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: 94
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
= ql, где q–суммарный положительный (или численно равный ему суммарный отрицательный) электрический заряд молекулы, l – плечо диполя (рис. 2).
Рис. 2. Схема полярной молекулы.
Такими полярными молекулами являются несимметричные молекулы, например, молекулы полихлорвинила:
,
в которых сильно полярная связь С – С1 располагается в пространстве напротив слабо полярной связи С – Н, в результате полярные моменты этих связей не компенсируются, и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Дипольные молекулы находятся в хаотическом тепловом движении, под действием внешнего электрического поля они частично ориентируются, стремясь расположиться вдоль силовых линий поля, создавая тем самым эффект поляризации (рис. 3). При снятии внешнего электрического поля поляризация нарушается беспорядочным тепловым движением молекул.
Дипольная поляризация происходит гораздо медленнее, чем электронная. Время установления и нарушения поляризации 10-10 сек и больше, т.е. это время может быть того же порядка, что и время полупериода релаксационной поляризации полярной молекулы:
Рис. 3. Схема дипольно-релаксационной поляризации полярной молекулы:
а) положение молекулы до поляризации,
б) положение молекулы после поляризации.
Поскольку дипольная поляризация по самой своей природе связана с тепловым движением молекул (она устанавливается в процессе теплового движения и посредством теплового движения молекул, поэтому называется также тепловой поляризацией), – на явление дипольной поляризации должна оказывать существенное влияние температура. С увеличением температуры ослабляются молекулярные силы, уменьшается вязкость вещества, что должно усиливать дипольно-релаксационную поляризацию; однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее действие поля. Поэтому диэлектрическая проницаемость с повышением температуры сначала возрастает, пока ослабление молекулярных сил оказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения, а затем падает, когда тепловое движение нарушает ориентацию молекул (рис. 5б).
При повороте диполей в направлении поля преодолевается некоторое сопротивление, поэтому дипольно–релаксационная поляризация связана с диэлектрическими потерями (т.е. потерями электрической энергии на выделение тепла).
Дипольно–релаксационная поляризация свойственна полярным газам и жидкостям, она наблюдается также в твердых полярных органических диэлектриках, но в этом случае происходит не поворот целых молекул, а поворот имеющихся в них полярных групп (радикалов) по отношению к молекуле. Поэтому эту поляризацию называют также дипольно–радикальной.
Полярными органическими диэлектриками, имеющими помимо электронной поляризации дипольно–радикальную, являются: поливинилхлорид, полиметилметакрилат (оргстекло), трифторхлорэтилен, полиэтилентерефталат (лавсан), полиамиды (капрон, нейлон и др.), полиуританы, поликарбонаты, полиимиды, феноло-формальдегидные смолы, карбамидо-формальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др.
3. Ионная поляризация – это смещение упруго связанных ионов на расстояние меньше постоянной решетки под действием электрического поля (рис. 4). Этот вид поляризации характерен для твердых неорганических кристаллических диэлектриков с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, алюминооксид А12О3, поликор – керамика на основе А12Оз, рутил – ТО2).
а б
Рис. 4. Схема ионной поляризации. Упругое смещение ионов из узлов кристаллической решетки:
а) положение ионов в узлах кристаллической решетки в отсутствие электрического поля;
б) смещение ионов из узлов кристаллической решетки на небольшие расстояния при воздействии электрического поля.
Время установления поляризации 10-13 – 10-12 с, т.е. эта поляризация как и электронная, относится к мгновенным видам поляризации и происходит без диэлектрических потерь. Ионная поляризация накладывается на электронную. Диэлектрическая проницаемость для материалов с ионной поляризацией порядка 5–10 (слюда, кварц), а у некоторых титансодержащих диэлектриков она доходит до 150 (например, кристаллы рутила – ТiО2 , титаната кальция – CaO×TiO2 и керамические материалы – тиконды, в состав которых входит TiO2). Такое высокое значение диэлектрической проницаемости объясняется тем, что при ионном смещении создается добавочное внутреннее поле, направленное в решетке рутила по внешнему полю, а также тем, что ионы кислорода обладают большой электронной поляризуемостью.
Величина ионной поляризации с повышением температуры возрастает
, так как при тепловом расширении увеличиваются расстояния между ионами и, следовательно, ослабляются упругие силы связи между ионами, что облегчает их смещение под действием электрического поля. Поэтому у большинства неорганических диэлектриков кристаллического строения с ионной поляризацией при повышении температуры увеличение диэлектрической проницаемости за счет возрастания ионной поляризуемости сильнее, чем уменьшение ε вследствие снижения плотности диэлектрика (т.е. TKε > 0, рис.5 а).
Однако большинство кристаллических неорганических диэлектриков, содержащих ионы титана (тиконды), имеют TKε < 0, потому что преобладающим видом поляризации в них является не ионная, а электронная поляризация.
4. Ионно–релаксационная поляризация заключается в перебросе слабосвязанных ионов на расстояния, превышающие постоянную решетки под действием внешнего электрического поля. Локальные тепловые перемещения слабо связанных ионов создают асимметрию распределения электрических зарядов в диэлектрике и, следовательно, создают электрический момент в единице объема.
После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия, и поляризация постепенно ослабевает, т.е. этот вид поляризации относится (как и дипольная поляризация) к замедленным релаксационным поляризациям, при которых происходит необратимое рассеяние электрической энергии в виде тепла, т.е. диэлектрические потери. Ионно–релаксационная поляризация связана с рыхлостью структуры вещества и наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, к числу которых относятся в основном аморфные неорганические диэлектрики (неорганические стекла, некоторые керамические материалы, содержащие большое количество аморфной фазы, например, электрофарфор, радиофарфор) , а так же кристаллические неорганические вещества (например, муллит – кристаллическая фаза керамики). Ионно–релаксационная поляризация в таких диэлектриках накладывается на электронную и ионную поляризации, значение диэлектрической проницаемости в среднем от 5 до 20. Для материалов с ионно–релаксационной поляризацией ТКε > 0 (рис.5в).
Рис. 5. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для диэлектриков с преобладающей поляризацией:
а) электронной
б) дипольно-релаксационной
в) ионной или ионно–релаксационой.
5. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация
- это поляризация диэлектрика, возникающая в отсутствие внешнего электрического поля. Она характерна для твердых кристаллических диэлектриков с неплотной упаковкой ионов. Диэлектрики со спонтанной поляризацией называются сегнетоэлектриками (неорганические диэлектрики – сегнетова соль, титанаты бария, стронция, кадмия, свинца, цирконат свинца и др.), а также органические вещества – триглицинсульфат и другие. Сегнетоэлектрики являются нелинейными диэлектриками, так как у них в отличие от линейных диэлектриков, для которых поляризуемость прямо пропорциональна напряженности электрического поля, a ε не зависит от напряженности электрического поля, существует резко выраженная зависимость ε от напряженности электрического поля, а поляризуемость при некотором значении напряженности внешнего поля достигает насыщения.
Спонтанная поляризация возможна в сегнетоэлектриках только до определенной для каждого материала температуры, называемой точкой Кюри (ТK), выше которой материал теряет свои сегнетоэлектрические свойства.
В сегнетоэлектриках возможно смещение ионов относительно друг друга из-за неплотности их упаковки. Например, у титаната бария (ВаТЮз) выше ТК кристаллическая решетка кубическая, а ион титана находится в центре куба, т.е. на одинаковом расстоянии от ионов кислорода, расположенных в центре граней куба (рис. 6). Поскольку расстояние между центрами ионов в ячейке больше суммы их радиусов, ион титана имеет некоторую свободу перемещения в пространстве между ионами кислорода.
При высоких температурах (выше ТK) интенсивность теплового движения достаточна для переброса иона титана от одного иона кислорода к другому, и нахождение иона титана вблизи каждого из них равновероятно. Среднее положение иона титана совпадает с центром симметрии ячейки, и средняя величина электрического момента каждой ячейки вследствие ее симметрии равна нулю.
Рис. 6. Элементарная кристаллическая ячейка титаната бария при температуре выше точки Кюри.
При температуре ниже точки Кюри энергия теплового движения недостаточна для переброса иона титана между окружающими его ионами кислорода, и ион титана смещается относительно какого-либо иона кислорода, создавая дипольный момент, так как нахождение иона титана вблизи одного из ионов кислорода нарушает симметрию расположения заряженных частиц в элементарной ячейке. Кристаллическая ячейка вытягивается в направлении смещения иона титана, переходя в тетрагональную форму без центра симметрии (рис. 7). Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек приводит к тому, что смещение ионов титана происходит в них согласовано, в одном направлении, а это приводит к образованию доменов - областей с самопроизвольной поляризацией при отсутствии внешнего электрического (смещение иона титана к одному из ионов кислорода). поля.
Рис. 7. Изменение структуры ячейки титаната бария ниже точки Кюри.
В каждом домене направления дипольных моментов ячеек одинаковые; сами домены расположены хаотично, т.е. имеют разные направления дипольных моментов, поэтому суммарный дипольный момент сегнетоэлектрика в отсутствие внешнего поля равен нулю (рис. 8).
Рис. 8. Доменное строение сегнетоэлектриков в отсутствии
внешнего электрического поля.
При введении сегнетоэлектриков в электрическое поле происходит ориентация электрических моментов доменов в направлении поля, что ведет к накоплению большого количества зарядов на обкладках конденсатора. Ориентация электрических моментов доменов над действием внешнего поля происходит в результате смещения ионов в каждом домене, что приводит к соответствующему изменению направления спонтанного момента домена.
Спонтанная поляризация имеет замедленный характер и связана с большими диэлектрическими потерями. Спонтанная поляризация накладывается на электронную, ионную, ионно-релаксационную поляризации, ε при этом имеет большое значение (тысячи и десятки тысяч).
Температурная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков имеет максимум в точке Кюри (рис. 9). Выше этой точки меняется кристаллическая структура, исчезают домены и сегнетоэлектрические свойства, т.е. сегнетоэлектрик переходит в линейный диэлектрик.
Рис. 9. Зависимость ε от температуры для сегнетоэлектриков
Ш. Описание лабораторной работы и порядок ее выполнения.
Для определения диэлектрической проницаемости наибольшее распространение получили мостовые методы, используемые в измерении при постоянном или переменном напряжении низкой частоты, и резонансные методы, применяемые на высоких частотах. На высоких частотах мостовые схемы могут быть применены при условии тщательного экранирования и предварительно уравновешивания моста с целью устранения влияния паразитных емкостей и собственных индуктивностей элементов моста. Резонансные схемы применяются от нескольких десятков килогерц до, примерно, 200 МГц. При измерении этими методами диэлектрик снабжается электродами, и измеряется емкость полученного конденсатора, затем по емкости находят ε в случае плоских электродов по формуле, которую можно получить из формулы (3), подставив в нее значение s
Рис. 2. Схема полярной молекулы.
Такими полярными молекулами являются несимметричные молекулы, например, молекулы полихлорвинила:
,в которых сильно полярная связь С – С1 располагается в пространстве напротив слабо полярной связи С – Н, в результате полярные моменты этих связей не компенсируются, и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Дипольные молекулы находятся в хаотическом тепловом движении, под действием внешнего электрического поля они частично ориентируются, стремясь расположиться вдоль силовых линий поля, создавая тем самым эффект поляризации (рис. 3). При снятии внешнего электрического поля поляризация нарушается беспорядочным тепловым движением молекул.
Дипольная поляризация происходит гораздо медленнее, чем электронная. Время установления и нарушения поляризации 10-10 сек и больше, т.е. это время может быть того же порядка, что и время полупериода релаксационной поляризации полярной молекулы:
Рис. 3. Схема дипольно-релаксационной поляризации полярной молекулы:
а) положение молекулы до поляризации,
б) положение молекулы после поляризации.
Поскольку дипольная поляризация по самой своей природе связана с тепловым движением молекул (она устанавливается в процессе теплового движения и посредством теплового движения молекул, поэтому называется также тепловой поляризацией), – на явление дипольной поляризации должна оказывать существенное влияние температура. С увеличением температуры ослабляются молекулярные силы, уменьшается вязкость вещества, что должно усиливать дипольно-релаксационную поляризацию; однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее действие поля. Поэтому диэлектрическая проницаемость с повышением температуры сначала возрастает, пока ослабление молекулярных сил оказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения, а затем падает, когда тепловое движение нарушает ориентацию молекул (рис. 5б).
При повороте диполей в направлении поля преодолевается некоторое сопротивление, поэтому дипольно–релаксационная поляризация связана с диэлектрическими потерями (т.е. потерями электрической энергии на выделение тепла).
Дипольно–релаксационная поляризация свойственна полярным газам и жидкостям, она наблюдается также в твердых полярных органических диэлектриках, но в этом случае происходит не поворот целых молекул, а поворот имеющихся в них полярных групп (радикалов) по отношению к молекуле. Поэтому эту поляризацию называют также дипольно–радикальной.
Полярными органическими диэлектриками, имеющими помимо электронной поляризации дипольно–радикальную, являются: поливинилхлорид, полиметилметакрилат (оргстекло), трифторхлорэтилен, полиэтилентерефталат (лавсан), полиамиды (капрон, нейлон и др.), полиуританы, поликарбонаты, полиимиды, феноло-формальдегидные смолы, карбамидо-формальдегидные смолы, эпоксидные смолы и др.
3. Ионная поляризация – это смещение упруго связанных ионов на расстояние меньше постоянной решетки под действием электрического поля (рис. 4). Этот вид поляризации характерен для твердых неорганических кристаллических диэлектриков с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, алюминооксид А12О3, поликор – керамика на основе А12Оз, рутил – ТО2).
а б
Рис. 4. Схема ионной поляризации. Упругое смещение ионов из узлов кристаллической решетки:
а) положение ионов в узлах кристаллической решетки в отсутствие электрического поля;
б) смещение ионов из узлов кристаллической решетки на небольшие расстояния при воздействии электрического поля.
Время установления поляризации 10-13 – 10-12 с, т.е. эта поляризация как и электронная, относится к мгновенным видам поляризации и происходит без диэлектрических потерь. Ионная поляризация накладывается на электронную. Диэлектрическая проницаемость для материалов с ионной поляризацией порядка 5–10 (слюда, кварц), а у некоторых титансодержащих диэлектриков она доходит до 150 (например, кристаллы рутила – ТiО2 , титаната кальция – CaO×TiO2 и керамические материалы – тиконды, в состав которых входит TiO2). Такое высокое значение диэлектрической проницаемости объясняется тем, что при ионном смещении создается добавочное внутреннее поле, направленное в решетке рутила по внешнему полю, а также тем, что ионы кислорода обладают большой электронной поляризуемостью.
Величина ионной поляризации с повышением температуры возрастает
, так как при тепловом расширении увеличиваются расстояния между ионами и, следовательно, ослабляются упругие силы связи между ионами, что облегчает их смещение под действием электрического поля. Поэтому у большинства неорганических диэлектриков кристаллического строения с ионной поляризацией при повышении температуры увеличение диэлектрической проницаемости за счет возрастания ионной поляризуемости сильнее, чем уменьшение ε вследствие снижения плотности диэлектрика (т.е. TKε > 0, рис.5 а).
Однако большинство кристаллических неорганических диэлектриков, содержащих ионы титана (тиконды), имеют TKε < 0, потому что преобладающим видом поляризации в них является не ионная, а электронная поляризация.
4. Ионно–релаксационная поляризация заключается в перебросе слабосвязанных ионов на расстояния, превышающие постоянную решетки под действием внешнего электрического поля. Локальные тепловые перемещения слабо связанных ионов создают асимметрию распределения электрических зарядов в диэлектрике и, следовательно, создают электрический момент в единице объема.
После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия, и поляризация постепенно ослабевает, т.е. этот вид поляризации относится (как и дипольная поляризация) к замедленным релаксационным поляризациям, при которых происходит необратимое рассеяние электрической энергии в виде тепла, т.е. диэлектрические потери. Ионно–релаксационная поляризация связана с рыхлостью структуры вещества и наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов, к числу которых относятся в основном аморфные неорганические диэлектрики (неорганические стекла, некоторые керамические материалы, содержащие большое количество аморфной фазы, например, электрофарфор, радиофарфор) , а так же кристаллические неорганические вещества (например, муллит – кристаллическая фаза керамики). Ионно–релаксационная поляризация в таких диэлектриках накладывается на электронную и ионную поляризации, значение диэлектрической проницаемости в среднем от 5 до 20. Для материалов с ионно–релаксационной поляризацией ТКε > 0 (рис.5в).
Рис. 5. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для диэлектриков с преобладающей поляризацией:
а) электронной
б) дипольно-релаксационной
в) ионной или ионно–релаксационой.
5. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация
- это поляризация диэлектрика, возникающая в отсутствие внешнего электрического поля. Она характерна для твердых кристаллических диэлектриков с неплотной упаковкой ионов. Диэлектрики со спонтанной поляризацией называются сегнетоэлектриками (неорганические диэлектрики – сегнетова соль, титанаты бария, стронция, кадмия, свинца, цирконат свинца и др.), а также органические вещества – триглицинсульфат и другие. Сегнетоэлектрики являются нелинейными диэлектриками, так как у них в отличие от линейных диэлектриков, для которых поляризуемость прямо пропорциональна напряженности электрического поля, a ε не зависит от напряженности электрического поля, существует резко выраженная зависимость ε от напряженности электрического поля, а поляризуемость при некотором значении напряженности внешнего поля достигает насыщения.
Спонтанная поляризация возможна в сегнетоэлектриках только до определенной для каждого материала температуры, называемой точкой Кюри (ТK), выше которой материал теряет свои сегнетоэлектрические свойства.
В сегнетоэлектриках возможно смещение ионов относительно друг друга из-за неплотности их упаковки. Например, у титаната бария (ВаТЮз) выше ТК кристаллическая решетка кубическая, а ион титана находится в центре куба, т.е. на одинаковом расстоянии от ионов кислорода, расположенных в центре граней куба (рис. 6). Поскольку расстояние между центрами ионов в ячейке больше суммы их радиусов, ион титана имеет некоторую свободу перемещения в пространстве между ионами кислорода.
При высоких температурах (выше ТK) интенсивность теплового движения достаточна для переброса иона титана от одного иона кислорода к другому, и нахождение иона титана вблизи каждого из них равновероятно. Среднее положение иона титана совпадает с центром симметрии ячейки, и средняя величина электрического момента каждой ячейки вследствие ее симметрии равна нулю.
Рис. 6. Элементарная кристаллическая ячейка титаната бария при температуре выше точки Кюри.
При температуре ниже точки Кюри энергия теплового движения недостаточна для переброса иона титана между окружающими его ионами кислорода, и ион титана смещается относительно какого-либо иона кислорода, создавая дипольный момент, так как нахождение иона титана вблизи одного из ионов кислорода нарушает симметрию расположения заряженных частиц в элементарной ячейке. Кристаллическая ячейка вытягивается в направлении смещения иона титана, переходя в тетрагональную форму без центра симметрии (рис. 7). Взаимодействие между заряженными частицами соседних ячеек приводит к тому, что смещение ионов титана происходит в них согласовано, в одном направлении, а это приводит к образованию доменов - областей с самопроизвольной поляризацией при отсутствии внешнего электрического (смещение иона титана к одному из ионов кислорода). поля.
Рис. 7. Изменение структуры ячейки титаната бария ниже точки Кюри.
В каждом домене направления дипольных моментов ячеек одинаковые; сами домены расположены хаотично, т.е. имеют разные направления дипольных моментов, поэтому суммарный дипольный момент сегнетоэлектрика в отсутствие внешнего поля равен нулю (рис. 8).
Рис. 8. Доменное строение сегнетоэлектриков в отсутствии
внешнего электрического поля.
При введении сегнетоэлектриков в электрическое поле происходит ориентация электрических моментов доменов в направлении поля, что ведет к накоплению большого количества зарядов на обкладках конденсатора. Ориентация электрических моментов доменов над действием внешнего поля происходит в результате смещения ионов в каждом домене, что приводит к соответствующему изменению направления спонтанного момента домена.
Спонтанная поляризация имеет замедленный характер и связана с большими диэлектрическими потерями. Спонтанная поляризация накладывается на электронную, ионную, ионно-релаксационную поляризации, ε при этом имеет большое значение (тысячи и десятки тысяч).
Температурная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков имеет максимум в точке Кюри (рис. 9). Выше этой точки меняется кристаллическая структура, исчезают домены и сегнетоэлектрические свойства, т.е. сегнетоэлектрик переходит в линейный диэлектрик.
Рис. 9. Зависимость ε от температуры для сегнетоэлектриков
Ш. Описание лабораторной работы и порядок ее выполнения.
Для определения диэлектрической проницаемости наибольшее распространение получили мостовые методы, используемые в измерении при постоянном или переменном напряжении низкой частоты, и резонансные методы, применяемые на высоких частотах. На высоких частотах мостовые схемы могут быть применены при условии тщательного экранирования и предварительно уравновешивания моста с целью устранения влияния паразитных емкостей и собственных индуктивностей элементов моста. Резонансные схемы применяются от нескольких десятков килогерц до, примерно, 200 МГц. При измерении этими методами диэлектрик снабжается электродами, и измеряется емкость полученного конденсатора, затем по емкости находят ε в случае плоских электродов по формуле, которую можно получить из формулы (3), подставив в нее значение s