e (3,8¸8 ) ciała stałe i ciekłe ; rV ( 1012¸1014)Wcm ; tg d ( 10-3¸10-2 ) ; e i tg d zależą od temperatury i częstotliwości.
W rzeczywistych materiałach diekektrycznych przeważnie występują kombinacje wiązań kowalentnych i jonowych
( szkło, porcelana, mika, liczne polimery )
Wiązania 2-go rzędu występują pomiędzy cząsteczkami ( oraz również pomiędzy atomami gazów szlachetnych ). Między cząsteczkami wystepują oddziaływania elektrostatyczne ( tzw. siły Van der Vaalsa ) - rys1
Możliwe są też wiązania pomiędzy cząsteczką a jonem ( występują w niektórych polimerach) - rys2. Wiązania wtórne są słabe ( energia rzędu 0,1 eV ).
Wiązania pomiędzy atomami gazów szlachetnych realizowane są dzięki efektowi dyspersyjnemu tj. przypadkowej polaryzacji atomu podlegającej pawom prawdopodobieństwa. W atomie pojawiają się barzdo małe momenty dipolowe
( sprawia to przyciąganie atomów ® wiązanie ® zmiana stanu skupienia ( skroplenie) ). Prawdopodob. efektu dyspersyjnego jest tym większe im więcej elektronów w atomie a z kolei im większe prawdopodobieństwo efektu dyspersyjnego tym wyższa może być temper. skraplania.
Własności mechaniczne, cieplne i fizyczne w zalezności od budowy cząsteczki i typu wiązań
1. Dielektryki obojętne - ( niepolarne) - wykazują bardzo słabe wiązania wtórne z czym wiążą się zwykle złe właściwości mechaniczne, niska temperatura topnenia, niska temp. pracy. Wykazują brak adhezji do innych materiałów ( wada) , nie zwilżają się ( zaleta)
2. Dielektryki o cząsteczkach polarnych posiadają większą energię wiązań wtórnych ale wykazują przyczepność do innych materiałów ( można je kleić), zwilżają się wodą .
Polaryzacja
Dielektryk umieszczony w polu elektrycznym ulega zjawisku polaryzacji. Pole elektryczne przemieszcza naładowane cząstki wchodzące w skład dielektryka, względem tych położeń, które zajmowały w nieobecności pola.
Rodzaje polaryzacji :
1. elektronowa
2. jonowa i atomowa
3. orientacji ( dipolowa relaksacyjna)
4. ładunku przestrzennego
Ad. 1
Pod wpływem pola elektrycznego elektrony
przesuwają się względem jądra. Powstaje
indukowany moment dipolowy. Mechanizm ten
występuje we wszystkich materiałach. Zanika
przy f ³ 1015 Hz. Prakty. odbywa się to bez strat energii
Ad 2
O polaryzacji jonowej mówimy w przpadku materiałów
o wiązaniach jonowych, a o polaryzacji atomowej w
przypadku materiałów o wiązaniach kowalentnych.
W polu zmiennym jony ulegają przesunięciom sprężystym.
Wykonują drgania w takt częstotliwości pola. Są to drgania
podobne do drgań cieplnych, tylko że są ukierunkowane
( w kierunku linii sił pola ). Mechanizm ten zanika
przy f ³ 1013 Hz. Prakt. bez start energii.
Ad. 3
Temu mechanizmowi podlegają czasteczki, które bez
działania pola posiadają moment dipolowy ( oraz
pary jonów w strukturach mieszanych). Dipole w polu
elektrycznym zdolne są do orientacji. Starają się zająć
położenie zgodne z liniami sił pola. Tej dążności
przeszkadza lepkość ośrodka. W rezultacie jest
ograniczony kąt skrętu. Polaryzacja orientacji
zachodzi z pewnym opóźnieniem i zanika z opóźnieniem ,
dlatego jest nazywana relaksacyjną. Ponieważ orientacja
zachodzi przeciw lepkości ośrodka, dlatego jest silna zależność od temp. Zanikają przy f ³ 108 , 107 Hz. Zachodzi przy wyraźnych stratach energii. Następuje nagrzewanie dielektryka
Ad. 4
W kazdym rzeczywistym dielektryku istnieją
potencjalne nosniki ładunku. Pod wpływem
silnego natężenia pola nośniki te migrują w
kierunku elektrod tworząc tzw. ładunek
przestrzenny. Ładunek ten zmienia rozkład
pola, jest bardzo kłopotliwy, powoduje l
okalne przetężenia
Najważniejsze wielkości charaketryzujące dielektryk
Przenikalność elektryczna : eX’ = (CX/C0) gdzie eX’ - przenikalność względna dielektryka, CX - pojem. kondensatora z dielektrykiem x, C0 - pojemn. kondensatora próżniowego.
Przenikalność próżni i gazów : e0 = (1/36p)*10-9 F/m ; e0’ = 1 ; epow’ = 1,00058
Ogólnie przenikalność wszystkich gazów jest bliska jedności i nieco wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia.
Dielektryki ciekłe :
- o budowie obojętnej - mają małą przenikalność ( np. olej mineralny e = 2,3 )
- o cząsteczce polarnej - mają większą przenikalność zależną od stopnia polarności ( np. woda e = 80 )
Dielektryki stałe :
- polimery organiczne o cząsteczce obojetnej - mała przenikalność ( np. polietylen e = 2,25 , teflon e = 2 - 2,1 )
- polimery o cząsteczce polarnej - przenikalność większa( np. celueloza e = 5,8 , epoksyd e = 3 - 4,5 )
- polimery krystaliczne - np. NaCl e = 4,3 ; mika e = 7 ; rutyl e = 80 ; BaTiO3 e = 3 - 4,5
Rezystywność dielektryków
Rezystywność wiążemy z mechanizmami przewodzenia dielektrykow. W zasadzie w dielktrykach w mechaniźmie przewodzenia biorą udział tylko jony. W ekstremalnych sytuacjach bardzo dużego natężenia pola, szczególnie w stanie poprzedzającym przebicie może występować przewodzenie jonowe. Ilość jonów biorących udział w przewodzeniu zależy od ilości i typu zanieczyszczeń oraz od obecności róznych defektów. W zasadniczy sposób na ilość jonów wpływają czynniki jonizujące : duże natężenie pola, wysoka temperatura, promieniowanie jonizujące i obecność wody, która powoduje dysocjację.
Szybkość poruszania się jonów w dielektrykach zależy od lepkości ośrodka i od natężenia pola. Przewodzenie może odbywać się skrosnie lub powierzchniowo. W związku z tym mamy dwie wielkości będące cechami materiałowymi : rV - rezystywność skrośna i rS - rezyst. powierzchniowa.
Rezystywność skrośna : Rezystywność powierzchniowa :
Dla bardzo dobrych dielktryków rV = ( 1017 - 1019 ) Wcm Dla bardzo dobrych dielktryków rS = 1015 W
rS - zależy od właściwości powierzchniowych i warunków
otoczenia ( wilgotność powietrza )
Odróżniamy dielektryki hydrofobowe (nie zwilżają się ) i
hydrofilne ( zwilżają się ) - rys na odwrocie.
Kąt zwilżania dla silnie hydrofobowych jest > od 900.
It - prąd ładowania pojemności Posiadają cząstecz. elektry. obojetne. Diel. hydrofobowe
Ia - prąd polaryzacyjny mają dużo większą rezystancję powierchniową. Diel. hydr-
Ip - prąd przewodzenia oskopijne zwilżają się w całej objętości.
Rezystywność wnętrzowa - jest to umowna wielkość w W pomiędzy znormalizowanymi kołkami. ( rys na odwrocie)
Współczynnik stratności dielektrycznej
Kondensator w pierwszej chwili jest tzw. kondensatorem próżniowym, tzn. idealnum, prąd ładowania takiego konden. jest przesunięty idealnie o 900. IC0 - prąd ładowania kond. próżniowego ( pojemn. geometrycznej ). Pomiędzy okładkami umieszczono dielektryk x. ; Icd - składowa pojemnościowa po wprowadzeniu między okładki konden. dielektryka o e > 1 ; Ipol - składowa czynna na pokrycie strat energii na polaryzację ; Ig - składowa czynna związana z przewodzeniem dielektryka . ( tg d = IR/IC ) tg d = 10-4 dla dobrych dielektryków.
Wytrzymałość dielektryczna - jest podawana albo w jednostkach napięcia, które spowodowało przebicie ściśle zdefiniowanej próbki albo w jednostkach natężenia pola. ( kV/cm ; kV/mm ; V/mm ). wytrzymałość jest pojęciem niejednoznacznym, zależnym od kształtu elektrod, grubości płytki i rodzaju napięcia. Badania wytrzymałości powinny nawiązywać do mechanizmów przebicia dielktryków. Najważniejsze to : elektryczny ; cieplny ; złożeniowy.
Materiały ceramiczne
Najbardziej popularnym materiałem ceramicznym izolacyjno - konstrukcyjnym jest porcelana elektrotechniczna. Na jej przykładzie omówimy typowy skład surowcowy oraz technologię. Jest materiałem optymalnym ponieważ ma stosunkowo moło skomplikowaną technologię a jednocześnie dobre właściwości. Składniki porcelany :
- składniki ilaste - mają bardzo dobrą strukturę ( cząsteczki o wymiarach 0,1 do 1 mm). Wymiary cz ąstek nie są równe we wszytkich kierukach ( blaszki ). Po zarobieniu wodą materiał ilasty jest plastyczny. Plastyczność na mokro wykorzystuje się w technikach formowania wyrobów ceramicznych. Materiały ilaste to głównie kaoliny oraz gliny
plastyczne. Chemicznie są uwodnionymi glinokrzemianami : Al2O3 ( 0,3-8)SiO2 (0,5-19)H2O . Są produktami wietrzenia skał magmowych. Kaoliny są kopalne w miejscu ich powstawania, natomiast gliny zostały rozrzucone siłami przyrody. Dlatego kaoliny są jednorodne (bardzo czyste), a gliny plastyczne są zanieczyszczone.
- składniki schudzające - chemiczne ( SiO2) krzemionka. Dodaje się ze względów technologicznych. Ułatwia proces suszenia i wypalania. Jest to piasek kopalny w dotyku bardzo ostry o barwie zupelnie białej ( temp. topnienia 1713 0C)
Kwarcyty w formie brył, pozyskiwanw z kamieniołomów, ( zamiast piasku )
- topnik - skalenie ( Na2O*Al2O3*6SiO2 - sodowy ; K2O*Al2O3*6SiO2 - potasowy) , temp. topnienia (1180 - 1300) 0C
Topnik w czasie wypalania przechodzi w fazę ciekłą, spaja pozostałe składniki częściowo je w sobie rozpuszczając. Jest niezbędny ze względów technologicznych. Rezyztywność skrośna bardzo maleje ( Na i K ) mają bardzo małą energię wiązań chemicznych - przewodzenie jonowe. Stwierdzono że jony sodowe mają mniejszą energię wiązań i łatwiej realizują przewodzenie dlatego w elektrotechnice częściej stosuje się topik potasowy.
Technologia : składniki muszą być zmielone ( mielenie odbywa się w młynach kulowych z udziałem wody, kule wykonuje się albo z bardzo twardej porcelany lub występujących w przyrodzie otoczaków krzemiennych). mieszaniw składników odbywa się w specjalnych mieszalnikach. Dodaje się do produktów dużą ilość wody. Następny etap to przepuszczenie przez sita, w tym sita magnetyczne. Oddziela się nadmiar wody - w procesach filtracyjnych ( worki lniane ) aż do zawortości H2O - 25% w masie. Masę też się odpowietrza przepuszczając ją przez slimak o zmniejszającym się skoku. Nadawanie kształtu :
w przestrzeni. Między tetraedami jest również wiązanie kowalentne O-O. Kwarc jest surowcem wyjściowym do otrzymywania szkła krzemionkowego
( kwarcowego). Między wszystkimi tetraedami panują identyczne siły wiązań. Przy podgrzewaniu, przy ściśle określonej temp. pękają wiązania między tetraedami. Kwarc przechodzi w fazę ciekłą. Każda struktura krystaliczna posiada ściśle określoną temperaturę przejścia w fazę ciekłą - temp. topnienia. W trakcie schładzania pojawiają się wiązania między tetraedami ale tworząca się struktura nie jest idealnie uporządkowana. Powstała w ten sposób struktura bezpostaciowa szkła krzemiankowego. Tetraedy są zdeformowane. Siły wiązań między tetraedami mają rózne wartości. Przy podnoszeniu temp. pękają kolejno najbardziej naprężone wiązania. Maleje lepkość.
Zatem nie istnieje charakterystyczna temp. topnienia. Lepkość szkła dobieramy
do operacji technologicznej ( prasowanie izolatora, wydmuchiwanie
bańki żarówki, ciądnienie włókna szklanego).
W luki utworzone w strukturze szkła krzemionkowego można wprowadzić
różne jony metali. Wprowadzone jony modyfikują wszystkie właściwości szkła.
Odróżniamy następujące składniki struktury szkła :
1). Składnik szkieletowy : SiO2 , P2O3 , B2O3
2). Modyfikatory - główne tlenki metali - powodują : zmianę charakterystyki
lepkości ; zmiana właściwości mechanicznych ; zmiana barwy ; zmiana
współczynnika załamania światła ; zmiana pochłaniania promieniowania
wielkoenergetycznego.
Modyfikatory sieciowe wprowadza się w procesie wytopu szkła z różnymi surowcami.
Technologia : wszystkie składniki topi się w piecach wannowych, najpierw podgrzewa się masę szklaną do małej lepkości. Następnie mase się klaruje. Pęcherzyki powietrza wydostają się z masy. Doprowadza się do rządanej lepkości i nadaje się kształt
- w wirującej formie gipsowej - sposób nadaje się do btył obrotowych o porównywalnym wymiarze średnicy i wysokości.
- toczenie masy półsuchej na tokarce poziomej lub pionowej - jeśli chcemy uformować przedmiot smukły
- odlewanie w formie gipsowej - forma jest wielodzielna
- prasowanie z masy suchej w formach stalowych - masę suszy się, rozdrabnia na grys ( ok. 2 mm), który wsypuje się do formy i prasuje. Ograniczone wymiary wypraski ( przeważnie 15 ´ 15 cm ). Kształt może być bardzo skomplikowany. Struktura jest niestety niejednorodna, nie nadaje się do wysokich napięć ( dla elektroniki i chemii)
Suszenie : przedmiot musi byc bardzo dobrze wysuszony poniważ w wypalaniu uległby rozerwaniu.
Szkliwienie : wodna zawiesina podstawowoych składników oraz barwiących tlenków. Izolator zanurza się w takiej cieczy, równomiernie pokrywa a następnie dosusza. Szkliwo chroni przed wpływami atmosferycznymi i penetracją wody.
Szkło
Jest materiałem nieorganicznym. Strukturę posiada bezpostaciową ( niekrystaliczną ). Najprostszym teoretycznie szkłem jest szkło krzemionkowe. Jego jedynym składnikiem jest krzemionka ( SiO2 ). Często niepoprwanie to szkło jest nazywane szkłem kwarcowym (SiO2 ma jedną z krystalicznych postaci nazywaną kwarcem ). Struktura szkła krzemionkowego opiera się na tetraedach ( elementarna komórka która geometrycznie jest ostrosłupem o podstawie trójkąta). W obrębie tetraedu istnieją bardzo silne wiązania kowalentne miiędzy atomem krzemu i atomami tlenu.
Tetraedy w strukturze krystalicznej kwarcu łączą się ze sobą bardzo regolarnie.
Wypalanie
Wypalanie odbywa się w dwojakiego rodzaju piecach : komorowych lub tunelowych ( opalane gazem ) W czasie wypalania następuje skurcz ok. 13%, i dlatego izolator kończy wypalanie wisząc ( żeby przeciwdziałać skurczowi)
Struktura porcelany
Pory gazowe i faza szklista powodują zwiększanie tg d i zmniejszanie rV dlatego powinno być ich jak najmniej
- prasowanie w formie stalowej ( izolatory )
- walcowanie ( płyty )
- ciągnienie ( pręty, rury )
- wydmuchiwanie doformy ( bańki żarówek)
- przetłaczanie ( produkcja włókna szklanego )
Po uformowaniu przedmiotu następuje nierównomier ne stygnięcie. Pojawiają się naprężenia wewnętrzne. W celu ich usunięcia stosuje się wygrzewanie ( podniesienie do ok. 500-600 0C i powolne stygnięcie ( razem z piecem))
Hartowanie szkła polega na podgrzaniu do odpowiedniej temp. po czym gwałtowne chłodzenie ( powietrzem parami , cieczą). W ten sposób wprowadza się kontrolowane naprężenia wewnetrzne. W czasie chłodzenia stygną najpierw warstwy zewnętzrne, później stygną warstwy wewnętrzne przy jednorodnym skurczu. Ten skurcz wywołuje naprężenia sciskające w warstwach zewnętrznych. Jednocześnie warstwy zewnętzrne nie ustępują i wywołują naprężenia rozrywające w warstwach wewnętrznych. Musi istnieć pewien stan równowagi pomiędzy tymi naprężeniami
Rrh = 6´Rrnh gdzie Rrh...
damiano_80