Файл: 111111100010010010.docx

С увеличением влажности окружающей среды удельное поверхностное сопротивление падает тем сильнее, чем лучше материал растворяется в воде, чем больше он загрязнен.

Присутствие загрязнений на поверхности мало сказывается на электропроводности гидрофобных (не смачиваемых водой) диэлектриков и сильно влияет на электропроводность гидрофильных (смачиваемых водой) диэлектриков.

4. Свойства диэлектриков в переменных полях

4.1. Комплексная диэлектрическая проницаемость,

Тангенс угла потерь

Поместим линейный однородный диэлектрик между обкладками плоского конденсатора, находящегося под напряжением U=Um_*e ^jωt, где Um - амплитуда напряжения, ω - круговая частота, t - текущее время (рис.1).

Такой конденсатор можно представить схемой замещения (рис.2).

Схема замещения не отражает сути физических процессов, происходящих в диэлектрике, и введена условно. Этот рисунок является схемой замещения конденсатора, если ее реакция на воздействие внешнего напряжения такая же, как у самого конденсатора, т.е. одинаковы частотные характеристики, равны углы сдвига фаз между током и напряжением, равны запасаемые и теряемые энергии. Емкость С характеризует запасаемую электрическую энергию в конденсаторе, сопротивление R - потери энергии в диэлектрике, идущее на его нагрев. Предположим, что потери на сквозную проводимость и потери в обкладках конденсатора отсутствуют. Построим векторную диаграмму токов и напряжения в реальном конденсаторе (рис.3).

Реактивный ток I_Р опережает напряжение U на четверть периода (90^о), причем

I_p=I_c0++I_МГ_H,

I_c₀- емкостной ток через конденсатор при отсутствии диэлектрика между его обкладками; I_МГ_H_и - токи мгновенной и медленной поляризаций, связанные с запасаемой энергией.

Активный ток I_a=, где- составляющая абсорбционного тока, связанная с теряемой энергией.

Ток через конденсатор I = I_me ^{j(ω
t + φ)}, где Im - амплитуда тока;φ – угол сдвига фаз между током I и напряжением U; δ – угол потерь, дополняющий угол φ до 90°.

Закон Ома для параллельной схемы замещения

I = U*

Для диэлектриков в переменных полях вводят понятие комплексной диэлектрической проницаемости ˙ j, где εдействительная часть ˙, причем, C₀– емкость вакуумного конденсатора, ε– мнимая составляющая ˙.

Тогда

I=U (+jC₀) = jC₀U( jC₀U(j

Отсюда

I_a =C₀U, Ip =C₀U

Из рис.3 видно, что

tgδ=

Запасаемая мощность

P_p=UI_p=U²wC, тогда tg δ =

Отсюда видно, что потери мощности важно учитывать на высоких частотах, особенно при больших рабочих напряжениях. Если существует сквозная активная проводимость, то на диаграмме к току I’_абс следует добавить I_скв (ток сквозной) и tgδ будет большим.

4.2. Виды поляризации диэлектриков

Различают следующие виды поляризации диэлектриков:

-- деформационные - упругий сдвиг зарядов друг относительно друга под воздействием электрического поля, не сопровождается потерями энергии; это электронная и ионная поляризации;

-- релаксационные - связаны с тепловыми колебаниями электронов, ионов или с поворотом полярных молекул в электрическом поле; сопровождаются потерями энергии; это электронно-релаксационная, ионно-релаксационная, дипольно-релаксационная поляризации;

-- с особым механизмом, связаны с потерями энергии; это структурная, спонтанная и резонансные поляризации.

Электронная поляризация – упругое смещение и деформация оболочек атомов и ионов под действием внешнего электрического поля (рис.4).

Наблюдается у всех диэлектриков без исключения. Время установления равно 10^-15-10^-14с. Проявляется на частотах 10¹⁴-10¹⁶ Гц. Величина относительной диэлектрической проницаемости вещества только с этим видом поляризации численно равна квадрату показателя преломления света, т.е.

ε = n²

К числу диэлектриков, у которых наблюдается только электронная поляризация, относятся следующие: кислород, азот, метан, трансформаторное масло, четыреххлористый водород (жидкость), толуол, бензол, парафин, церезин, полиэтилен, полиизобутилен, полипропилен, натуральный каучук, эскапон, полистирол, фторопласт-4.

Графики зависимости ε’ от частоты и температуры приведены на рис.5

Для веществ с чисто электронной поляризацией

ε nα_э

где: n - число атомов или ионов в единице объема;

α_Э - электронная поляризуемость одного атома или иона.

При этом α_Э не зависит от температуры. Некоторое уменьшение ε’ с ростом температуры связано с уменьшением числа частиц в единице объема. Наиболее резкое снижение ε’ наблюдается при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Ионная поляризация

Характерна для твердых тел с ионным строением и плотной упаковкой ионов. Выражается в упругом смещении ионов в электрическом поле. Время установления лежит в пределах 10^-12 -10^-13 с. Поляризуемость одного иона

αu=

где: q - заряд иона; ν - коэффициент упругой связи между ионами.

Диэлектрическая проницаемость

ε’=1 n(α_э+α_u).

Графики зависимостей ε’ от частоты и температуры представлены на рис.6

С увеличением температуры ν уменьшается и α_u увеличивается, поэтому ε' возрастает. Исключение составляет рутил (TiO₂), у которого α_э > α_u с ростом температуры ε' уменьшается.

К диэлектрикам, у которых превалирует ионная поляризация, относятся следующие: KCl; NaCl; CaCO₃; PbO; Al₂O₃

Электронно-релаксационная поляризация

Возникает за счет ориентации возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или «дырок». Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: TO₂ с примесями Nb, Ca, Ba, Ti; ряда соединений на основе оксидов металлов с переменной валентностью (Nb, Bi, Ti, V, Fe). Величина ε’ очень высока, в ее температурной зависимости имеется максимум, главным образом, в области отрицательных температур. Время установления лежит в пределах 10^-13-10^-8 с. Графики зависимости ε' от частоты и температуры показаны на рис.7.

Рис.7