2.1. Цель работы

Целью работы является изучение стандартных методов определения ди­электрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδпри переменном (частота 50 Гц) напряжении твердых электроизоляци­онных материалов, исследование и обоснование влияния температуры на ε и tgδ образцов различных материалов.

2.2. Диэлектрик в электрическом поле

2.2.1. Поляризация

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникаю­щим под воздействием электрического поля, является поляризация. Поля­ризация характеризуется диэлектрической проницаемостью ε и тангенсом угла потерь tgδ. Величины ε и tgδ зависят от вида поляризации.

Поляризация - это ограниченное смещение связанных зарядов или ори­ентация дипольных молекул под действием приложенного электрического поля. Поляризуемость материала зависит от количества элементарных за­рядов, принимающих участие в процессе поляризации, их величины и вели­чины смещения этих зарядов. Основными видами поляризации являются:

- электронная;

- дипольная;

- ионная.

Электронная и ионная поляризации в чистом виде происходят без по­терь, дипольная - с потерями, т.е. энергия электрического поля переходит в тепло, что вызывает нагрев диэлектрика.

Поляризация с потерями называется релаксационной.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и дефор­мацию электронных оболочек атомов и ионов в сторону, обратную направ­лению поля. Установление электронной поляризации происходит почти мгновенно (около 10^-15с), поэтому она условно называется мгновенной.

Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков и происхо­дит без потерь энергии. Поляризуемость частиц не зависит от температуры, однако электронная поляризация уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и, следовательно, с уменьше­нием частиц в единице объема.

Одновременно с деформацией электронных оболочек происходит сме­щение ядер в атомах (поляризация ядерного смещения), которое совершает­ся за 10^-13 с и не зависит от температуры.

Ионная поляризация обуславливается смещением упруго связанных ионов под воздействием приложенного электрического поля. Она характер­на для твердых материалов с ионным строением. Этот процесс происходит внутри молекул. Время установления ионной поляризации порядка 10^-13 с.

Дипольно-релаксационная (ориентационная) поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым движением частиц. Время установления дипольно-релаксационной поляриза­ции равно 10^-10...10^-2 с. Дипольно-релаксационная поляризация с увеличением температуры растет, достигает определенного максимума, а затем падает.

Упруго-дипольная поляризация наблюдается у дипольных молекул в не­которых кристаллах, где дипольные молекулы закреплены и могут по­ворачиваться на небольшой угол, поэтому диэлектрическая проницаемость этих материалов имеет малую величину.

К видам поляризаций, имеющих потери, также относятся ионно-релак-сационная, электронно-релаксационная и другие виды.

Ионно-релаксационная поляризация появляется при тепловых перебро­сах слабосвязанных в веществе ионов в направлении действия электричес­кого поля. Такие ионы в тепловом движении перемещаются на значительно большее расстояние, чем при упругих смещениях (при ионной поляризации). Этот вид поляризации зависит от температуры, носит замедленный харак­тер и наблюдается на низких частотах.

Электронно-релаксационная поляризация обусловлена ограниченным смещением возбужденных тепловой энергией электронов и дырок.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованием объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения (высоковольтная поляризация), имеет боль­шие потери и является поляризацией замедленного действия.

Спонтанная поляризация возникает при отсутствии внешнего электри­ческого поля, типична для диэлектриков кристаллических структур, имею­щих области (домены) с легко поляризующимися и длительно сохраняющи­ми поляризованность кристаллическими системами. Этот вид поляризации зависит от температуры, носит замедленный характер, при высоких часто­тах не происходит и наблюдается в сегнетодиэлектриках (титаниты бария, кальция, стронция).

Остаточная поляризация характеризуется длительным сохранением по­ляризованного состояния в диэлектрике после снятия внешнего элек­трического поля. Такие диэлектрики называются электретами. Длительность сохранения поляризации измеряется месяцами, годами и даже столетиями.