Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическаяпроницаемость. Этд Дели чина представляет собой отношении заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду Q, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:
Из выражений (1-3) следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только для вакуума.
Относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества не зависит от выбора системы единиц. В дальнейшем для характеристики качества диэлектриков используется именно эта величина, причем слово «относительная» для краткости опускается.
Соотношение (1-1), приведенное выше, может быть представлено в виде
где С —емкость, которую имел бы данный конденсатор, если бы его электроды разделял вакуум.
Из формулы (1-4) следует, что диэлектрическую проницаемость вещества 
можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум.
Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, давления, влажности, напряжения Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и давления определяется изменением числа молекул в единице объема газа. Это число пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре. При повышении влажности воздуха при нормальных температуре и давлении относительная диэлектрическая проницаемость незначительно увеличивается. При повышенной температуре это увеличение становится более заметным. Характер температурной зависимости диэлектрической проницаемости диэлектриков с различными видами поляризаций часто определяют с помощью температурного коэффициента диэлектрической проницаемости: К d 1 d -1 T Тк e e e = (2.32) Формула дает возможность вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при повышении температуры на один градус. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости имеет единицу измерения град-1. Если температура рассчитывается по Кельвину, то размерность записывают как К -1. Влияние давления на диэлектрическую проницаемость учитывается барическим коэффициентом диэлектрической проницаемости: Па d 1 d -1 = P Бк e e e (2.33) Для линейных диэлектриков, барический коэффициент, как правило, положителен, т.к. при всестороннем сжатии диэлектрика увеличивается число молекул, способных поляризоваться в единице объема. В некоторых полярных жидкостях в зависимости диэлектрической проницаемости от давления наблюдается максимум. Увлажнение заметно увеличивает e гигроскопических диэлектриков, что, в первую очередь, можно объяснить высокими значениями диэлектрической проницаемости воды ( e =81). Вместе с тем, при увлажнении уменьшается удельное сопротивление, увеличивается угол диэлектрических потерь и уменьшается электрическая прочность диэлектрика. Для линейных диэлектриков, используемых главным образом в качестве электрической изоляции и диэлектрика конденсаторов, диэлектрическая проницаемость в большинстве случаев может считаться практически независящей от напряжения. Сильно выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от напряжения, приложенного к диэлектрику, характерна для сегнетоэлектриков (рис. 2.30).
Рис. 2.30. Зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля для: 1 – линейного и 2 – нелинейного диэлектрика.
3. Электропроводность диэлектриков: особенности электропроводности. Электропроводность твердых диэлектриков, жидкостей, газов.
Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения, в диэлектриках. Токи смещения упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.
Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов. Ток утечки в техническом диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции. Для плотностей токов можно записать:
Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора электрического смещения D:
обусловленного мгновенными (электронными, ионными) и замедленными смещениями зарядов.
Как видно из рис. 2-1, после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток. Токи смещения необходимо принимать во внимание при измерениях
проводимости диэлектриков ввиду того, что при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости. Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими абсорбционных токов.
Рис 2.1 Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени.
Особенностью электропроводности диэлектриков в большинстве случаев является ее неэлектронный (ионный) характер.
Истинное сопротивление диэлектрика определяющее сквозной ток, может быть вычислено по следующей формуле:
где iут — наблюдаемый ток утечки; U — приложенное напряжение; iаб — суммарный ток абсорбции.
Поскольку при определении абсорбционных токов даже замедленных видов поляризации возникают некоторые трудности, сопротивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включения напряжения и принимаемый за сквозной ток.
Для твердых электроизоляционных материалов необходимо различать объемную и поверхностную проводимость.
Для сравнительной оценки объемной и поверхностной проводимости различных материалов пользуются значениями удельного объемного сопротивления р и удельного поверхностного сопротивления р.
По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость, по удельному поверхностному сопротивлению — удельная поверхностная проводимость.
В системе СИ удельное объемное сопротивление р 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
где R — объемное сопротивление образца, Ом; S — площадь электрода, м 2 ; h — толщина образца, м.
Удельная объемная проводимость γ измеряется в сименсах на метр.
Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивление квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхность материала, если ток проходит через квадрат, от одной его стороны к противоположной.
Удельное поверхностное сопротивление (в омах)’ рассчитывается по формуле ъ
где Rs — поверхностное сопротивление образца материала, Ом, между параллельно поставленными электродами шириной d, от| стоящими друг от друга на расстояние l.
Удельная поверхностная проводимость γs измеряется в сименсах.;
Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая! его сопротивлению изоляции, складывается из объемной и поверхностной проводимостей.
Электропроводность изоляционных материалов обусловливается? состоянием вещества: газообразным, жидким или твердым, а также! зависит от влажности и температуры окружающей среды. Некоторое влияние на проводимость диэлектриков оказывает также напряженность поля в образце, при которой проводится измерение.
При длительной работе под напряжением ток через твердые и жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что электропроводность материала была обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшалась за счет электрической очистки образца. Увеличение тока со временем говорит об участии в нем зарядов, являющихся структурными элементами самого материала, и о протекающем в нем под напряжением необратимом процессе старения, способном постепенно привести к разрушению — пробою диэлектрика.
Произведение сопротивления изоляции диэлектрика конденсатора и его емкости принято называть постоянной времени саморазряда конденсатора:
Значение τ определяется из выражения
где U — напряжение на электродах конденсатора спустя время т после отключения его от источника напряжения; U — напряжение, до которого был заряжен конденсатор (т = 0); Rm — сопротивление изоляции (сопротивление сквозному току); С — емкость конденсатора.
Легко показать, что
Величину τ выражают в ом-фарадах или в секундах;
Таким образом, определив постоянную времени как время, по истечениикоторого напряжение на выводах конденсатора уменьшится вследствие саморазряда в е = 2,7 раза, зная вид материала (а следовательно, и его диэлектрическую проницаемость) и предполагая наличие только объемного тока утечки, можно оценить удельное сопротивление использованного диэлектрика.
Дата добавления: 2015-12-10 ; просмотров: 7468 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Влияние температуры на величину диэлектрической проницаемости оценивают температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости:
Этот коэффициент равен относительному изменению диэлектрической проницаемости при увеличении температуры на 1 °С.
У неполярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость слабо уменьшается с ростом температуры (рис. 1.29, кривая 1), так как уменьшается плотность диэлектрика, а следовательно, количество поляризуемых частиц. Величина aε отрицательна, примерно равна коэффициенту линейного расширения диэлектрика и составляет около —100*10 -6 1/К.
У полярных диэлектриков зависимость ε от температуры имеет характерный максимум (рис. 1.29, кривая 2). В области низких температур повышение температуры ведет к ослаблению межмолекулярных сил, что облегчает поворот диполей под действием сил поля. В области высоких температур ε уменьшается из-за возрастания беспорядочных тепловых колебаний. В ионных кристаллах с плотной упаковкой наряду с уменьшением плотности вещества наблюдается возрастание поляризуемости ионов вследствие ослабления упругих связей между ними при тепловом расширении, поэтому диэлектрическая проницаемость с ростом температуры возрастает (aε = + 100-10 -6 1/К). У некоторых кристаллов, содержащих ион титана (рутил ТiO2, перовскит СаТiO3), преобладает электронная поляризация, поэтому с ростом температуры диэлектрическая проницаемость уменьшается (aε = —1500*10 -6 1/К для перовскита, aε = -750*10 -6 1/К для рутила). Эти диэлектрики применяют в термокомпенсирующих конденсаторах.
В ионных кристаллах с неплотной упаковкой с увеличением температуры возрастает число слабо связанных ионов, поэтому диэлектрическая проницаемость возрастет. Температурный коэффициент таких диэлектриков достигает величины + 100*10 -6 1/К.
Наиболее сильная зависимость от температуры наблюдается у сегнетоэлектриков (рис. 1.30), у которых увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации доменов. Поэтому поляризованность доменов с ростом температуры возрастает, что ведет к увеличению диэлектрической проницаемости. Рост диэлектрической проницаемости происходит до температуры Тк, называемой температурой Кюри. За пределами этой температуры происходит распад доменных структур и резкое уменьшение диэлектрической проницаемости.
Частотная зависимость проницаемости обусловлена инерционностью процессов поляризации. У неполярных диэлектриков, характеризующихся электронной поляризацией, процесс образования упругих диполей протекает практически мгновенно, поэтому диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты (рис. 1.31, кривая 1).
У полярных диэлектриков в области низких частот вплоть до частоты/! твердые диполи успевают поворачиваться за половину периода колебаний, поэтому диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты (рис. 1.31, кривая 2). На частотах выше f, диполи не успевают следовать за изменениями электрического поля, вследствие чего снижается интенсивность дипольной поляризации и резко уменьшается диэлектрическая проницаемость. На частотах выше/2 процесс дипольной поляризации полностью отсутствует и сохраняется только электронная поляризация.
Дата добавления: 2016-10-30 ; просмотров: 5618 | Нарушение авторских прав
Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. В связи с этим диэлектрическая проницаемость полярных материалов при низких температурах мала (e=2-2,5). С возрастанием температуры подвижность диполей увеличивается, и облегчается их ориентация под действием внешнего поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость растет. Однако при дальнейшем росте температуры кинетическая энергия теплового движения диполей возрастает настолько, что броуновское движение диполей разрушает ориентацию, задаваемую внешним полем. Поэтому диэлектрическая проницаемость снижается (см. рис. 31). Таким образом, зависимость e=f(t) для веществ с дипольно-релаксационной поляризацией имеет характерную форму "холма".
Рис.31. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1>f2).
Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения, то наступление состояния поляризации требует времени. С увеличением вязкости возрастает время, необходимое для наступления поляризации. При увеличении частоты электрического поля время действия поля на диполи за половину периода уменьшается, а следовательно, уменьшается величина поляризации и снижается величина диэлектрической проницаемости. С увеличением частоты максимум диэлектрической проницаемости не только снижается, но и смещается в сторону высоких температур, то есть меньших вязкостей диэлектрика.
При возрастании температуры объем диэлектрика возрастает, и диэлектрическая проницаемость, в соответствии с выражением (2.3), уменьшается (рис. 28). Особенно заметно уменьшение e при плавлении и испарении диэлектриков, когда их объем существенно возрастает.
В неполярных диэлектриках диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты внешнего поля. Это связано с тем, что частота вращения электронов на орбитах велика
10 15 -10 16 Гц. Поляризация упругого электронного смещения
Повышение температуры увеличивает межатомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов возрастает (рис. 30). Поляризация упругого ионного смещения Время установления этого механизма поляризации сравнимо с периодом оптических колебаний ионов в кристаллической решетки и составляет 10 -12 -10 -13 с. Поэтому до частот 10 12 — 10 13 Гц диэлектрическая проницаемость веществ с ионной связью не зависит от частоты внешнего поля.
.Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость материалов с различными механизмами поляризации. Поляризация упругого электронного смещения . Этот вид поляризации связан со смещением электронных оболочек атомов относительно ядер и имеет место во всех диэлектриках, за исключением абсолютного вакуума. 
Рис. 30. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для ионных кристаллов. При возрастании температуры объем диэлектрика возрастает, и диэлектрическая проницаемость, в соответствии с выражением (2.3), уменьшается (рис. 28). Особенно заметно уменьшение e при плавлении и испарении диэлектриков, когда их объем существенно возрастает. 
(2.3) 
Рис. 28. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков . Поляризация упругого ионного смещения вызвана упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Повышение температуры увеличивает межатомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов возрастает (рис. 30). Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается во многих твердых и жидких диэлектриках с полярными группами: компаунды, бакелит, аминопласты и др. При дипольно-релаксационной поляризации происходит смещение полярных молекул или смещение радикалов, входящих в состав крупных молекул. 
Рис.31. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1>f2). Диэлектрическая проницаемость полярных веществ сильно зависит от их температуры и частоты внешнего электрического поля. При низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. В связи с этим диэлектрическая проницаемость полярных материалов при низких температурах мала (e=2-2,5). С возрастанием температуры подвижность диполей увеличивается, и облегчается их ориентация под действием внешнего поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость растет. При дальнейшем росте температуры кинетическая энергия теплового движения диполей возрастает настолько, что броуновское движение диполей разрушает ориентацию, задаваемую внешним полем. Диэлектрическая проницаемость снижается (см. рис. 31). 17. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь в полярных и не полярных диэлектриков.
При нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем развиваются два процесса: электропроводность и поляризация. Оба процесса сопровождаются потерями энергии электрического поля. Потери на электропроводность при росте частоты снижаются. Однако на определенных частотах резко возрастает резонансная поляризация, поэтому коэффициент диэлектрических потерь Кd на этих частотах резко возрастает. На рис.39 показана зависимость коэффициента диэлектрических потерь от частоты электрического поля для диэлектрика сложного состава. На определенных частотах начинается резонансная поляризация полярных молекул различных компонентов диэлектрика, а следовательно, возрастают потери. 
Наличие максимумов коэффициента диэлектрических потерь на определенных частотах ограничивает применение полярных диэлектриков в высоко частотных полях. Так, в качестве изоляции в высокочастотных радиокабелях типа РК-75 используется полиэтилен с неполярными молекулами. В силовых проводах типа АППВ в качестве материала изоляции используется полихлорвинил с полярными молекулами. Если в радиокабеле вместо полиэтилена использовать полихлорвинил, то при рабочих частотах – десятки и сотни мегагерц – потери будут настолько велики, что сигнал по кабелю проходить не будет. Напротив, в силовом кабеле недопустимо использовать в качестве изоляции полиэтилен, поскольку у материалов с неполярными молекулами прочность существенно ниже, чем у материалов с полярными молекулами. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков. 
С увеличением частоты электрического поля длина пробега ионов за время полупериода колебаний уменьшается, а следовательно, уменьшается запасенная ими кинетическая энергия. Кроме того, снижается вероятность столкновения иона со структурными единицами материала. В силу этих причин при росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются (рис. 36). 
