Основные параметры диэлектрических материалов

1. ε – относительная диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость – мера способности материала к поляризации. Это величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в данном материале меньше, чем в вакууме. Внутри диэлектрика возникает собственное электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Напряженность внешнего поля ослабевает по сравнению с полем тех же зарядов в вакууме в ε раз, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость. Если рассмотреть модель конденсатора с двумя обкладками и вакуумом между ними, то можно оценить емкость этого элемента. При замене вакуума на диэлектрик в результате поляризации его внешним полем произойдет изменение ёмкости данного конденсатора в сторону увеличения. На этом свойстве основано простое определение диэлектрической проницаемости:

ε = (C _d / C ₀) >1,

где: C ₀ – ёмкость конденсатора без диэлектрика;

C _d – ёмкость того же конденсатора с диэлектриком между обкладками.

В зависимости от механизма поляризации, ε может принимать значения от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч. Минимальные значения ε имеют неполярные диэлектрики (ε < 2,5), а максимальные значения - диэлектрики, обладающие сегнетоэлектрическими свойствами, это ионные материалы, например титанат бария ВаTiO3, и титанат стронция SrTiO₃ (ε > 10⁵ – 10⁶).

2. tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь;

Диэлектрические потери – потери электрической энергии, обусловленные протеканием токов в диэлектриках. Различают ток сквозной проводимости I _ск.пр, вызванный наличием в диэлектриках небольшого количества легкоподвижных ионов, и поляризационные токи. При электронной и ионной поляризация поляризационный ток называется током смещения I _см, он очень кратковременный и не регистрируется приборами. Токи, связанные с замедленными (релаксационными) видами поляризации, называются токами абсорбции I _абс. В общем случае суммарный ток в диэлектрике определяется как

I = I _абс + Ι _ск.пр, (3)

После установления поляризации суммарный ток будет равен I = I _ск.пр.

Если в постоянном поле поляризационные токи возникают в момент включения и выключения напряжения, и суммарный ток определяется в соответствии с уравнением (3), то в переменном поле поляризационные токи возникают в момент смены полярности напряжения. Вследствие этого потери в диэлектрике в переменном поле могут быть значительными, особенно если полупериод приложенного напряжения приближается ко

времени установления поляризации.

На рис. 4(а) приведена схема, эквивалентная конденсатору с диэлектриком, находящемуся в цепи под потенциалом переменного напряжения. В этой схеме конденсатор с реальным диэлектриком, который обладает потерями, заменен идеальным конденсатором C и параллельно включенным активным сопротивлением R. На рис.4(б) приведена векторная диаграмма токов и напряжений для рассматриваемой схемы, где: U – напряжение на конденсаторе; I _ак – активный ток через конденсатор; I _р – реактивный ток, который опережает по фазе на 90º активную составляющую; I _Σ - суммарный ток.

При этом:

I _ак = I_R = U/R (4)

I _р = I_C =ω C U (5)

а) б) Рис. 4 Эквивалентная схема конденсатора (а) и векторная диаграмма токов и напряжений (б)

где: ω – круговая частота переменного поля.

Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз φ между током I _Σ и напряжением U в ёмкостной цепи.

Потери в диэлектриках в переменном поле характеризуются тангенсом

угла диэлектрических потерь

tgδ = I _aк / I _p. (6)

Предельные значения тангенса угла диэлектрических потерь материала для высокочастотных применений не должны превышать 0,0001 – 0,0004, а для низкочастотных – 0,01 – 0,02.

Зная значения tgδ для диэлектрика можно легко определить мощность, рассеиваемую в диэлектрике в виде тепла:

Р _а = UI _aк = U I _R tgδ = U ²ω C tgδ(7)

3. E _пр – электрическая прочность. Электрической прочностью называется напряженность однородного внешнего электрического поля, приводящая к образованию в диэлектрике канала, обладающего высокой проводимостью (явлению пробоя диэлектрика).

E _пр= U _пр / d, [кB/мм], (8)

где: U _пр – пробивное напряжение, измеряемое в вольтах или киловольтах;

d – толщина диэлектрика, измеряемая в метрах или милллиметрах.

4. ρ_v - удельное объёмное сопротивление.

Удельное объемное сопротивление представляет собой электрическое сопротивление куба материала с ребром 1 м

ρ_v= R _V S / L, [Oм·м] (9)

где: R _V – сопротивление материала, (Ом);

S – площадь сечения образца, (м²);

L – длина образца, (м).

5. ρ_s – удельное поверхностное сопротивление.

Данный параметр характеризует электрическое сопротивление поверхностного слоя диэлектрика в виде квадрата со стороной в 1 м

ρ_s = ρ_v/ d [Oм/􀀀] (10)

где: ρ_v – удельное объёмное сопротивление;

d – толщина диэлектрика, (м).

Зависимости ε и tgδ от температуры и частоты.

Диэлектрические параметры материалов в различной степени зависят от температуры и частоты. Большое количество диэлектрических материалов не позволяет охватить особенности всех зависимостей от указанных факторов. Поэтому на графиках, приведенных на рис. 5 – 6 изображены некоторые общие тенденции, характерные для некоторых основных групп.

Рис. 5 Температурные и частотные зависимости относительной диэлектрической проницаемости диэлектриков: где 1 – неполярные линейные полимеры (электронная поляризация); 2 – диэлектрики ионного строения (ионная поляризация); 3 – полярные полимеры (дипольная поляризация).