Файл: 111111100010010010.docx

Ионно-релаксационная поляризация

Наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов. В этом случае слабо связанные ионы вещества под действием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля. Время установления лежит в пределах 10^-13 -10^-8 с. Графики зависимости ε' от частоты и температуры показаны на рис.8.

Сначала с увеличением температуры увеличивается количество ионов, участвующих в ионизации, что облегчает поляризацию и ε' растет. Затем, уменьшается число молекул в единице объема, увеличиваются хаотические колебания, ε' падает. Затем, ε' опять может возрастать в связи с появлением новых видов поляризации. Максимум ε' наблюдается в области отрицательных температур при низких частотах. К веществам, у которых преобладает этот вид поляризации, относятся некоторые сорта керамики.

Дипольно-релаксационная поляризация

Заключается в частичном ориентировании полярных молекул вещества под действием электрического поля, а также в упругом смешении зарядов внутри молекул. Связана с тепловыми колебаниями частиц. Характерна для полярных газов и жидкостей, а также для твердых полярных органических диэлектриков, но в этом случае поляризация обусловлена не поворотом самой молекулы, а поворотом в ней полярных радикалов по отношению к молекуле. Такую поляризацию также называют дипольно-радикальной. Этот вид поляризации характерен для полиамидных, эпоксиальных, фенолоформальдегидных, полиэфирных, органических смол, фторопласта-3, полихлорвинила, целлюлозы и ее производных. Время установления лежит в пределах 10^-13-10^-8с. Зависимости ε' от частоты и температуры такие же, как показанные на рис.8. При отрицательных температурах в зависимости имеется максимум. С увеличением частот максимум перемещается в область положительных температур.

Структурная поляризация

Проявляется в твердых диэлектриках с неоднородной структурой при наличии макроскопических неоднородностей и примесей. Заметна на низких частотах и связана со значительными потерями энергии. Отдельные области диэлектрика- с разной проводимостью ведут себя как большие полярные молекулы. В электрическом поле свободные носители заряда перемещаются в пределах каждой области. С увеличением частоты ε' падает (рис.9), т.к. области не успевают переориентироваться. По графику ε'=f(f) можно судить о степени неоднородности диэлектрика. Время установления лежит в пределах от сотых долей секунды до нескольких часов. Характерна для бумаги, пропитанной головаксом, текстолита, гетинакса

Резонансные виды поляризации

Наблюдаются на частотах, совпадающих с собственной частотой колебаний электронов и ионов. Характерные зависимости ε’ и ε’’ показаны на рис.10.

На резонансной частоте поглощение энергии максимально, т.е. эти виды поляризации хотя и мгновенные, но с потерями.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация связана с образованием в ряде веществ при определенной температуре группировок ионов, обладающих большим электрическим моментом. Поляризованность нелинейно зависит от напряженности внешнего электрического поля. Поляризация сопровождается значительными потерями энергии. Спонтанной поляризацией обладают сегнетоэлектрики.

5. Диэлектрические потери и пробой диэлектриков

5.1. Виды диэлектрических потерь

Различают следующие виды потерь энергии в диэлектрике:

- потери, обусловленные сквозной проводимостью;

- потери, связанные с поляризацией.

- потери на ионизацию воздушных включений.

- потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Потери на сквозную проводимость значительны у материалов высокой объемной и поверхностной проводимостью. Если конденсатор с потерями представить параллельной, схемой замещения, состоящей из емкости С и сопротивления R_ИЗ, то

tgδ

Мощность потерь

P_a=I_aU=

Видно, что tgδ обратно пропорционален частоте, а мощность потерь от частоты не зависит.

С другой стороны, т.к. C= (S-площадь обкладок, d - толщина диэлектрика), то

tg=,где

Y_скв- удельная сквозная проводимость.

Чем больше Y_скв и меньше ε’, тем больше tgδ. Для хороших диэлектриков потерями на сквозную проводимость можно пренебречь уже на частотах

1-100 кГц.

Температурные зависимости tgδ и Р_а описываются выражениями:

tgδ=

где: А, В, b, с, - постоянные коэффициенты, зависящие от материала. Видно, что и tgδ и P_a с ростом температуры возрастают, что связано с уменьшением R_из.

Так как tg= для потерь на поляризацию, то общую частотную зависимость ε’ и ε’’ для диэлектриков удобнее представлять в виде, приведенном на рис.1.

Здесь: ∆ε'_стр приращение ε' за счет структурной поляризации;

∆ε'_рел - приращение ε' за счет релаксационных видов поляризации;

∆ε'_э и ∆ε'_и - приращение ε' за счет ионной и электронной поляризаций.

При совпадении частоты сигнала с частотой собственных колебаний частиц вещества наблюдается интенсивное поглощение энергии электрического поля. Потери и tg= возрастают с частотой в каждом пике до тех пор, пока поляризация успевает следовать за смещением поля. Чем больше частота f, тем больше число переориентаций диполя, тем больше tgδ и Р_а.

Когда частицы не успевают ориентироваться за полем, ε'', tgδ падает, а мощность потерь становится постоянной (P_a = U²ωC_*tgδ, ω – растет, tgδ

– падает, P_a = const). Это показано на рис. 2.

В температурных зависимостях tgδ и Р_а имеется максимум. Например, для силикатного стекла и бумаги такие зависимости показаны на рис. 3

Графики, приведенные на рис.1, можно использовать для ориентированного предсказания частотных характеристик диэлектриков. Например, для полиэтилена, имеющего только электронный вид поляризации, зависимость ε' и ε" от частоты будут иметь вид, показанный на рис.4

Рис.4

Для бумаги, у которой вероятна структурная дипольно-релаксационная и электронная поляризации эти же зависимости будут такими, как показано на рис. 5.

Потери в диэлектриках с неоднородной структурой зависят от степени и характера неоднородности. В частотной зависимости tgδ также имеется максимум, а в температурной зависимости tgδ может быть несколько максимумов. Например, для бумаги, пропитанной масляно-канифольным компаундом в зависимости tgδ от температуры имеется два максимума, первый (-60°С) характерен для бумаги, второй (60°С) характерен для компаунда.

Потери на ионизацию воздушных включений в твердом диэлектрике возникают при высоких напряжениях, когда начинается их ионизация. При увеличении напряжения tgδ сначала возрастает, а затем уменьшается, когда все молекулы уже ионизированы.