Диэлектрическая проницаемость, влияние факторов.

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 Q₀, 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 С₀ —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 i_ут — наблюдаемый ток утечки; U — приложенное напряжение; i_аб — 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, м²; 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 R_s — поверхностное сопротивление образца материала, Ом, между параллельно поставленными электродами шириной d, от| стоящими друг от друга на расстояние l.

Удельная поверхностная проводимость γ_s 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 τ₀ определяется из выражения

где U — напряжение на электродах конденсатора спустя время т после отключения его от источника напряжения; U₀ — напряжение, до которого был заряжен конденсатор (т = 0); R_m — сопротивление изоляции (сопротивление сквозному току); С — емкость конденсатора.

Легко показать, что

Величину τ₀ 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.

<12 3 4 5 6 7 >

Дата добавления: 2015-12-10; просмотров: 12919;