and
APPLICATIONS Arthur R. von HIPPEL, Editor
ПРЕДИСЛОВИЕ РУССКОГО ПЕРЕВОДА
Книга «Диэлектрики и их применение» написана на основе лекций, прочитанных ее авторами в Маосачузетоком технологическом институте (США) в 1952 г. Теоретическую часть книги, касающуюся макроскопических и молекулярных свойств диэлектриков, составил Артур Р. Хиппель; он же отредактировал остальные разделы труда.
Рассчитанная на весьма широкую техническую аудиторию книга освещает вопросы электромагнитного поля в диэлектриках, описывает молекулярные 'свойства диэлектриков и методику их испытаний, дает представление о многих важных электротехнических и радиотехнических материалах и об их промышленном применении.
Своеобразие монографии состоит прежде всего в том, что она, помимо изоляционных материалов, затрагивает отчасти и полупроводники (включая ферриты), поскольку авторы относят к диэлектрикам все неметаллы, применяемые в электротехнике- Последовательное изложение в рамках одной книги «е только теории диэлектриков и практики их применения, но и научных, а также технических проблем полупроводников, представляет собой трудноразрешимую задачу: авторы ограничиваются лишь тем, что приводят в книге сведения о полупроводниках, относящиеся, в основном, только к ферритам и к полупроводниковым выпрямителям.
Книга не дает законченного представления ' о современном состоянии изоляционной техники; авторы ряда глав отводят значительное место одним исследованиям, оставляя в тени другие, порой еще более важные; высказывае-
мые авторами положения иногда! носят субъективный характер и по-видимому не всегда свободны от влияния фирменных интересов.
Некоторые представления о физических процессах в диэлектриках, излагаемые в книге, являются спорными; вызывает, например, возражения трактовка сегнетоэлектрических явлений в сегнетокерамике, 'основанная на различиях в точках плавления соответствую-• щих окислов.
Говоря о перспективах использования некоторых сравнительно новых изолирующих материалов, авторы не всегда указывают на присущие этим материалам недостатки и на трудности, стоящие на пути их внедрения в производство.. Так, в книге перечисляются хорошие электрические свойства поливииилкарбазола, но замалчивается тот факт, что использовать этот материал в промышленном масштабе в настоящее время затруднительно из-за его токсичности.
Тем не менее книга, при критическом подходе к ее содержанию, принесет значительную пользу специалистам, работа которых связана с получением и применением диэлектриков.
В ней излагается теория электромагнитного поля в диэлектриках, причем диэлектрики рассматриваются с точки зрения накопления и рассеяния электрической и магнитной энергии. К достоинствам книги относится наличие в ней большого числа экспериментальных данных, а также сведений, излагающих результаты длительной эксплуатационной проверки! материалов промышленного производства. Существенный интерес представляют помещенные в книге частотные и температурные зави-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр. Введение..............-...... 7
ЧАСТЬ 1
ТЕОРИЯ (Артур Р. Хиппель) Глава первая. Макроскопические свойства диэлектриков ............... 11
1-1. Предварительные замечания...... —•
1-2. Комплексные диэлектрическая и магнитная проницаемости ........ —
1-3. Поляризация и намагничивание .... 13 1-4. Параметры, характеризующие диэлектрики ................ 18
1-5. Отражение и преломление электромагнитных волн на границах; измерение параметров диэлектриков при помощи стоячих волн............. 22
Глава вторая. Молекулярные свойства диэлектриков ................ 27
2-1. Молекулярный механизм поляризации — 2-2. Поляризация и строение атома .... 30 2-3. Строение и диэлектрические свойства
молекул................ 38
2-4. Релаксационная поляризация в жидкостях и твердых телах......... 44
2-5. Пьезоэлектричество и сегнетоэлектри-чество ................ 48
ЧАСТЬ II
ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ
ДИЭЛЕКТРИКОВ
Глава третья. Цепи с сосредоточенными постоянными (Р об е р т Ф. Ф и л ь д)..... 55
3-1. Области применения.......... —
3-2. Образцы и измерительные устройства
для твердых диэлектриков...... 56
3-3. Измерительные устройства для жидкостей и газов ............. 58
3-4. Расчет измерительных устройств ... 59 3-5. Вычисление диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь ... 60 3-6. Типовые измерительные схемы .... 61
Стр.
Глава четвертая. Цепи с распределенными постоянными (Уильям Б. Вестфаль) 72
4-1. Выбор метода измерения....... —
4-2. Методы измерительной линии (фидерные методы) ............. —
4-3. Резонансные методы......... 80
4-4. Упрощенные вычисления для метода
полного входного сопротивления ... 94
4-5. Диаграммы комплексной функции thx/x 99 4-6. Диаграммы комплексной функции
cthx/x................ 114
4-7. Таблицы tg х/х и ctg х/х....... —
Глава пятая. Магнитная проницаемость
(Д а ви д Д ж. Эпштей н)......... 127
5-1. Общие сведения ........... —
5-2. Определение магнитной проницаемости 131
5-3. Измерения при сверхвысоких частотах 137
Глава шестая. Спектроскопия на сверхвысоких частотах (Малькольм У. П. Стренд-берг)...................140
6-1. Общие -сведения ........... —
6-2. Задачи, разрешаемые с помощью
спектроскопии ............ 141
Глава седьмая. Магнитный резонанс (Френсис
Б и т т е р)...............144
7-1. Общие сведения ........... —
7-2. Ядерный резонанс .......... 146
7-3. Парамагнитный резонанс....... 150
7-4. Ферромагнитный резонанс....... 152
ЧАСТЬ III
ДИЭЛЕКТРИКИ, ИХ ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Глава восьмая. Электроизоляционные материалы ...................154
8-1. Электрическая прочность сильно сжатых газов и вакуума (Д ж о н Г. Т р а м п) —
8-2. Жидкие диэлектрики (Джон Д. П а й-
пер).................164
Стр. 8-3. Пластмассы как диэлектрики (Уоррен
Ф. Б а с с е)..............175
8-4. Керамические диэлектрики (Ганс
Т урна у эр).............186
Глава девятая. Применение диэлектриков
в электротехнических устройствах ... 197
9-1. Диэлектрики в силовом оборудовании и распределительной аппаратуре (Лео Дж. Берберич).......... —
9-2, Диэлектрики в электронной аппаратуре (АртурДж. Берне р) .... 220
9-3. Диэлектрики в конденсаторах (Льюис
Кал).................230
9-4. Каучук и пластмассы в кабелях (Д ж о н
Т. Б л е и к)..............234
9-5. Проблемы кабельной техники (С а -
мюэль Дж. Ро ш)..........242
Глава десятая. Диэлектрические приборы . . 249
10-1. Выпрямители (Кларенс У. X ь голе т т) ................ —.
10-2. Пьезоэлектрические преобразователи
и резонаторы (К а р л С. В а н Д е и к) 256
Стр.
10-3. Магнитные и диэлектрические усилители (Д а д л и А. Б а к)........267
10-4. Запоминающие устройства (Уильям
Н. П е и п и е н)............279
ЧАСТЬ IV СПРАВОЧНЫЙ ОТДЕЛ
Глава одиннадцатая. Характеристики диэлектриков ...................288
Жидкости ................ 289
Воскообразные вещества ......... 291
Органические синтетические смолы и
пластмассы............... —
Натуральные смолы............ 296
Эластомеры ............... —
Эфиры целлюлозы и полиэфирные смолы . 297 Неорганические вещества, стекло и керамика .................. 298
Кремнийорганические и фторорганические
смолы и пластмассы .......... 299
Литература ................313
ВВЕДЕНИЕ
В данной книге диэлектрики рассматриваются не как узкий класс так называемых электроизолирующих веществ, а как широкая область неметаллов, обладающих особыми свойствами в электромагнитных полях. Эта область охватывает газообразные, жидкие и твердые веществ1». Если рассматривать процессы накопления электрической и магнитной энергии наряду с процессами ее рассеяния, то все свойства диэлектриков могут быть описаны при помощи трех параметров: поляризо-ванности, намагниченности и проводимости.
Авторы ставят своей задачей рассмотрение следующих вопросов: макроскопическое описание явлений в диэлектриках и интерпретация этих явлений с точки зрения молекулярной теории; измерение параметров диэлектриков; свойства современных диэлектриков; применение диэлектриков в аппаратуре и в новых разработках. Составной частью группы диэлектриков являются полупроводники, но они будут рассмотрены только в общих чертах, так как их свойствам в настоящее время посвящается много специальных работ.
Первая часть настоящего труда посвящена вопросам теории. В гл. 1-й вводится ряд понятий, необходимых для феноменологического описания явлений, наблюдаемых при помещении диэлектриков в электрическое или магнитное поле (§ 1-1). Введение комплексной диэлектрической проницаемости е * и комплексной магнитной проницаемости ц *, определяемых на основании рассмотрения цепей с сосредоточенными постоянными (§ 1-2), а также установление их связи с векторами поляризо-ванности и намагниченности (§ 1-3) обеспечивают получение удовлетворительного описания свойств диэлектриков в синусоидальных полях.
Другие группы различных параметров, на-
пример комплексный коэффициент распространения и полное сопротивление, используемые инженерами-электриками, или комплексный коэффициент рефракции (преломления), используемый физиками для области видимого спектра, мо'гут быть весьма просто сведены к е* и ц* (§ 1-4). Это макроскопическое описание применимо не только к свободному диэлектрику, ио и к явлениям на границах раздела; рассмотрение законов преломления и отражения волн на границах раздела дает вместе с тем основу для оценки взаимодействия между полем и веществом. Поэтому краткое рассмотрение этих граничных явлений, особенно для стоячих волн, может служить введением к измерениям параметров диэлектриков в области сантиметровых волн (§ 1-5).
Векторы поляризованности и намагниченности могут рассматриваться соответственно как электрический и магнитный моменты единицы объема диэлектрика,. Учитывая, что эти моменты отражают суммарный эффект множества элементарных моментов, можно произвести переход от макромира к миру молекул (гл. 2-я),
Существуют различные молекулярные механизмы поляризации (§ 2-1): образование индуцированных моментов вследствие перемещения электронов или ядер (электронная или атомная поляризация); возникновение моментов вследствие ориентации постоянных диполей (ориентационная поляризация); наконец поляризация, обусловленная искажением поля в связи с перемещением заряженных частиц (объемно-зарядная поляризация) Ч
Применение указанных механизмов к ато-
мам и молекулам газов делает понятным возникновение частотных зависимостей в * и объясняет строение атомов (§ 2-2 и 2-3).
Диэлектрические свойства газов находят выражение в их резонансном спектре; когда газы, конденсируясь, превращаются в жидкости или твердые тела, имеющие различную структуру, область электрических частот, прежде пустовавшая, заполняется различного вида . релаксационными спектрами (§ 2-4). Большая . часть этих спектров вызывается явлениями, препятствующими вращению постоянных ди-польных моментов. В кристаллах электрические моменты обычно обусловлены зарядами, связанными в решетку, поэтому свобода ориентации моментов полностью утрачена. Однако при благоприятных условиях эти моменты могут оказаться взаимосвязанными, как об этом свидетельствуют явления пьезоэлектричества и сегнетоэлектричества (§ 2-5).
После установления основных положений и терминов в настоящей книге рассматриваются различные способы измерения е * и ц * в области частот, простирающейся от постоянного тока до примерно З'Ю10 гц (часть II «Техника измерения параметров диэлектриков»)- Разбираются как цепи с сосредоточенными постоянными (гл. 3-я), так и цепи с распределенными постоянными (гл. 4-я). Это дает возможность всеобъемлюще рассмотреть различные способы измерения диэлектрической проницаемости, включая методы заряда и разряда, мостовые и резонансные методы, а также различные методы, разработанные за последние десять лет и основанные на использовании объемных резонаторов. Техника измерения магнитной проницаемости частично использует те же способы, но нелинейность ферромагнетиков требует дополнительных измерений напряженности поля и тщательного анализа исследуемых параметров (гл.'5-я).
Аналогичные условия возникают при измерении диэлектрической проницаемости сег-нетоэлектриков.
Читатели, сталкивающиеся со специфическими проблемами измерений и интересующиеся не только 'выбором подходящего метода, но и его практическим результатом, найдут
необходимые сведения, представленные в виде диаграмм и таблиц в части IV.
В дополнение к более или менее общеизвестным методам измерений приведены два резонансных метода, получивших значение,, в основном, со времени второй мировой войны: метод сантиметровой спектроскопии (гл. 6-я) и метод магнитного резонанса (гл. 7-я). В обоих случаях определяются квантованные переходы между хорошо разделенными уровнями энергии, причем это производится средствами обычной электротехники и в ее частотном диапазоне.
Эти новые способы позволяют получить достаточно точные сведения об электрических и магнитных моментах и о других структурных параметрах ядер, атомов и молекул, а при применении способа магнитного резонанса— еще и об электрических и магнитных полях, в которых находятся ядра и электроны атомов-жидкостей или твердых тел. Оба названных способа только начинают применяться при исследовании многих проблем, связанных с твердым состоянием тел.
Вслед за общим изложением теории диэлектриков и методов измерения их характеристик рассматриваются различные материалы и их применение. В третьей части книги излагаются: свойства материалов и связанные с этими свойствами ограничения (гл. 8); применение материалов в аппаратуре (гл. 9); использование их в новых разработках. Рассмотрение начинается с газов, причем наибольший технический интерес! представляет пробой сжатых газов и вакуума (§ 8-1). Далее рассматриваются жидкости (§ 8-2), пластики (§ 8-3) и керамические материалы (§ 8-4), причем основное внимание уделяется диэлектрической проницаемости, потерям, механическим свойствам, структуре, стабильности и способам производства.
Различают две главные области применения диэлектриков: в энергетической и коммутационной аппаратуре (§ 9-1) ив электронном оборудовании (§ 9-2). Но в действительности между указанными областями нет резкой границы, и два следующих параграфа, посвященных применению диэлектриков в коиденсато-
pax (§ 9-3) и применению каучука и пластмасс в кабельной технике (§ 9-4), являются переходными между параграфами, относящимися к энергетической аппаратуре и к аппаратуре связи. Во всех четырех параграфах часто приходится возвращаться к ранее рассмотренным проблемам, особенно в области практического применения.
Испытания продукции на практике имеют решающее значение: так, работникам кабельной промышленности (§ 9-5) на основании их горького опыта хорошо известно, что окончательная проверка их продукции происходит не в канцелярии или лаборатории, а в условиях эксплуатации.
Обращаясь к использованию диэлектриков в новых разработках, авторы книга главное внимание уделяют четырем применениям, имеющим особенный интерес для сегодняшнего дня, причем одновременно дается анализ работы диэлектриков в разнообразных условиях
Эти применения охватывают выпрямительные устройства, пьезоэлектрические преобразователи, магнитные и диэлектрические усилители и запоминающие устройства. В выпрямителях (§ 10-1) используются полупроводники; работа пьезоэлектрических преобразователей и резонаторов (§ 10-2) основана на электромеханическом эффекте; магнитные и диэлектрические усилители (§ 10-3) используют нелинейность характеристик ферромагнетиков и сегнетоэлектриков; наконец, запоминающие устройства (§ 10-4) базируются на коэрцитивных свойствах этих материалов.
Книга завершается таблицами числовых данных, характеризующих свойства диэлектриков. Здесь собраны результаты лабораторных исследований, относящихся к комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости диэлектриков в области частот от 102 до 2,5- 1010 гц и при температурах до 500° С.
