Самый непрочный вид связи — молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса). Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями.
Межмолекулярное притяжение обусловливается согласованным движением валентных электронов в соседних, молекулах. В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказываются сильнее сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Связь Ван-дер-Ваальса наблюдается между молекулами некоторых веществ (например, парафина)имеющих низкую температуру плавления, свидетельствующую о непрочности их кристаллической решетки.
Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация — ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
Дипольно-релаксационная поляризация для краткости называется дипольной. Отличается от электронной и ионной поляризации тем, что она связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации.
Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не препятствуют диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, что должно усиливать дипольную поляризацию, однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому с увеличением температуры, дипольная поляризация сначала возрастает (пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения), а затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать.
Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поляризация связана с потерями энергии.
Диэлектрическая проницаемость твердых тел зависит от структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых телах возможны все виды поляризации. Для твердых неполярных диэлектриков характерны те же закономерности, что и для неполярных жидкостей и газов. Это подтверждается зависимостью ξr(t)для парафина. При переходе парафина из твердого состояния в жидкое (температура плавления около +54°С) происходит резкое уменьшение диэлектрической проницаемости вследствие понижения плотности вещества.
Газообразные вещества характеризуются малыми плотностями. Поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице. Если молекулы газа полярные то поляризация может быть дипольной, однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация.
Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется электронной и дипольной поляризациями. Чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объема, тем большей диэлектрической проницаемостью обладают жидкие диэлектрики. Диэлектрическая проницаемость жидких полярных диэлектриков изменяется в пределах от 3 до 5,5.
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диэлектрическую проницаемость, изменяющуюся в широких пределах. Для неорганических стекол (квазиаморфных диэлектриков) диэлектрическая проницаемость изменяется в пределах от 4 до 20. Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц, помимо электронной и ионной поляризации имеют ионно–релаксационную поляризацию и характеризуются невысоким значением диэлектрической проницаемости. Так например ξr каменной соли имеет значение 6, корунда 10, рутил 110, а титанат кальция 150. (Все значение ξr приведены для температуры 20 °С.)
Полярные органические диэлектрики обнаруживают дипольно-релаксационную поляризацию в твердом состоянии. К таким диэлектрикам относятся целлюлоза и продукты ее переработки, полярные полимеры. Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается также у льда. Диэлектрическая проницаемость указанных материалов в большой степени зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются для полярных жидкостей.
Можно отметить, что диэлектрическая проницаемость льда резко меняется в зависимости от температуры и частоты. При низких частотах и температуре, близкой к О°С, лед, как и вода, имеет ξr~ 80, однако с понижением температуры ξr быстро падает и доходит до 2,85.
Диэлектрическая проницаемость сложных диэлектриков, представляющих собой механическую смесь двух компонентов с разными диэлектрическими проницаемостями определяется, в первом приближении, на основании логарифмического закона смешения.
Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами.
Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги. В полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц.
Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением, как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях.
В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей, удельная проводимость их весьма мала.
В системе СИ удельное объемное сопротивление ρv равно объемному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого материала (если ток проходит сквозь куб, от одной его грани к противоположной), умноженному на 1 м.
Для плоского образца материала в однородном поле удельное объемное сопротивление (Ом-метр) рассчитывается по формуле
ρ=RS/h,
где
R— объемное сопротивление образца, Ом;
S— площадь электрода, м2;
h— толщина образца, м.
Удельная объемная проводимость γ измеряется в сименсах на метр
Потери в диэлектрике (диэлектрические потери)- это мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью.
При постоянном напряжении нет периодической поляризации. Качество материала при этом характеризуется значениями удельного объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.
Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.
Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно, велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором использован данный диэлектрик а, следовательно, и величину затухания.
Резина и бумага являются органическими диэлектриками молекулярной структуры с полярными молекулами. Эти вещества из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями. Тангенс угла потерь tgδ~0,03, для сажевых резин до 0,25.
Стекла, неорганические квазиаморфные вещества ионной структуры представляющие собой сложные системы различных оксидов. Диэлектрические потери в таких веществах связаны с явлением поляризации и электропроводности. Электрические свойства весьма в большой степени зависят от их состава. Для кварцевого стекла тангенс угла потерь tgδ~0,0002.
Пенопласты — материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Пенопласты на основе эпоксидных смол имеют тангенс угла потерь tgδ~0,025 – 0.035. Пенопласты на основе пенополистирола tgδ~0,0004.
Таким образом, меньшие электрические потери следует ожидать от стекла.
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля — электрической прочностью диэлектрика.