Основные сведения из теории

Основным электрическим свойством диэлектриков является их способность поляризоваться в электрическом поле. Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема. При поляризации происходит ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

Молекулы, в зависимости от наличия в них асимметрии поля, делятся на полярные и неполярные. В полярных молекулах центры положения суммарных зарядов противоположных знаков не совпадают. Эти молекулы обладают дипольным моментом μ:

μ = / q / ·l, (2.1)

где q – суммарный заряд любого знака; l – взаимное смещение центров суммарных зарядов.

Дипольный момент молекулы μ является вектором, направленным от отрицательного заряда к положительному. Модуль дипольного момента равен произведению расстояния между зарядами на модуль заряда.

В неполярных молекулах центры совпадают, поэтому их дипольный момент равен нулю. Диэлектрики, состоящие из неполярных молекул, называют неполярными диэлектриками. Под действием электрического поля в неполярной молекуле происходит смещение электронных оболочек, в результате чего там возникает индуцированный дипольный момент, т.е. молекула поляризуется. Возникающий в неполярной молекуле дипольный момент невелик. При исчезновении внешнего поля смещение исчезает и молекулы снова становятся электрически нейтральными. Поляризация за счет смещения электронов называется электронной.

У группы диэлектриков, называемых полярными, молекулы всегда полярны (электрические центры электронов в молекулах расположены несимметрично относительно ядер). Полярную молекулу можно считать диполем с зарядами + q и – q и моментом μ = / q / ·l. При отсутствии внешнего электрического поля все диполи расположены хаотически и суммарный электрический момент равен нулю. При появлении внешнего электрического поля его силы стремятся ориентировать диполи в направлении поля. В результате диполи несколько повернутся в направлении поля и диэлектрик приобретает электрический момент.

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля (электронная, ионная, дипольная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная, миграционная поляризация), спонтанную (самопроизвольную, наблюдаемую в сегнетоэлектриках), поляризацию, возникающую под действием механических напряжений (наблюдается в пьезоэлектриках).

Таким образом, зависимости от свойств диэлектрика различают два основных вида поляризации:

1. Поляризация, совершающаяся в диэлектрике под воздействием электрического поля практически мгновенно, упруго, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла.

2. Поляризация, совершающаяся в диэлектрике замедленно и сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием.

Без рассеяния энергии протекают процессы, происходящие при электронной и ионной поляризации. При всех остальных видах поляризации происходит нагревание диэлектрика.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью. Мерой поляризации является относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика ε, которую можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком С к емкости того же конденсатора при замене диэлектрика вакуумом С₀:

. (2.2)

Таким образом, величина диэлектрической проницаемости ε количественно определяет свойство диэлектриков поляризоваться и образовывать электрическую емкость, поэтому она является основной характеристикой электроизоляционных материалов.

Диэлектрическая проницаемость у диэлектриков изменяется в зависимости от частоты приложенного переменного напряжения. Эта зависимость наблюдается в тех диэлектриках, где кроме электронной поляризации, наблюдаются и другие виды поляризации.

Диэлектрическую проницаемость конкретного образца диэлектрика можно вычислить. Для диэлектрика с круглыми электродами она вычисляется по формуле:

, (2.3)

где С – емкость образца, Ф; h – толщина образца, м; ε₀= 8,854·10^-12 (Ф/м) – электрическая постоянная; S – площадь круглого электрода, м².

Электронная поляризация совершается мгновенно. Другие виды поляризации требуют для своего осуществления некоторого времени. Поэтому диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты переменного поля.

Величина диэлектрической проницаемости зависит также от температуры диэлектрика. На электронную поляризацию температура оказывает малое влияние.

Некоторое уменьшение диэлектрической проницаемости с нагревом нейтрального диэлектрика объясняется уменьшением плотности вещества. Увеличение емкости конденсатора можно объяснить увеличением заряда на пластинах конденсатора за счет зарядов на поверхности диэлектрика, обусловленных поляризацией.

Поляризация сопровождается появлением на поверхности диэлектриков связанных электрических зарядов, уменьшающих напряженность поля внутри вещества. Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика. Поляризованностью Р называют векторную величину, равную отношению электрического момента dp элемента диэлектрика к объему dV этого элемента и выражаемую в Кл/м²:

Р=dp/dV (2.4)

Поляризованность однородного плоского диэлектрика в равномерном электрическом поле равна поверхностной плотности связанных зарядов. Для большинства диэлектриков в слабых электрических полях поляризованность пропорциональна напряженности поля:

Р=ε₀(ε-1)Е=ε₀χЕ, (2.5)

где ε₀=8,854·10^-12 (Ф/м) – электрическая постоянная; χ – диэлектрическая восприимчивость.

В изотропных диэлектриках направления векторов Р и Е совпадают. Для анизотропных сред (кристаллы, текстуры) диэлектрическая восприимчивость является тензорной характеристикой, поэтому направления Р и Е оказываются различными. В сильных электрических полях нарушается линейная зависимость между поляризованностью и напряженностью поля.

Если поляризация связана с потерями и диэлектрик поляризуется периодически, то для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле пользуются тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ. Значения tgδ нормируются правилами устройства электроустановок. В идеальном диэлектрике без потерь вектор тока опережает вектор напряжения на угол φ= 90⁰.

В реальном диэлектрике с потерями вектор тока опережает вектор напряжения на угол φ<90⁰. Поэтому при рассмотрении вопросов, связанных с диэлектрическими потерями, конденсатор с реальным диэлектриком заменяют идеальным конденсатором с параллельно или последовательно включенным резистором. Эквивалентная схема с идеальным конденсатором и параллельно включенным ему резистором представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Эквивалентная схема с идеальным конденсатором и параллельно включенным резистором

Углом диэлектрических потерь δ называется угол, дополняющий до 90⁰ угол сдвига фаз φ между током и напряжением в активно-емкостной цепи (рис.2.2).

Рис. 2.2. Векторная диаграмма цепи емкостной цепи с параллельным R

Из векторной диаграммы можно определить выражение для tgδ:

. (2.6)

Активную мощность можно определить по формуле (2.3)

Р=UIcosφ= UIa=U²/R= U² ·ω·C·tgδ. (2.7)

Для диэлектриков с хорошими электрическими свойствами tgδ<<1.

Для большинства диэлектриков параметры эквивалентной схемы зависят от частоты. Поэтому, определив каким-либо методом значения емкости и эквивалентного сопротивления для данного конденсатора при некоторой частоте, нельзя использовать эти параметры для расчета угла потерь при другой частоте. Такой расчет справедлив только в отдельных случаях, когда эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование. Например, если для данного диэлектрика известно, что потери в нем определяются только потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то угол потерь конденсатора с таким диэлектриком может быть вычислен для любой частоты, лежащей в этом диапазоне по формуле:

Р =U²/R. (2.8)

Если потери в конденсаторе обусловлены, главным образом сопротивлением подводящих и соединительных проводов, а также сопротивлением самих электродов (например, тонким слоем серебра в слюдяном или керамическом конденсаторе, то рассеиваемая мощность возрастет в нем частотой пропорционально квадрату частоты

Р= U² ·ω·C·tgδ = U²ω²C²R. (2.9)

Таким образом, конденсаторы, предназначенные для работы на высокой частоте должны иметь по возможности малое сопротивление как электродов, так и соединительных проводов и переходных контактов.

Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема диэлектрика, называют удельными электрическими потерями р:

р = Pa/V = ωε₀КE². (2.10)

где К– коэффициент диэлектрических потерь; V – объем диэлектрика между плоскими электродами, м³; Е – напряженность электрического поля, В/м.

Из формулы (2.6.) следует, при заданных частоте и напряженности электрического поля удельные диэлектрические потери в материале пропорциональны коэффициенту потерь К:

К= εtgδ. (2.11)

Оборудование: лабораторный стенд, состоящий из термостата и блока, обеспечивающих автоматическое измерение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь, испытуемые образцы.

Термостат и измеритель конструктивно выполнены в виде двух настольных блоков, соединенных кабелем. Внешний вид их передних панелей показан на ри. 2.3. и 2.5. На задних панелях расположены разъемы кабеля сетевого питания, предохранители и клеммы для подключения шины заземления.

Рис. 2.3. Внешний вид передней панели термостатата:

1 – «измер. t°» - кнопка вывода значения текущей температуры в рабочей камере термостата на цифровой индикатор; 2 - кнопка «СЕТЬ» включения/отключения сетевого питания; 3 – светодиод

«Б» - индикация превышения температуры в рабочей камере термостата относительно заданной;

4 - светодиод «Н» - индикация равенства температуры в рабочей камере термостата и заданной;

5 - светодиод «М» - индикация пониженной температуры в рабочей камере термостата относительно заданной; 6 - цифровой трехразрядный индикатор температуры; 7 – «установка t°» - регулятор задаваемой температуры нагрева; 8 - приемная кассета для установки образца в рабочей камере; 9 - выход к измерителю; 10 - зажимы для закрепления приемной кассеты в рабочей камере термостата

Термостат стенда позволяет поддерживать заданную температуру в рабочей камере, благодаря чему возможно исследование влияния температуры на параметры диэлектрика. Нагрев осуществляется внутри рабочей камеры термостата, в которую помещается приемная кассета с исследуемым диэлектрическим образцом. Измерение, регулирование и поддержание заданного температурного режима осуществляется по показанию термочувствительного платинового элемента, установленного внутри рабочей камеры. Предварительная установка значения требуемой температуры производится ручным регулятором с индикацией на цифровом трехразрядном индикаторе. Далее процесс нагревания (или охлаждения) до заданной температуры осуществляется автоматически.

Контроль текущего температурного режима относительно заданного осуществляется тремя световыми индикаторами: «Б» - больше, «Н» - норма, «М» - меньше. Значение текущей температуры выводится на цифровой трехразрядный индикатор нажатием кнопки «ИЗМЕР. t⁰».

Приемная кассета термостата выполнена в виде съемного узла и предназначена для подключения электродов диэлектрического образца к измерительной цепи и размещения его в рабочей камере термостата. Исследуемый образец помещается в кассету термостата между электродами «В» и «Н». Электрический контакт с электродами образца осуществляется с помощью двух прижимных винтов. Схема подключения электродов образца к измерительному блоку показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема подключения электродов образца к измерительному блоку.

Рис. 2.5. Передняя панель измерительного блока:

1- «СЕТЬ» - выключатель питания; 2 – цифровой индикатор емкости; 3 – световые индикаторы «5кГц», «20 кГц» - индикация частоты измерительного напряжения; 4 – кнопка выбора частоты измерительного напряжения; 5 – световой индикатор «НЕБАЛАНС»; 6 – цифровой трехразрядный индикатор тангенса угла диэлектрических потерь; 7 – световой индикатор «ИЗМЕРЕНИЕ»; 8 – кнопка включения измерения; 9 – гнездо «ВХОД»