Файл: Исследование температурной зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь электроизоляционных материалов.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.12.2023
Просмотров: 235
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
I. Цель работы.1. Ознакомиться с методикой определения диэлектрической проницаемости ε и tgδэлектроизоляционных материалов.2. Исследовать зависимость ε и tgδот температуры диэлектриков с различными видами поляризации.II. Краткие теоретические сведения.Важнейшим свойством диэлектриков является их способность поляризоваться под действием внешнего электрического поля. Процесс поляризации сводится к смещению (иногда к повороту) электрических зарядов на ограниченное расстояние (положительные заряды смещаются в направлении поля, отрицательные - против поля), что сопровождается образованием на поверхности или в объеме диэлектрика связанных электрических зарядов и возникновением наведенного электрического момента. По окончании действия сил электрического поля заряды возвращаются в исходное состояние, и наведенный момент исчезает. На способности электроизоляционных материалов поляризоваться, т.е. накапливать заряды, основано применение их в качестве рабочих диэлектриков конденсаторов. Способность диэлектриков к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью или сокращенно диэлектрической проницаемостью ε. ε – отношение количества заряда Q, полученного при некотором напряжении на обкладках конденсатора, изготовленного из данного диэлектрика, к количеству зарядов Qo, которое можно получить при том же напряжении и тех же размерах, если между электродами находится вакуум, т.е. (1)Так как Q = UC и Qo = UC0,где: C – емкость конденсатора с данным диэлектриком;C0 – емкость вакуумного конденсатора;U – напряжение на обкладках конденсатора, (2)Диэлектрическую проницаемость какого-либо вещества можно определить и как число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора, если, не изменяя размеров и форм конденсатора, заполнить его веществом.При заданных геометрических размерах и форме конденсатора его емкость прямо пропорциональная значению ε диэлектрика. Так емкость плоского конденсатора с толщиной диэлектрика hи площадью обкладок по Sс каждой стороны в системе СИ выражается формулой:(3)где: h–выражено в метрах; S–в квадратных метрах; ε0
– электрическая постоянная в Ф/м.
Электрическая постоянная ε0 характеризует электрическое поле в условиях отсутствия его взаимодействия с веществом; она равна отношению суммарного электрического заряда, заключенного внутри замкнутой поверхности в пустоте, к потоку вектора напряженности электрического поля сквозь эту поверхность:
[Ф/м] (4)
где с=2,998∙108 м/с – фазовая скорость распространения электромагнитных волн в пустоте. Так как с весьма близка к 3∙108 м/с
[Ф/м] (5)
Численно в единицах СИ εo = 8,854∙10-12 Ф/м = 8,854 пФ/м.
Произведение εoε называется абсолютной диэлектрической проницаемостью диэлектрика, ее размерность Ф/м.
Величина относительной диэлектрической пронициаемости ε безразмерна, больше единицы и сохраняет свое значение независимо от выбранной системы единиц и формы записи уравнений.
Диэлектрическая проницаемость материала зависит от его структуры и состава, от частоты поля, температуры, влажности и других факторов. Для оценки зависимости ε диэлектриков от температуры указываются температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости:
(6)
Для изготовления термостабильных конденсаторов применяются материалы с малым значением ТКε = (-50 – +30) 10-5 1/град. Высокие значения ТКε у тикондов (-700 – - 1400) 10-6 1/град используются для компенсирующих конденсаторов.
Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры определяется преобладающим видом поляризации в диэлектрике и различна для диэлектриков с различными видами поляризации.
Вид поляризации диэлектриков определяется его составом и структурой. Различают много видов поляризации, основными из которых являются следующие:
1. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием сил электрического поля. При этом образуется «упругий» диполь (в отличие от «жесткого диполя», который существует в полярных диэлектриках до введения их в электрическое поле), и возникает дипольный наведенный момент, рис. 1. Время релаксации, т.е. время установления поляризации, чрезвычайно мало (порядка 10
-15 - 10-14 с), сравнимое с периодом световых колебаний. Поэтому электронную поляризацию относят к мгновенным видам поляризации, происходящим без диэлектрических потерь, так как электрическая энергия, которая требуется для поляризации, полностью возвращается источнику электрической энергии после снятия напряжения.Электронная поляризация происходит во всех атомах или ионах, и таким образом, независимо от возможного наличия в диэлектрике других видов поляризации наблюдается во всех диэлектриках.а) б)Рис. 1. Схема электронной поляризации:а). атомы в отсутствие электрического поля;б). деформированные атомы при воздействии электрического поля.В чистом виде без наложения на нее других видов поляризации, электронная поляризация наблюдается в неполярных (нейтральных) диэлектриках, т.е. в диэлектриках, состоящих из неполярных молекул. Неполярной является молекула, в которой центры тяжести всех положительных и отрицательных зарядов совпадают.Так, одноатомные молекулы (Не, Ne, Аr, Кr, Хe) и молекулы, состоящие из двух одинаковых атомов, соединенных друг с другом ковалентной связью (Н2, С12и др.) неполярны, потому что электронное облако равномерно между атомами этих молекул. Связь углерода с другими атомами в большей или меньшей степени полярна, так как электронное облако смещается в сторону более электроотрицательного атома, т.е. заряды между атомами распределяются неравномерно, и возникает полярная ковалентная связь. Предельный случай ковалентной полярной связи – ионная связь (например, у NaCl). Полярность связи или молекулы характеризуется дипольным моментом, который равен произведению элементарного заряда qна расстояние между центрами тяжести всех положительных и всех отрицательных зарядов l: μ = ql. Например, дипольный момент связи С – Н равен 0,2 Дебая, у связи С – N - 0,4 Дебая, у связи С – О - 0,9 Дебая, у связи С – С1 - 1,83 Дебая, у связи С– F - 2,25 Дебая и т.д.Дебай – единица электрического момента, равная 10-18 СГСЭ единиц электрического момента. Обычно q – порядка 10-18 СГСЭ единиц электрического заряда, l – порядка 10-8 см, μ молекул полярных веществ порядка 10-8 – 10-18 СГСЭ единиц электрического момента. При переводе в систему СИ 1 дебай = 3,333∙10
-30 Кл∙м.Молекула органического вещества является неполярной в случае симметрического расположения атомов или группы атомов по отношению к атомам углерода, потому что в этом случае полярные моменты симметрично расположенных полярных связей компенсируются, и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы, и, следовательно, друг с другом, т.е. суммарный полярный момент симметрично построенной молекулы равен нулю. Например, связь С – F сильно полярна (пара электронов, образующая связь, ближе располагается к более электроотрицательному атому фтора), но молекула фторопласта–4, благодаря симметричному расположению атомов фтора относительно атомов углерода в целом нейтральна:Диэлектрическая проницаемость наряду с выше перечисленными факторами зависит от агрегатного состояния вещества.У газообразных диэлектриков (азот, воздух) из-за низкой плотности диэлектрическая проницаемость невелика, приблизительно равна 1.У жидких и твердых нейтральных диэлектриков, обладающих только электронной поляризацией, диэлектрическая проницаемость тоже невелика, приблизительно 2 – 2,5. У неполярных диэлектриков на процесс электронной поляризации температура не влияет, и электронная поляризация атомов, ионов от температуры не зависит. Однако величина диэлектрической проницаемости при электронной поляризации вещества уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа поляризующихся частиц в единице объема, т.е. TKε < 0 (Рис 5а).Из числа применяемых в электроизоляционной технике органических материалов практически неполярными являются полиэтилен, фторопласт–4, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, парафин, церезин, невулканизированный каучук, эскапон, нефтяные электроизоляционные масла и др.2. Дипольно-релаксационная поляризация заключается в ориентации, повороте дипольных молекул, дипольных групп цепи макромолекул под действием сил электрического поля. Этот вид поляризации наблюдается у полярных диэлектриков, т.е. диэлектриков, состоящих из полярных молекул. Полярными являются молекулы, в которых центры тяжести всех положительных и отрицательных зарядов не совпадают. В этом случае даже в отсутствие внешнего электрического поля молекула представляет электрический «жесткий» диполь с величиной электрического момента μ