Материал: №7 Поляризация и диэлектрические потери
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
Цель работы – получение первоначальных представлений о механизмах поляризации и диэлектрических потерь, освоение методики определения диэлектрической проницаемости ′ и тангенса угла диэлектрических потерь tg диэлектриков, анализ основных факторов, влияющих на данные параметры.
Основные положения
Электроизоляционные материалы образуют самый многочисленный класс ЭТМ. Все виды этих материалов описать невозможно. Можно лишь дать представление об основах рациональной классификации материалов и общие для тех или иных групп особенности.
Диэлектрическими называются материалы, основным свойством, которых является способность к поляризации и в которых могут существовать электростатические поля. Отличительной чертой этих материалов является практически полное отсутствие свободных электронов.
Поляризацией называется процесс ограниченного смещения или ориентации связанных электрических зарядов в диэлектрике под действием электрического поля. Этот процесс происходит во всем объеме и сопровождается выделением зарядов на поверхности материала у электродов, помещенных на образец диэлектрика (рис. 1). При наложении поля разноименные заряды в атомах (молекулах) диэлектрика несколько смещаются друг от друга, образуя диполи c электрическим (дипольным) моментом.
а). |
б). |
Рис. 1. Электрическое поле в конденсаторе а- без диэлектрика; б – с диэлектриком
Дипольный момент pi определяется формулой
pi = qi·li ,
где qi – заряд i-го носителя, li – расстояние между зарядами.
Поляризованный диэлектрик характеризуется дипольным моментом единицы объема – поляризованностью Р
|
pi |
|
|
P = lim |
i |
, |
|
V |
|||
V →0 |
|
где рi – дипольный момент i-той частицы (атома, молекулы); V – единичный объем диэлектрика;
.Поляризованность зависит от напряженности поля Е и способности вещества поляризоваться, характеризуемой величиной электрической восприимчивости вещества
Р= 0 Е,
где 0 = 8,85 10-12 Ф/м – электрическая постоянная.
Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля и самопроизвольную (спонтанную, существующую в отсутствии поля).
Связи между атомами в молекуле диэлектрика могут быть полярными и неполярными, соответственно, существует разделение диэлектриков на полярные и неполярные материалы. Молекулы неполярного диэлектрика не обладают дипольным моментом в отсутствие электрического поля, а полярные обладают. К неполярным диэлектрикам относятся полиэтилен ПЭ, политетрафторэтилен (фторопласт) ПТФЭ, полипропилен ПП и др., к полярным – полиэтилентерефталат (лавсан) ПЭТФ, поливинилхлорид ПВХ, поливинилбутираль ПВБ и др.
В зависимости от специфики структуры материала ему могут быть присущи различные виды поляризации (как один, так и несколько).
Под воздействием внешнего электрического поля происходит:
-упругое смещение электронных оболочек (электронная поляризация);
-упругое смещение ионов кристаллической решетки (ионная поляризация);
-ориентация дипольных моментов полярных групп и молекул по направлению поля (дипольная или дипольно-релаксационная поляризация)4
-перемещение (миграция) зарядов в полупроводящих включениях до их границ и накопления этих зарядов на границе раздела (миграционная поляризация).
Поляризацию вещества численно характеризуют вектором электрического смещения D
D= aE= 0 E,
где а и – абсолютная и относительная диэлектрические проницаемости вещества, соответственно.
Между , Р и ′ существует связь
=1+Р/( 0Е) =1+ .
Мерой |
поляризации |
диэлектриков |
является |
относительная |
диэлектрическая проницаемость. Относительную |
диэлектрическую |
|||
проницаемость можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком С к емкости того же конденсатора, но без диэлектрика, а с вакуумом С0
= С / С0.
Относительная диэлектрическая проницаемость газов близка к единице (εвоздуха = 1,006), относительная диэлектрическая проницаемость жидкостей зависит от их полярности и меняется от 2 до 10 (у высоко полярных жидкостей
может достигать 30), ′ твердых веществ колеблется от 2 до 105 и более (керамика).
Электронная поляризация. Представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. На рис.2 приведена схема атомов водорода в отсутствии внешнего поля (а) и при его воздействии (б). Поскольку все тела состоят из атомов (ионов), то данный вид поляризации присутствует у всех диэлектриков.
а). б).
Рис. 2. Схема электронной поляризации между пластинами конденсатора а. поле отсутствует; б. поле приложено
Электронная поляризация относится к быстрым видам поляризации, время ее установления составляет 10-15 с, то есть электронная поляризация устанавливается практически мгновенно. В диапазоне частот 0÷1014 Гц диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты. Данный вид поляризации не сопровождается потерями энергии вплоть до резонансных частот (1014–1015 Гц). Величина относительной диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией лежит в пределах 2,0 – 2,5 и численно равна квадрату показателя преломления света.
Исключительно электронную поляризацию имеют неполярные
вещества: |
|
|
- газообразные (водород, |
кислород, азот); |
|
- жидкие (нефтяные масла, октол,); |
||
-твердые |
(полиэтилен |
ПЭ, полипропилен ПП, полистирол ПС, |
политетрафторэтилен ПТФЭ, парафин, ...).
Неполярные диэлектрики имеют низкие диэлектрические потери и применяются как высокочастотные (ВЧ) материалы.
Электронная поляризация присуща всем без исключения диэлектрикам, но часто на электронную поляризацию накладываются другие ее виды.
Ионная поляризация. Наблюдается у веществ, имеющих ионную структуру: в кристаллах и неорганических материалах (слюда, керамика). Ионная поляризация представляет собой упругое смещение ионов в узлах кристаллической решетки. Типичный пример - NaCI, состоящий из положительных ионов Na+ и отрицательных CI- (рис.3).
Рис. 3. Схема ионной поляризации кристалла NaCI
Поскольку размеры ионов по размерам больше электронов, время ее установления несколько больше, чем электронной ( ионной поляризации составляет 10-12–10-13с). Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты так же отсутствует вплоть до резонансных частот ― 1010–1013 Гц. Значения относительной диэлектрической проницаемость вещества с ионной поляризацией обычно лежит в пределах 4–30, а в ряде керамических материалов могут быть больше. Как и при электронной поляризации, вплоть до резонансных частот диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты и не связана с потерями энергии.
Дипольная поляризация (ориентационная, дипольно-
релаксационная). Имеет место в полярных диэлектриках, молекулы которых имеют несимметричное строение и обладают дипольным моментом. При этом виде поляризации дипольные молекулы (диполи), находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием внешнего электрического поля (рис.4).
Рис. 4. Схема дипольной поляризации
Дипольная ориентация происходит относительно медленно (время ее установления составляет 10-8–10-6 с и более). Она сопровождается потерями энергии, которая затрачивается на преодоление внутреннего трения в
материале при повороте диполей.
Вобласти частот 106–108Гц период изменения поля соизмерим со временем установления поляризации, диполи не успевают ориентироваться и диэлектрическая поляризация резко снижается до значений, характерных для электронной поляризации.
К полярным диэлектрикам относятся:
- полярные газы (НСl, HBr, СО2 и др.);
-полярные жидкости (вода, совол, совтол, касторовое масло и др.); -твердые вещества, например, полярные полимеры (поливинилхлорид
ПВХ, полиэтилентерефталат (лавсан) ПЭТФ, полиметилметакрилат ПММА, целлюлоза (бумага, картон) и др.).
Вслучае полимеров поляризация обусловлена поворотом не самой
молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов (ОН, Cl, NH3 и др.) по отношению к неподвижной молекуле. Этот вид поляризации обычно называют дипольно-радикальной или дипольно-ориентационной.
Величина относительной диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков обычно составляет 3–9, но иногда достигает и нескольких
десятков (например, для воды ′= 81, спиртов 20-30).
Миграционная поляризация (междуслоевая, структурная).
Наблюдается в некоторых диэлектриках неоднородной структуры, при наличии макроскопических включений, примесей (особенно полупроводящих). В случае диэлектрика с полупроводящими включениями этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накоплении зарядов на границах раздела. Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому она обычно наблюдается лишь при низких частотах.
Миграционная поляризация присуща слоистым пластикам, миканитам, а так же в приэлектродных слоях.
Диэлектрические потери. Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при действии на него переменного электромагнитного поля. Диэлектрические потери могут быть обусловлены как токами проводимости (потери проводимости), так и запаздыванием поляризации при изменении поля (релаксационные, миграционные и резонансные потери). Кроме того, в сильных электрических полях при наличии в диэлектрике воздушных включений наблюдаются дополнительные потери энергии (ионизационные потери).
В постоянном электрическом поле потери энергии обусловлены только током проводимости и определяются по формулам
= скв = 2 = скв2 из,
из
– сопротивление изоляции, постоянное напряжение, приложенное к диэлектрику, Iскв – ток сквозной проводимости (ток утечки) в изоляции.