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 rs, тангенс угла диэлектрических потерь tgd и электрическая прочность Епр.