, обращенной к отрицательному электроду – положительный заряд. Поскольку заряды связанные, то разойтись, т.е. покинуть диэлектрик и перейти на электроды они не могут. Наличие связанных зарядов на поверхностях диэлектрика 
приводит к тому, что на обкладках конденсатора появляется дополнительный заряд 
, равный заряду на поверхности диэлектрика. Таким образом, суммарный заряд на обкладках конденсатора будет равен: 
.
Отношение зарядов 
является одной из важных электрических характеристик диэлектрика и называется относительной диэлектрической проницаемостью :
.
Из выражения следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума. Отметим, что иногда слово «относительная» в названии опускают и называют ее просто диэлектрической проницаемостью
Увеличение заряда на обкладках конденсатора связано с увеличением электрической емкости конденсатора. Можно записать, что 
, где 
– емкость конденсатора с диэлектриком. Следовательно, можно записать:
.
Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость есть отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров, если бы между обкладками находился вакуум. Емкость конденсатора с диэлектриком можно выразить:
.
Значения для некоторых изоляционных материалов:
Материал
Газы 1,0005
Гетинакс 6-4
Фторопласт 1,9-2,1
Лакоткани 3-4
Полиэтилен 2,3-2,4
Полистирол 2,4-2,6
Масло трансформаторное 2,1-2,4
Оргстекло 4
Поливинилхлорид 3-5
Вода дистиллированная 40
Титанат кальция 150
Титанат бария 2000
Титанат бария с добавками 9000
3. Основные виды поляризации диэлектриков
В зависимости от строения диэлектрика различают два основных вида поляризации. К первому виду относится поляризация, совершающаяся практически мгновенно, вполне упруго, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла. Второй вид поляризации совершается замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией. Рассмотрим подробнее эти два вида поляризации.
К первому виду поляризации относятся электронная и ионная поляризации.
Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов (рисунок 28). Время установления электронной поляризации ничтожно мало и составляет около 10-15 с. Смещение и деформация электронных орбит атомов или ионов не зависит от температуры, но сама величина при электронной поляризации несколько уменьшается при повышении температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением частиц в единице объема, т. е. уменьшением плотности вещества. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии.
Рисунок 28. Электронная поляризация диэлектрика.
Положение орбит электронов при отсутствии электрического поля (а)
и при наличии электрического поля (б)
Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов. С повышением температуры она несколько усиливается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении. Время установления ионной поляризации больше, чем электронной, но оно также очень мало и имеет порядок 10-13 с. Относительная диэлектрическая проницаемость при электронной и ионной поляризации не зависит от частоты, поскольку время установления ее, как указывалось выше, очень мало.
Диэлектрик, обладающий электронной или ионной поляризацией, может быть представлен идеальным конденсатором без потерь. В таком конденсаторе ток опережает напряжение на 90 градусов (рисунок 29,а).
Рисунок 29. Схема замещения диэлектрика без потерь (а)
и с потерями (б)
Дипольно-релаксационная поляризация или более кратко дипольная поляризация отличается от электронной и ионной тем, что она связана с потерями энергии при поляризации, т.е. с нагреванием диэлектрика. Этот вид поляризации наблюдается в полярных веществах. В таких веществах молекулы или радикалы. являются диполями даже при отсутствии электрического поля. Они находятся в хаотическом тепловом движении и результирующий электрический момент всех этих диполей равен нулю (рисунок 30, а). Под действием сил электрического поля диполи поворачиваются, ориентируясь вдоль линий электрического поля (рисунок 30, б). Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, что усиливает дипольную поляризацию. При дальнейшем увеличении температуры возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. В связи с этим относительная диэлектрическая проницаемость при дипольной поляризации с увеличением температуры сначала возрастает, а затем начинает падать (рисунок 31,а). Диэлектрическая проницаемость полярных веществ тем больше, чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объема.
Рисунок 30. Расположение диполей в неполяризованном (а) и поляризованном (б) диэлектрике
а) б)
Рисунок 31. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости
от температуры (а) и частоты (б) для полярной жидкости – совола.
Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления. Поэтому дипольная поляризация связана с потерями энергии. Эта энергия затрачивается на преодоление сил внутреннего трения. В вязких жидкостях сопротивление поворотам молекул настолько велико, что при повышенных частотах приложенного к диэлектрику напряжения диполи не успевают ориентироваться в направлении поля и дипольная поляризация может полностью исключаться (рисунок 31,б). Примером вещества с дипольно-релаксационной поляризацией является целлюлоза. В схеме замещения диэлектрик с дипольной поляризацией может быть представлен в виде последовательно или параллельно включенных идеального конденсатора и активного сопротивления (рисунок 29,б). В такой схеме ток опережает напряжение на угол 
меньший 90 градусов. Угол, дополняющий угол до 90 градусов обозначается и называется углом диэлектрических потерь. В технике принято использовать не сам угол , а безразмерную относительную величину- тангенс этого угла 
(тангенс дельта).
Кроме рассмотренных выше основных видов поляризации наблюдаются следующие виды поляризации, связанные с потерей электрической энергии.
Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов.
Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбуждения тепловой энергией избыточных электронов.
Миграционная поляризация наблюдается в технических диэлектриках неоднородной структуры, слои которой обладают различной проводимостью.
Самопроизвольная или спонтанная поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков. В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом еще в отсутствии внешнего поля. Однако ориентация электрических моментов в разных доменах различная и результирующий момент равен нулю. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов отдельных доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. При некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение и дальнейшее увеличение поля уже не вызывает возрастания относительной диэлектрической проницаемости.
Технические диэлектрики обладают, как правило, не одним, а одновременно несколькими видами поляризации. Следовательно, емкость конденсатора с диэлектриком обусловливается суммой различных механизмов поляризации. На рисунке 32 показана схема замещения технического диэлектрика, обладающего различными механизмами поляризации в электрическом поле. Схема состоит из параллельно включенных емкостных и активно-емкостных цепочек. Емкость 
соответствует собственной емкости электродов, если между ними нет диэлектрика, т.е. емкости электродов в вакууме. Емкости 
и 
соответствуют электронной и ионной поляризациям. Емкость 
и сопротивление 
соответствуют дипольно-релаксационной поляризации. Емкость 
и сопротивление 
соответствуют ионно-релаксационной поляризации, а 
и 
- электронно-релаксационной поляризации. Емкость 
и сопротивление 
соответствуют миграционной поляризации, а 
и 
- спонтанной поляризации. Все емкости эквивалентной схемы на рис. зашунтированы сопротивлением 
, представляющим собой сопротивление изоляции сквозному току утечки через диэлектрик. Как правило, ток утечки в диэлектриках очень мал и сопротивление изоляции составляет десятки и сотни МОм.
Рисунок 32. Эквивалентная схема технического диэлектрика.
4. Диэлектрическая проницаемость газообразных, жидких и твердых диэлектриков
Газообразные вещества характеризуются весьма малой плотностью вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому поляризация всех газов незначительная, и относительная диэлектрическая проницаемость их близка к единице. Поляризация газа может быть чисто электронной или же дипольной, если молекулы газа полярны. Но даже и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация. Относительная диэлектрическая проницаемость газов тем выше, чем больше радиус молекулы.
Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и давления определяется изменением числа молекул в единице объема газа. Это число пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре. При повышении влажности воздуха при нормальных температуре и давлении относительная диэлектрическая проницаемость незначительно увеличивается. При повышенной температуре это увеличение становится более заметным. Температурная зависимость относительной диэлектрической проницаемости обычно характеризуется выражением:
.
Формула дает возможность вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при повышении температуры на один градус. Эта величина носит наименование температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости имеет единицу измерения 
. Поскольку температура чаще всего рассчитывается по градусам Кельвина, то размерность записывают как 
. Величину 
полярного газа можно найти по выражению:
.
Например, для воздуха при 
=200 С:
.
Жидкие диэлектрики могут быть построены из неполярных или полярных молекул. Значение относительной диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелико и обычно не превышает значения 2,5. Например, для трансформаторного масла =2,1-2,4. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры для неполярной жидкости связана с уменьшением числа молекул в единице объема. От частоты приложенного напряжения 
для неполярной жидкости не зависит
Значение для полярных жидкостей лежит в пределах от 3,5 до 5. Например, совол имеет значение =5. Температурная зависимость для совола показана на рисунке 31,а, из которого видно, что для полярных жидкостей эта зависимость имеет более сложный характер, чем для неполярных. Сильно полярные жидкости характеризуются очень высоким значением относительной диэлектрической проницаемости. Например, дистиллированная вода имеет =40. Однако практического применения в качестве диэлектрика вода не находит вследствие ее большой проводимости. При переходе воды из жидкого состояния в твердое относительная диэлектрическая проницаемость уменьшается от значения 40 до значения 2,45.
Значительное влияние на дипольной жидкости имеет частота (рисунок 31,б). Пока частота мала и диполи успевают следовать за полем, близка к значению, измеренному при постоянном напряжении. Когда же частота становится настолько большой, что диполи уже не успевают следовать за изменением поля, диэлектрическая проницаемость уменьшается, стремясь к значению, обусловленному электронной поляризацией, т. е. к значению, близкому к единице.
В твердых телах в зависимости от структуры диэлектрика возможны все виды поляризации. Поэтому твердых тел может принимать самые различные численные значения. Для твердых неполярных диэлектриков характерны те же зависимости, что и для неполярных жидкостей и газов. На рисунке 33 показана температурная зависимость для парафина. При переходе парафина из твердого состояние в жидкое (температура плавления составляет 540 С) происходит резкое уменьшение 
вследствие сильного понижения плотности вещества.
Рисунок 33. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярного диэлектрика – парафина.
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц, в которых наблюдается помимо электронной и ионной также и ионно-релаксационная поляризация, характеризуются в большинстве случаев большим положительным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости. Примером может служить электротехнический фарфор, которого в зависимости от температуры приведена на рисунке 34.
Рисунок 34. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости электротехнического фарфора.
Полярные органические диэлектрики характеризуются дипольной поляризацией. К таким диэлектрикам относятся целлюлоза и продукты ее переработки. Диэлектрическая проницаемость указанных материалов в большой степени зависит от частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются для полярных жидкостей.
Выводы по лекции
Диэлектрик – вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик – вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ. Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое поляризация? Каким параметром она характеризуется?
2. В чем отличие электрического поля в конденсаторе без диэлектрика и с диэлектриком
3. Назовите основные виды поляризации диэлектриков
4. Охарактеризуйте диэлектрическую проницаемость газообразных, жидких и твердых диэлектриков
|
|
|
