Диэлектрическая проницаемость

О явлении поляризации судят по значению диэлектрической проницаемости ε. Параметр ε, характеризующий способность материала образовывать емкость, называется относительной диэлектрической проницаемостью.

Слово “относительная” обычно опускается. Надо учесть, что электрическая емкость участка изоляции с электродами, т.е. конденсатора, зависит от геометрических размеров, конфигурации электродов и от структуры материала, образующего диэлектрик этого конденсатора.

В вакууме ε = 1, а любого диэлектрика всегда больше 1. Если С0 - ем-

кость, между обкладками которого находится вакуум, произвольной формы и размеров, а С - емкость конденсатора таких же размеров и формы, но заполненного диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, то

С = ε С0.

Обозначив через С0 электрическую постоянную (Ф/м), равную

С0 = 8,854.10-12,

найдем абсолютную диэлектрическую проницаемость

ε’ = ε0 .ε.

Определим величины емкостей для некоторых форм диэлектриков.

Для плоского конденсатора

С = ε0 ε S/h = 8,854 1О-12 ε S/h.

где S - площадь поперечного сечения электрода, м2;

h - расстояние между электродами, м.

Практическое значение диэлектрической проницаемости очень велико. Она определяет не только способность материала образовывать емкость, но и входит в ряд основных уравнений, которые характеризуют физические процессы, протекающие в диэлектрике.

Диэлектрическая проницаемость газов, вследствие их малой плотности (из-за больших расстояний между молекулами) незначительна и близка к единице. Обычно поляризация газа электронная или дипольная, если молекулы полярные. ε газа тем выше, чем больше радиус молекулы. Изменение числа молекул газа в единице объема газа (n) при изменении температуры и давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости газа. Число молекул N пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.

При изменении влажности диэлектрическая проницаемость воздуха незначительно меняется прямо пропорционально изменению влажности ( при комнатной температуре). При повышенной температуре влияние влажности значительно усиливается. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости характеризуется выражением

T K ε = 1 / ε (dε / dT).

По этому выражению можно вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при изменении температуры на 1 0 К - так называемый температурный коэффициент ТК диэлектрической проницаемости.

Значение ТК неполярного газа находится по формуле

T K ε = (ε -1) / dT.

где Т - температура. К.

Диэлектрическая проницаемость жидкостей сильно зависит от их структуры. Значения ε неполярных жидкостей невелики и близки к квадрату показателя преломления света n 2. Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, которые используются в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5, что заметно выше, чем у неполярных жидкостей.

Так поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями.

Сильнополярные жидкости, характеризуются высоким значением ε из-за их большой проводимости . Температурная зависимость ε в дипольных жидкостях имеет более сложный характер, чем нейтральные жидкости.

Поэтому ε на частоте 50 Гц для хлорированного дифенила ( савол) быстро возрастает из-за резкого падения вязкости жидкости, а дипольные

молекулы успевают ориентироваться вслед за изменением температуры.

Уменьшение ε происходит вследствие усиления теплового движения молекул, препятствующего их ориентации в направлении электрического поля.

Диэлектрики по виду поляризации делятся на четыре группы:

Первая группа – однокомпозиционные, однородные, чистые без добавок, диэлектрики, у которых в основном электронная поляризация или плотная упаковка ионов. К ним относятся неполярные и слабополярные твердые диэлектрики в кристаллическом или аморфном состоянии, а также неполярные и слабополярные жидкости и газы.

Вторая группа – технические диэлектрики с электронной, ионной и одновременно с дипольно-релаксационной поляризациями. К ним относятся полярные (дипольные) органические полужидкие и твердые вещества, например масляно-канифольные компаунды, целлюлоза, эпоксидные смолы и композиционные материалы, составленные из этих веществ.

Третья группа – технические диэлектрики с ионной и электронной поляризациями; диэлектрики с электронной, ионной релаксационными поляризациями делится на две подгруппы. К первой подгруппе относятся в основном кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов ε < 3,0.

Ко второй подгруппе относятся неорганические стекла и материалы, содержащие стекловидную фазу, а также кристаллические вещества с неплотной упаковкой ионов.

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, имеющие спонтанную, электронную, ионную, электронно-ионно-релаксационные поляризации, а также миграционную или высоковольтную для композиционных, сложных и слоистых материалов.

4.Диэлектрические потери электроизоляционных материалов. Виды диэлектрических потерь.

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую 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, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указыва­лось выше, значениями удельных 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.

Рис. 3-1. Зависимость заряда от напряжения для ли­нейного диэлектрика без потерь (а), c потерями (б)

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкост­ной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлек­трических потерь будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига и тем больше угол и его функция tg .

Из теории переменных токов известно, что активная мощность

Ра = UI cos (3-1)

Выразим мощности для последовательной и параллельной схем через емкости Cs и Сp и угол , который является дополнением угла до 90°.

Для последовательной схемы, используя выражение (3-1) и со­ответствующую векторную диаграмму, имеем

P_a = (3-2)

tg = C_sr_s (3-3)

Для параллельной схемы

P_a=UI_a=U² C_ptg (3-4)

tg = (3-5)

Приравнивая друг к другу выражения (3-2) и (3-4), а также (3-3) и (3-5) находим соотношения между Сp и Cs и между rp и rs

C_p=C_s /1+tg² (3-6)

r_p= r_s(1+ 1/ tg² ) (3-7)

Для высококачественных диэлектриков можно пренебречь значени­ем tg2 по сравнению с единицей в формуле (3-8) и считать Ср Cs С. Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут одинаковы для обеих схем:

P_aU² C tg (3-8)

где Ра — активная мощность, Вт; U — напряжение, В; — угло­вая частота, с-1; С — емкость, Ф.

Сопротивление rр в параллельной схеме, как следует из выражения (3-7), во много раз больше сопротивления rs.Выражение для удельных диэлектрических потерь, т. е. мощности, рассеиваемой в единице объема диэлектрика, имеет вид:

(3-9)

где р — удельные потери, Вт/м3; =2 — угловая частота, с-1, Е —напряженность электрического поля, В/м.

Действительно, емкость между противоположными гранями куба со стороной 1 м будет

С1 = 0 r , реактивная составляющая удельной проводимости

(3-10)

a активная составляющая

(3-11)

Определив каким-либо методом при некоторой частоте параметры эквивалентной схемы исследуемого диэлектрика (Ср и rр или Cs и rs), l общем случае нельзя считать полученные значения емкости и сопротивления присущими данному конденсатору и пользоваться этими данными для расчета угла потерь при другой частоте. Такой расчет может быть сделан только в том случае, если эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование. Так, например, если известно для данного диэлектрика, что потери в нем определя­ются только потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то угол потерь конденсатора с таким диэлектриком может быть вычислен для любой частоты, лежащей в этом диапазоне

tg =1/ Crp (3-12)

где С и rp — постоянные емкость и сопротивление, измеренные приданной частоте.

Потери в таком конденсаторе, как легко видеть, не зависят от частоты:

Pa=U2/ rp (3-13)

наоборот если потери в конденсаторе обусловливаются главным образом сопротивлением подводящих проводов, а также сопротивлением самих электродов (например, тонкий слой серебра), то рассеиваемая мощность в таком конденсаторе будет возрастать пропор­ционально квадрату частоты:

Pa=U2 C tg =U2 C Crs=U2 2C2rs (3-14)

Из последнего выражения можно сделать весьма важный практический вывод: конденсаторы, предназначенные для работы на вы­сокой частоте, должны иметь по возможности малое сопротивление как электродов, так и соединительных проводов и переходных кон­тактов.

Диэлектрические потери по их особенностям и физической при­роде можно подразделить на четыре основных вида:

1) диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;

2) диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

ионизационные диэлектрические потери;

диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.

Релаксационные диэлектрические потери обусловлены нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля.

Диэлектрические потери, наблюдаемые в сегнетоэлектриках, свя­заны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому потери в сегнетоэлектриках значительны при температурах ниже точки Кюри, когда наблюдается спонтанная поляризация. При температурах выше точ­ки Кюри потери в сегнетоэлектриках уменьшаются. Электрическое старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым уменьшением потерь.

К диэлектрическим потерям, обусловленным поляризацией, сле­дует отнести также так называемые резонансные потери, проявля­ющиеся в диэлектриках при высоких частотах. Этот вид потерь с особой четкостью наблюдается в некоторых газах при строго оп­ределенной частоте и выражается в интенсивном поглощении энер­гии электрического поля.

Резонансные потери возможны и в твердых веществах, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, сов­падает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tg характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае температура не влияет на положение максимума.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную проводимость.

Тангенс угла диэлектрических потерь в этом случае можно вычислить по формуле

tg = (3-15)

Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tg уменьшается с частотой по гиперболическому закону.

Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с температурой по экспоненциальному закону

PaT=Aexp(-b/T) (3-16)

где А,b — постоянные материала. Приближенно формулу (3-16) можно переписать так:

PaT=Pa0exp( t) (3-17)

где PaT — потери при температуре t, °С; Ра0 — потери при температуре 0°С; — постоянная материала.

Тангенс диэлектрических потерь в зависимости от температуры изменяется по тому же закону, который использован для аппроксимации температурной зависимости Ра, так как температурным изменением емкости можно пренебречь.

Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам и газообразном состоянии; Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа. Ионизационные потери можно вычислить по формуле

Pa.и=A1f(U-Uи)3 (3-18)

где А1 — постоянный коэффициент; f — частота поля; U — прило­женное напряжение; Uи — напряжение, соответствующее началу ионизации.

Формула (3-18) справедлива при U > Uи и линейной зависи­мости tg от Е. Ионизационное напряжение Uи зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью струк­туры, наблюдаются в слоистых диэлектриках, из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике в миканитах, микалексе и т. д.

Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и особенностей содержащихся в них компонентов не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь этого вида.