ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Диэлектрический материал или диэлектрик– материал, наиболее характерным свойством которого является способность к поляризации в электрическом поле. В технике эту способность удобно количественно характеризовать значением относительной ди электрической проницаемости. Диэлектрики используются в технической практике для разных целей, в том числе для накопления энергии в электрических конденсаторах. К диэлектрикам можно отнести и многие полупроводники. Электроизоляционные материалы, как материалы с минимальной способностью проводить электрический ток, используются главным образом для ограничения прохождения электрического тока между проводниками с различными электрическими потенциалами. Таким образом, электроизоляционные материалы можно рассматривать как более узкий класс материалов по сравнению с диэлектрическими материалами. Характерным показателем качества электроизоляционного материала является его удельное электрическое сопротивление или обратная ему величина – удельная электрическая проводимость. Многие диэлектрики являются хорошими электроизоляционными материалами. Это приводит к тому, что эти понятия на практике часто используются как синонимы, несмотря на то, что между ними имеется чёткое смысловое различие [1,7]. Изоляторомназывается изделие из электроизоляционного материала, задачами которого являются крепление и изоляция друг от друга проводников, находящихся под различными потенциалами; пример – изоляторы воздушных линий электропередачи. Изоляторы, как правило, изготавливаются из фарфора, стекла или пластмасс. Поэтому неправильно подменять понятие «электроизоляционный материал» понятием «изолятор». Электрической изоляциейназывается электроизоляционная система определённого конкретного электротехнического изделия, выполненная из одного или нескольких электроизоляционных материалов. Идеальный электроизоляционный материалопределяется как материал, который не содержит свободных носителей заряда, а потому не способен проводить электрический ток. Такие электроизоляционные материалы существуют только в теоретических представлениях; в действительности идеальных электроизоляционных материалов не существует. Все реальные электроизоляционные материалы содержат некоторое количество свободных носителей заряда, а потому через любой из этих материалов под действием внешнего электрического поля течёт определённый, хотя и очень малый ток. Между электроизоляционными материалами и полупроводниками не существует точной границы. В настоящее время электроизоляционными материалами считаются материалы преимущественно с ионным характером электропроводности, удельная электрическая проводимость которых при комнатной температуре меньше 10-8 См/м, т. е. удельное электрическое сопротивление больше 108 Ом∙м. Понятие электроизоляционный материал можно определить также с помощью ширины запрещённой зоны. Но и это определение носит условный характер. В настоящее время электроизоляционными обычно считаются материалы, ширина запрещённой зоны которых больше 3 эВ. Согласно агрегатному состоянию электроизоляционные материалы делятся на га зообразные, жидкие и твёрдые. Особенно большой является группа твёрдых электроизоляционных материалов (полимерные, пластмассы, керамика и др.). Согласно химическому составу электроизоляционные материалы делятся на орга нические и неорганические. Основным элементом в молекулах всех органических электроизоляционных материалов является углерод. В неорганических диэлектриках углерода не содержится. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические электроизоляционные материалы (слюда, керамика и др.). По расположению частиц, составляющих электроизоляционные материалы, последние делятся на материалы кристаллической и аморфной структуры. По электрическому состоянию молекул электроизоляционные материалы делят на неполярные и полярные. Неполярные электроизоляционные материалы состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них внешнего электрического поля не обладают электрическими моментами. Нейтральные атомы и молекулы приобретают электрические моменты только под действием внешнего электрического поля – в процессе деформационных поляризаций. Природа химической связи между атомами вещества определяет его химические свойства, но не объясняет причин его фазового состояния – газового, жидкого или твёрдого. Состояние вещества определяется его структурой и характером взаимодействия между его частицами (атомами, молекулами или ионами), что позволяет объяснить все механические, многие физические и некоторые физико-химические свойства реально существующих материалов. При нормальных или близких к ним условиях вещества могут находиться в газовом, жидком или твёрдом состоянии. Частицы (атомы или молекулы) вещества, находящегося в газовом состоянии, совершают индивидуальные поступательные движения с различными скоростями и практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому внутренняя структура газа характеризуется полным беспорядком в расположении частиц, а сам газ не сохраняет ни объёма, ни формы. Жидкое и твёрдое состояния вещества называют конденсированным состоянием, так как процесс превращения газа (пара) в жидкость или в твёрдое тело заключается в его «сгущении», «уплотнении», что обозначается термином «конденсация». Необходимым условием перехода вещества в конденсированное состояние является установление связей между его отдельными частицами, в результате чего вещество приобретает собственный объём. Взаимодействие между частицами вещества заставляет их располагаться определённым образом друг относительно друга, что приводит к порядку во внутренней структуре вещества [1,5]. Так, если молекула воды может одновременно взаимодействовать с четырьмя другими молекулами воды, то каждая из них окружается четырьмя соседними. Соседние молекулы в свою очередь также координируют вокруг себя по четыре молекулы, а те, в свою очередь, имеют по четыре соседних и т.д. Координационное число молекулы воды равно четырём. Это приводит к тому, что весь объём вещества как бы пронизывается невидимой трёхмерной сеткой связей между его частицами. Все частицы в веществе друг через друга становятся взаимно связанными. Как показывает эксперимент, частицы жидкости совершают в секунду (1012 – 1013) колебаний, находясь в определённом месте в течение (10-11–10-10) с. Следовательно, до перескока в новое положение или до перестройки структуры частица успевает совершить от 10 до 103 колебаний. Иначе говоря, только от 0,1 до 10 % колебательных движений частицы приводят к её перемещению в пространстве. В этом проявляются черты сходства жидкого тела с твёрдым, в котором почти ни одно колебание молекулы (или атома) не сопровождается её переходом на другое место. В то же время в газе все частицы совершают поступательное движение (рисунок 4.1). Но если твёрдое тело характеризуется практически неизменным относительным расположением частиц, то в жидкости в результате теплового движения частиц структура в отдельных областях уплотняется за счёт других мест, где она становится более рыхлой. Такие постоянные кратковременные местные изменения в структуре жидкости получили названия флуктуации, из-за чего сама структура становится «размытой», искажённой. Поэтому для жидкости говорят о ближнем порядке в расположении её частиц. Рисунок 4.1 – Схемы перемещения частиц вещества в газе (а), в жидкости (б) и в твёрдом теле (в); цифры обозначают местонахождение частицы в разные моменты времени Под действием внешних сил, например, силы тяжести, происходит перемещение отдельных скоплений частиц в жидкости, т. е. флуктуация её плотности становится направленной. В результате жидкость течёт, т.е. перемещается с изменением своей формы, но с сохранением общего объёма (при отсутствии испарения) в сторону приложенной силы. Таким образом, текучесть – это специфическое свойство жидкого тела, вызванное ограниченной подвижностью его структурных единиц. Тепловое движение молекул вещества обусловливает его способность к диффузии, т. е. к самопроизвольному переходу вещества в те области пространства, где его концентрация меньше или равна нулю. Способность к диффузии объясняет стремление веществ к взаимному смешению, что проявляется в самых различных природных и искусственных процессах – испарении, растворении, осмосе, клеении и пр. При нагревании жидкости энергия теплового движения её частиц начинает превышать энергию взаимодействия между ними, и поверхностное натяжение уменьшается. При определённой температуре, как было установлено Д.И. Менделеевым (1860 г.), поверхностное натяжение становится равным нулю. Выше этой температуры, независимо от давления, вещество не может находиться в конденсированном состоянии и существует только как газ. Такая температура называется критической. Структура жидкости очень чувствительна к изменениям температуры. При температурах, близких к температуре плавления, строение жидкости приближается к строению твёрдого тела, так как содержит зачатки кристаллической структуры, и наоборот, при температурах, близких к температуре кипения, упорядоченность в расположении частиц жидкости сводится к минимуму, и начинается интенсивное испарение. С точки зрения строения вещества жидкое состояние является самым переменчивым и многообразным, а поэтому и наименее изученным. Твёрдое состояние. Вещества при затвердевании приобретают структуру, в которой имеется дальний порядок в расположении составляющих их частиц (молекул, атомов или ионов). Другими словами, достаточно знать ближнее окружение частиц, чтобы иметь возможность предвидеть их расположение во всем объёме тврдого тела. Поверхностные слои атомов – грани тела – направлены друг к другу под определёнными углами, благодаря чему вещества в твёрдом состоянии имеют индивидуальную форму и называются кристаллами. Кристаллическая структура вещества термодинамически более устойчива, чем аморфная. Это объясняется тем, что регулярное расположение частиц в кристалле позволяет им устанавливать между собой максимальное число связей, что способствует снижению запаса внутренней энергии в веществе. Плотную упаковку частиц можно представить как укладку шаров одинакового размера, при которой координационное число каждого шара (т. е. число соседних шаров, с которыми он имеет контакт) равно 12. Столь высокое его значение в реальном кристалле может служить признаком ненаправленных и ненасыщенных связей между частицами. В некоторых металлах (Mg, Сu, Ag, Аu, Al, Pb и др.) и в кристаллах благородных газов координационные числа атомов равны 12. В ионных кристаллах значения координационных чисел для ионов несколько меньше. В хлориде цезия CsCl координационные числа ионов Cs+ и С1- равны 8, в хлориде натрия NaCl – 6. Во многих металлах координационные числа атомов также не превышают 8 (щелочные металлы, Ва, V, Nb, Та и др.). В атомных кристаллах (например, в алмазе) координационные числа атомов обычно не превышают 4. В рутиле ТiO2 координационное число (Ti) = 6 и координационное число (О) = 3, в сульфиде цинка ZnS координационное число (Zn и S) = 4. В кристаллах льда для молекул воды координационное число 4. В чём причина невысоких значений координационных чисел атомов, ионов или молекул, из которых построены кристаллы? Всестороннему максимальному сближению частиц в кристалле могут препятствовать два фактора: во-первых, определённая направленность связей между частицами и, во-вторых, несоответствие их размеров. Направленность связей играет решающую роль в расположении частиц, между которыми устанавливаются атомные или водородные связи. Поэтому координационные числа атомов в атомных кристаллах совпадают с валентностью элемента, а координационные числа молекул, образующих Н-связи, – с числом этих связей, образуемых каждой молекулой. Этот же фактор может проявляться в структуре металлических и ионных кристаллов, если в связях между атомами металлов или ионами имеются признаки атомной связи. В ионных кристаллах на взаимное расположение ионов в основном влияют несоответствие их размеров и электростатическое отталкивание одноименно заряженных ионов. Регулярная структура кристаллических тел, характеризующаяся направленностью в расположении частиц, придаёт им отличительную особенность – анизотропию (неодинаковость) их свойств по разным направлениям. Иначе говоря, свойства кристалла (прочность, светопоглощение, теплопроводность и электрическая проводимость, скорость растворения, химическая активность и др.) зависят от его ориентации по отношению к направлению оказываемого воздействия. Если признаки газового состояния вещества очевидны (отсутствие собственного объёма и тем более формы: беспорядочное расположение частиц), то при оценке конденсированного состояния (твёрдое или жидкое) могут возникнуть кажущиеся противоречия. Поэтому, указывая, в каком состоянии находится вещество, следует уточнять признаки, по которым это сделано. В зависимости от критериев оценки различают агрегатное и фазовое состояния вещества (таблица 4.1). Агрегатное состояние вещества определяется способностью его образца сохранять собственный объём и форму. Если такая способность имеется, то считается, что вещество находится в твёрдом состоянии. Если же вещество имеет собственный объём, но за достаточно малый промежуток времени (соизмеримый с продолжительностью эксперимента) самопроизвольно изменяет свою форму, то оно находится в жидком состоянии. Фазовое состояние вещества определяется упорядоченностью его внутренней структуры. Если в расположении химических частиц в веществе имеется дальний порядок, то оно находится в твёрдом (кристаллическом) состоянии. При частичном нарушении порядка в расположении частиц остаётся ближний порядок и вещество находится в жидком состоянии. Такой подход к оценке состояния вещества, называемый термодинамическим, является более строгим, так как переход вещества из одного фазового состояния в другое (называемый «фазовым переходом») приводит к скачкообразному изменению свойств вещества (теплоёмкости, плотности, прочности и пр.). Поэтому, если проследить за изменением какой-либо физической величины (например, удельного объёма), характеризующей изучаемое вещество при его нагревании или охлаждении, то можно легко заметить, как монотонное увеличение или уменьшение этой величины резко нарушается при определённых температурах, соответствующих фазовым переходам. При переходе от твёрдого состояния к жидкому и затем газовому (или при обратном переходе) значения этих температур при нормальном давлении называются температурами плавления (или кристаллизации) и кипения (или сжижения) вещества.
Таблица 4.1 - Различные состояния веществ
При оценке агрегатного состояния вещества иногда трудно разграничить твёрдое и жидкое состояния, что особенно часто проявляется для полимеров.
Популярное: Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной... Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (314)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |