Файл: РМ текст лекций.doc

Характер температурной зависимости ε-диэлектриков с различными видами поляризаций часто определяют с помощью температурного коэффициента диэлектрической проницаемости

ТКε=1/ε·(dε/dТ). (3.1.14)

Влияние давления на ε учитывается барическим коэффициентом ε

БКε=1/ε·(dε/dР). (3.1.15)

Для линейных диэлектриков БКε, как правило, положителен, так как при всестороннем сжатии диэлектрика увеличивается число способных поляризоваться молекул в единице объема. В некоторых полярных жидкостях в зависимости εот давления наблюдается максимум.

Увлажнение заметно увеличивает εгигроскопического диэлектрика, что в первую очередь можно объяснить высокими значениямиεводы (Э=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, εв большинстве случаев может считаться практически не зависящей от напряжения, приложенного к диэлектрику. Сильно выраженная зависимостьεот напряжения характерна для сегнетоэлектриков.

3.1.9 Диэлектрическая проницаемость смесей

На практике часто используются неоднородные композиционные диэлектрики, представляющие собой смеси двух или более различных веществ — компонентов смеси. К таким материалам относятся многие пластические массы, состоящие из связующего и наполнителей, керамические, волокнистые, пропитанные и непропитанные пористые материалы и т. п.

Для расчета эффективной ε* смеси положим, что отдельные компоненты не вступают друг с другом в химические реакции, т.е. смесь чисто физическая. Будем считать, что плоский конденсатор состоит из параллельно или последовательно соединенных однородных диэлектриков, как показано на рис. 3.1.8.

рис. 3.1.8

Обозначая через у₁и у₂доли объемного содержания (объемные концентрации) первого и второго компонента для рассмотренного случая будем иметь для параллельного соединения

ε*=у₁· ε₁+у₂· ε₂, (3.1.16)

для последовательного соединения

ε*= ε₁·ε₂/(у₁· ε₁+у₂· ε₂). (3.1.17)

Для расчета ε* статистической смеси (хаотической, неупорядоченной в пространстве) предложено большое число формул, из которых широкое применение имеет формула Лихтенеккера. Эта формула, носящая название логарифмического закона смешения, для смеси двух компонентов имеет вид

lg ε*=у₁·1g ε₁+у₂·1g ε₂, (3.1.18)

а для смеси ткомпонентов

Для вспененных материалов, (пенопластов, пенокерамики и др.), заполненных большим количеством мелких пор, из последней формулы, считая, что для газов ε=1, а плотность равна нулю, получается уравнение

1g ε*=d*/d_т·lgε_т(3.1.20)

где εт иdт диэлектрическая проницаемость и плотность сплошного, твердого диэлектрика, аε* иd*— диэлектрическая проницаемость и плотность вспененного материала.

3.2 Электропроводность диэлектриков

3.2.1 Зависимость тока от времени приложения постоянного напряжения

В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения 1см- за время около 10^-15с. В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — Iскв. В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции — Iабс, при чиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, Iскв устанавливается за время меньшее 1 мин. В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов.

Сквозной ток— Iскв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в таблице свободных носителей заряда различной природы.

Таблица 3.2.1

Вид диэлектрика	Носители заряда (область слабых полей)	Природа носителей заряда (происхождение)
Газообразные	Положительные и отрицательные ионы. В сильных полях также электроны	Ионизация молекул газа Главным образом ударная ионизация и фотоионизация молекул газа
Жидкие	Ионы Коллоидные заряженные частицы	Диссоциация молекул примесей (реже собственных молекул) Характерны для коллоидных растворов-эмульсий (коллоидные частицы -жидкость) и суспензий (взвешенное фаза-твердое вещество)
Твердые	Ионы Точечные дефекты кристаллической решетки, вакансии (пустые узлы), межузельные ионы Электроны проводимости или дырки в заполненной зоне	Диссоциация примесей или собственных молекул В диэлектриках с электронным элементом проводимости

3.2.2 Токи абсорбции

В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока Iабс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток 1скв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости Iскв. исключая токи абсорбции. Механизмы возникновения и уменьшения тока абсорбции показаны в табл. 3.2.2.

Таблица 3.2.2

N	Условия возникновения Iабс	Механизм или причина уменьшения проводимости
1	При ионной проводимости наличие блокирующих контактов с электродами (БК)	БК препятствуют прохождению носителей заряда через границу - электрод-диэлектрик или разряду носителей, подходящих из объема диэлектрика на границе с электродом
2	Неоднородная структура диэлектрика	Накопление заряда на границах раздела, что вызывает перераспределение электрического поля
3	Ионная или молионная проводимость в жидком ди- электрике	Необратимое удаление носителей заряда и разрядка их на электродах (электроочистка).
4	Инжекция электронов или дырок в диэлектрик	Захват носителей заряда на ловушки (дефекты решетки) и исключение их из процесса переноса тока
5	Наличие в диэлектрике замедленной поляризации	Установление релаксационной поляризации с течением времени

3.2.3 Общее выражение для удельной объемной электропроводности

В общем случае без учета природы носителей заряда для однородного и изотропного вещества объемная плотность тока будет пропорциональна напряженности поля Е

j=γ_v·Е, (3.2.1)

где γ_v— удельная объемная проводимость вещества. Эта формула представляет собой закон Ома в дифференциальной форме.

Для оценки параметров диэлектриков обычно используют величину обратную γ_v— удельное объемное сопротивление

ρ_v=1/γ_v. (3.2.2).

Плотность тока можно выразить также как произведение n·q на v, где n-концентрация носителей заряда, q—величина заряда, а v — средняя скорость носителей заряда вдоль направления Е.Из сравнения (3.2.1) и (3.2.3) получим

γ_v =n·q·v/E. (3.2.4)

Отношение v к Е называется подвижностью носителей заряда

μ=v/e. (3.2.5)

С учетом (3.2.4) получим

γ_v =n·q·μ (3.2.6)

Для диэлектрика плоского конденсатора с поперечным сечением S, равным площади каждого электрода и толщиной диэлектрика d, (расстояние между электродами)

ρ_v=R·S/d. (3.2.7)

В системе СИ рассмотренные в формулах параметры выражаются в следующих единицах: j—А/м², Е—В/м,n-м^-3, q—Кл, v—м/с, μ—м²/В·с, ρ— Ом-м, γ—1/Ом·м=См/м.

3.2.4 Поверхностное сопротивление твердых диэлектриков

Если на поверхность диэлектрика нанести полоски электродов шириной “в”, разместив их на расстоянии “а” друг от друга, то удельное поверхностное сопротивление ρ_sбудет пропорционально поверхностному сопротивлениюR_s, “в” и обратно пропорционально “а”, т. е.ρ_s=R_s·b/a.ρ_s- твердых диэлектриков является параметром диэлектрика и зависит от природы диэлектрика, температуры, влажности, приложенного напряжения. Характер этих зависимостей то влажности в общем случае сходен с аналогичными зависимостями дляρ_v·ρ_s-диэлектриков и связан с величиной краевого угла смачивания и твердостью диэлектрика. Чем меньше краевой угол и выше твердость, тем нижеρ_sувлажненного диэлектрика. Сильно увлажняются полярные и пористые диэлектрики. При нагревании увлажненной изоляцииρ_sтаких материалов может расти с повышением температуры с последующим спадом после высушивания. При низких температурах ps высушенного материала имеет значительно более высокие значения (на 6-7 порядков выше). Для увеличения значенияρ_s-диэлектриков пользуются различными приемами: промывкой в кипящей дистиллированной воде или растворителях, прогреванием до достаточно высокой температуры, покрытием поверхности влагостойкими лаками, глазурями, размещением изделий в защитных корпусах и оболочках и т.п.