Свойства диэлектриков.

В заключение настоящей главы мы дадим краткий обзор неко­торых основных свойств изолирующих материалов (диэлектриков):

а) Диэлектрическая постоянная e. Она является главной ха­рактеристикой изолирующей среды в отношении ее электрических свойств, определяя степень участия среды в том физическом процессе, который происходит в электрическом поле. От величины диэлектрической постоянной зависит электрическое смещение, являющееся

 

 

основной электрической деформацией среды, отражающейся на всех проявлениях электрического поля. В связи с этим диэлектрическая постоянная e входит в формулировку закона Кулона, выражающего силы механического взаимодействия между двумя наэлектризован­ными телами. От величины e зависит электроемкость и т. д. Как увидим в главе VIII, от диэлектрической постоянной среды зависит скорость распространения в ней электромагнитных возмущений. Вообще не существует ни одного явления, наблюдаемого в электри­ческом поле, которое не зависело бы в количественном отношении от величины e.

В нижеследующей таблице приведены в виде примера некото­рые цифры, характеризующие диэлектрическую постоянную для различных диэлектриков. Необходимо при этом иметь в виду, что промежуток времени, в течение которого твердый или жидкий ди­электрик находится в электрическом поле, имеет большое влияние на результат определения величины e. Есть еще целый ряд других обстоятельств, осложняющих определение e, как-то: температура, давление и т. д. Ввиду всего этого значения e, в особенности для твердых и жидких диэлектриков, приводимые ниже, следует рас­сматривать как весьма приблизительные. Они относятся к атмо­сферному давлению и температуре, равной 20° С, и при этом даны в абсолютной электростатической системе (для пустоты прини­маем e₀=1).

 

 

б) Явление остаточного заряда и диэлектрическая вязкость. Так называется явление, заключающееся в следующем. Если зарядить конденсатор, металлические обкладки которого непосредственно соприкасаются с промежуточным твердым или жидким диэлектриком, и затем разрядить этот конденсатор, соединив на короткое время его обкладки проводником, то через некоторое время обычно ока­зывается, что обкладки его вновь заряжены, так что его можно

 

 

вторично разрядить, опять соединив обкладки, и т. д. Этот опыт прак­тически можно воспроизводить много раз, пока, наконец, конденса­тор не разрядится окончательно. Одним словом, при первом раз­ряде не весь заряд конденсатора разрядился. Некоторая часть сохра­нилась, и этот остаточный заряд освобождается лишь постепенно, Наблюдается и обратное явление. После заряжения конденсатора разность потенциалов между его обкладками постепенно начинает уменьшаться, если только обкладки после заряжения немедленно изолируются от всякого соприкосновения с внешним генератором электрической энергии. При этом разность потенциалов ассимптотически приближается к некоторой предельной величине. Явление это отнюдь не связано с проводимостью диэлектрика и может на­блюдаться в случае наилучших изоляторов.

Максвелл рассматривал явление остаточного заряда как резуль­тат упругого последействия при электрических деформациях в диэлектрике. Он пришел к заключению, что остаточный заряд может образоваться только в том случае, если диэлектрик неоднороден. Этот вывод подтверждается позднейшими исследованиями с возможно чистыми и однородными диэлектриками. Так было найдено, что чистые кристаллы кварца почти не дают, а исландский шпат совсем не дает остаточного заряда. Так же не наблюдается это явление и в случае чистых изолирующих масел, взятых в виде однородного слоя; однако, остаточный заряд обнаруживается в случае, если ди­электрик состоит из ряда слоев различных изолирующих масел. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что сотрясения диэлектрика, когда он находится в электрическом поле, способствуют увеличению остаточного заряда. Наоборот, в процессе разряда со­трясения ускоряют освобождение скрытого заряда. Все это в высо­кой степени напоминает влияние сотрясений на магнитное состояние ферромагнитных материалов (см. § 39) и, повидимому, свидетель­ствует о том, что в процессе образования деформации электриче­ского смещения в диэлектрической материальной среде имеют место действительные смещения каких-то элементов материи. Весьма воз­можно, что к остаточной электрической деформации, как было бы правильнее назвать разбираемое явление, имеет непосредственное отношение то движение ионов в диэлектрике, которое в послед­нее время было предметом обстоятельного изучения со стороны А. Ф. Иоффе.

По существу, описываемое свойство остаточного заряда должно быть рассматриваемо как проявление диэлектрической вязкости вещества, выражающиеся в том, что величина электрического сме­щения D, соответствующая данному значению электрической силы Е, устанавливается не сразу, а достигается лишь с течением времени, ассимптотически, в связи с какими-то задерживающими факторами, обусловливаемыми природою данного диэлектрика. В этом отношении есть много общего с магнитной вязкостью (см. § 41). Подобное сходство, повидимому, обусловливается тем, что в обоих случаях материальная среда принимает самое интимное участие в явлениях, происходящих в пространстве во время образования в нем поля

 

 

(магнитного или электрического). Существование диэлектрической вязкости является одною из основных причин тех затруднений при определении e, о которых было выше упомянуто. Практически это свойство вязкости приводит, между прочим, к тому, что емкость обычных конденсаторов с твердыми диэлектриками уменьшается по мере повышения частоты, с которою производится перезаряжение. И это обнаруживается особенно резко в случае явно неоднородных диэлектриков. Так, например, в одном опыте Эйслера емкость кон­денсатора с парафинированной бумагой в случае длительного заряже­ния при постоянной разности потенциалов оказалась равной 2,5 ми­крофарады; при переменной же ЭДС с частотою в 18 периодов в секунду она упала до 2,15 микрофарады, и, наконец, при частоте в 45 периодов в секунду емкость того же конденсатора оказалась равной 2,01 микрофарады. Этот пример показывает, насколько важно при точных измерениях не упускать из вида непостоянство емкости простых конденсаторов. Только воздушные конденсаторы совершенно свободны от этого недостатка. Слюдяные конденсаторы хотя и усту­пают воздушным, но все же практически более или менее удовле­творительны. Для того, чтобы избегнуть неопределенности при измерении диэлектрической постоянной в по способу сравнения емко­стей, нередко работают с очень высокими частотами) при применении которых достигается относительная устойчивость получаемых значений e для данного диэлектрика.

Диэлектрический гистерезис. Если подвергать диэлектрик воз­действию со стороны переменного электрического поля, то наблю­дается некоторое нагревание диэлектрика в связи с возникающими в нем потерями энергии, обусловленными именно периодическими изменениями электрической деформации. По аналоги с тем, что мы имели в случае перемагничивания ферромагнитных материалов (см. § 33—35), Штейнметц назвал это явление диэлектрическим гистерезисом. Действительная природа диэлектрического гистерезиса в настоящее время еще далеко не выяснена. Можно предполагать, однако, что потери, ему приписываемые, имеют тесную связь с только-что рассмотренным явлением диэлектрической вязкости. И. И. Боргман еще в 1886 г. произвел опытное исследование тепловых потерь в диэлектрике конденсатора, возникающих в нем под влиянием периодических изменений электрического поля и при­шел к заключению, что эти потери пропорциональны квадрату максимального напряжения, прилагаемого к обкладкам конденсатора. Штейнметц на основании своих собственных опытов и опытов других исследователей, пришел к заключению, что при повышенных частотах потери на диэлектрический гистерезис на один цикл выражаются соотношением, которое мы можем представить в сле­дующем виде:

A_D=kfE²,

где f есть частота и Е—электрическая сила. В связи с этим в обычной технике переменных токов при сравнительно низких частотах практически, в огромном большинстве случаев, можно пренебречь

 

 

потерями на диэлектрический гистерезис. Но в технике высоких частот этими потерями пренебрегать, вообще говоря, совершенно не­возможно, и поэтому надо с большою внимательностью относиться к выбору диэлектриков в технике высоких частот. Вопрос о пока­зателе степени в формуле Штейнметца для потерь на диэлектри­ческий гистерезис в последнее время подвергается некоторым со­мнениям. Есть указания на то, что этот показатель в целом ряде случаев больше двух. Для характеристики потерь на диэлектриче­ский гистерезис приводим несколько цифр, представляющих собою ватты на кубический сантиметр объема диэлектрика при 1000 пери­одах в секунду и при градиенте поля, равном 1000 вольт на сан­тиметр (по данным Александерсона):

Приведенные цифры относятся к температуре в 20 С.

г) Проводимость диэлектриков. Кроме потерь на диэлектриче­ский гистерезис, во всех обычных изолирующих материалах имеет место рассеяние энергии вследствие того, что они не являются идеальными изоляторами, но в большей или меньшей степени обла­дают обычной проводимостью, которую принято характеризовать обратной ей величиной сопротивления изоляции. В виде примера даем удельные сопротивления некоторых материалов, известных высокими изолирующими качествами. Сопротивление выражено в мегомах на см/см²при температуре 20°С:

Температурный коэффициент сопротивления изоляции диэлектри­ков отрицателен, т. е. с повышением температуры сопротивление их падает. Таким образом, при данном напряжении в цепи ток че­рез диэлектрик растет с повышением температуры, и вместе с тем растут и джоулевы потери в диэлектрике, что при отсутствии спе­циальных мер предосторожности легко может привести и иногда приводит к разрушению диэлектрика.

д) Электрическая прочность, или прочность изолирующих материалов на пробой, является весьма существенной характери­стикой этих материалов, в связи с развитием техники высоких напряжений. Во многих случаях диэлектрик нередко оказывается под воздействием сравнительно очень больших электрических сил, и, вместе с тем, деформация электрического смещения может дости­гать столь больших значении, что за пределом их наступает так называемый разрывной разряд, сопровождаемый разрушением диэлектрика в данном месте. Все это надо рассматривать в качестве результата того, что при создании деформации электрического смещения, как было уже выше указано, имеет место действитель-

ное перемещение каких-то элементов вещества диэлектрика, так что электрическая деформация сопровождается чисто механиче­скими напряжениями в объеме диэлектрика. Существование этих напряжений Максвелл теснейшим образом связывает с тяжением вдоль линий электрического смещения или, как мы теперь выражаемся, с тяжениями фарадеевских трубок. В этом отношении интересны следующие слова Максвелла: „Электрическое тяжение в этом смысле есть тяжение в точности такого же рода и измеряемое таким же путем, как и натяжение некоторой веревки, и о диэлектрической среде, которая может выдерживать определенное тяжение и нисколько не больше, можно сказать, что она обладает определенною прочностью совершенно в том же смысле, как мы говорим, что веревка обладает определенною проч­ностью". В связи со сказанным ясно, что в случае неоднородного электрического поля опасность пробоя будет больше всего в местах, где электрическая сила имеет наибольшее значение, т. е. где фарадеевские трубки наиболее густо расположены. Это обыкновенно бывает у тех частей поверхности проводников, ограничивающих диэлектрик, которые имеют вид выдающихся углов, острий и т. п. Наоборот, чем меньше кривизна поверхности проводников, тем будет однороднее электрическое поле в диэлектрике, тем равномернее будут распределены в нем электрические тяжения и связан­ные с ними механические напряжения. Все это будет способство­вать наилучшему использованию диэлектрика как надежного изоля­тора. Пробой диэлектрика определяется наибольшим значением электрического смещения и, соответственно, электрической силы. Таким образом, когда в цепи действует переменная ЭДС, при рас­смотрении возможности пробоя по существу необходимо принимать во внимание амплитуду напряжения.

Полное пробивное напряжение, которое может выдержать неко­торый слой диэлектрика в случае однородного электрического поля и не слишком малой толщины слоя можно считать пропорциональ­ным толщине слоя (в первом грубом приближении).

Электрическую прочность изолирующих материалов обыкно­венно выражают предельным значением градиента электрического поля (в вольтах на сантиметр), при котором уже начинается про­бой. Так как в настоящее время высокие напряжения применяются главным образом в технике переменных токов, то электрическую прочность часто определяют в действующих вольтах на сантиметр в предположении синусоидальной формы кривой ЭДС.

Для воздуха, в случае однородного поля при 20° С и 760 мм давления, электрическая прочность равна приблизительно 30 кило­вольтам на сантиметр. На основании этого для случая гармонически изменяющейся электрической силы, с чем мы в общем встречаемся в технике переменных токов, можно с достаточною для практики точностью принять электрическую прочность равной 21 действую­щему киловольту на сантиметр. При температуре t° С и давлении

 

 

Н мм, в пределах обычных условий работы, Электрическую проч­ность воздуха можно представить следующим образом:

киловольт на сантиметр.

В нижеследующей таблице приведены величины электрической прочности некоторых изолирующих материалов, применяемых в тех­нике высоких напряжений:

Как выше было указано, между толщиной изолирующего слоя и полным пробивным напряжением нет строгой пропорциональности, и потому приведенные цифры должны быть, собственно говоря, рассматриваемы лишь в качестве ориентировочных. Чем тоньше слой диэлектрика, тем больше отступления от указанной пропор­циональности. Исследованиями А. Ф. Иоффе установлено; что в случае чрезвычайно тонких слоев диэлектрика, порядка сотых и тысячных долей миллиметра, пробивное напряжение приближается к некоторому пределу и не падает при дальнейшем уменьшении толщины слоя. Следовательно, электрическая прочность очень тон­ких слоев диэлектрика растет. Она достигает десятков миллионов вольт на сантиметр. А. Ф. Иоффе, исходя из этих данных, пред­ложил составлять изолирующие материалы из большого числа чрез­вычайно тонких диэлектрических слоев, чередующихся в отношении диэлектрической постоянной. Таким образом, оказывается возможным изготовлять изолирующие материалы, способные выдерживать на пробой в десятки раз большие напряжения чем обычные изолирующие вещества, взятые в виде сплошного слоя. Теория тех явлений, которые обусловливают необычайно большую электрическую проч­ность тонких слоев диэлектрика, непосредственно связана с рассмотрением подвижных ионов, существующих в объеме диэлектрика и принимающих участие в поляризации этого последнего, когда он подвергается воздействию электрического поля.