Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)

Кафедра «Системы передачи информации»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ИЗОЛЯТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Отчет по лабораторной работе №3 по дисциплине «Материаловедение».

Студентов гр. 22г

______О.А. Артымович

______Е.С. Коньшина

Руководитель-

Доцент кафедры СПИ

В.В. Зайцев

__________

Оценка

Омск 2013

Исходные данные.

Воздушные ёмкости изолятора:

С_в1 = 7 пФ,

С_в2 =25 пФ,

С_в3 = 120 пФ.

Рабочие частоты и напряжения:

ε₀ = 8,8 * 10^-12 Ф/м.

f₁ = 10⁶ Гц, f₂ =10⁸ Гц.

U_A1 = 100 B, U_A2 = 500 В, U_A3 = 1200 В.

Характеристики изоляционных материалов для частот f₁ и f₂ .

Изоляционный материал	εr1	εr2	tg 1	tg 2
Полиэтилен	2,2	2,2	4*10-4	3*10-2
Тетрафторэтилен	2,1	2,6	7*10-4	4*10-4
Полистирол	2,6	2,8	5*10-3	9*10-3
Гетинакс	7,0	5,5	0,05	0,1
Стеклотекстолит	5,7	5,5	0,025	0,07

По варианту(2):

f₂ =10⁸ Гц

U_A1 = 100 B

С_в1 = 7 пФ

Материалы: тетрафторэтилен, полистирол.

Контрольные вопросы.

1)Что такое поляризация и диэлектрическая проницаемость? Как они связаны между собой?

Ответ: Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Отношение зарядов   является одной из важных электрических характеристик диэлектрика и называется относительной диэлектрической проницаемостью 

Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

2)Какие основные виды поляризации наблюдаются у диэлектриков?

Ответ:

Различают следующие виды поляризации.

Электронная поляризация

При подаче напряжения в диэлектрике создается электрическое поле, и электроны в атомах смещаются относительно ядра к положительному электроду.

Смещенные электроны с положительными зарядами ядер атомов образуют пары связанных друг с другом электрических зарядов, которые называются упругими диполями. Образование их происходит мгновенно (10^-15 с). Они исчезают, если с диэлектрика снято напряжение. Этот процесс образования упругих диполей называется электронной поляризацией.

Величина  зависит от концентрации атомов (молекул) в диэлектрике и их структуры, определяющей поляризуемость α_э атома (молекулы), и описывается выражением

 = 1 + nα_э,

где ε – диэлектрическая проницаемость; n – концентрация частиц (атомов, молекул) в диэлектрике; α_э – электронная поляризуемость, определяемая структурой молекулы или атома.

Если диэлектрик кристалл, то у него ε больше, чем у аморфного диэлектрика, т.к. плотность упаковки атомов и молекул больше в кристаллическом состоянии.

Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света n.

ε = n².

Хотя деформация электронных орбит не зависит от температуры, электронная поляризация, а, следовательно, диэлектрическая проницаемость ε с увеличением температуры диэлектрика уменьшается, т.к. увеличивается его объем и уменьшается число частиц в единице объема.

Ионная поляризация (или поляризация ионного смещения).

Поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов. Характерна для твердых тел с ионным строением, т.е. для кристаллических диэлектриков. Всякий ионный кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. При наложении напряжения в нем начинают действовать электрические силы, и ионы смещаются: положительные – в одном направлении, отрицательные – в противоположном. Каждая пара ионов образует упругий диполь. Время установления ионной поляризации 10^-13 с. Наряду с процессом поляризационного смещения протекает электронная поляризация. Интенсивность этих процессов у кристаллических диэлектриков велика, поэтому больше ε = 7 ÷ 12 и выше.

Электронная и ионная поляризации относятся к упругой поляризации. Остальные, рассматриваемые далее, являются различными проявлениями релаксационной поляризации.

Дипольная релаксационная поляризация (ориентационная).

Поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым движением частиц.

Диэлектрик может состоять из полярных молекул. Такая молекула состоит из положительных и отрицательных ионов и ее дипольный электрический момент

μ = q·l,

q – заряд одного из ионов; l – расстояние между центрами ионов. Такая система зарядов называется твердым диполем, а диэлектрик, состоящий из полярных молекул – полярным.

Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Поворот диполей в направлении поля протекает в вязкой среде и связан с совершением работы по преодолению сил вязкого сопротивления среды, поэтому дипольная поляризация связана с потерями энергии

Под действием поля ориентируются и радикалы (группы атомов) – это дипольно – радикальная поляризация.

С увеличением температуры вязкость среды уменьшается, и дипольная поляризация возрастает, пока велика вязкость. Но постепенно нарастает хаотичность теплового движения и становится преобладающей над ориентацией диполей, т.е. дипольная ориентация с ростом температуры начинает падать.

Эта поляризация свойственна газам и жидкостям, а также твердым полярным органическим веществам, имеющим в составе радикалы. Совершается за время 10^-2 с. После снятия поля ориентация ослабевает (происходит релаксация).

Электронно – релаксационная поляризация.

Поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления и электронной электропроводностью, а также полупроводников.

Упруго – дипольная поляризация

Поляризация наблюдается у дипольных молекул некоторых кристаллов, закрепленных и только ограниченно поворачивающихся на небольшой угол.

Междуслойная поляризация

Поляризация обусловлена проводящими и полупроводящими включениями и наличием слоев с различной проводимостью. Поляризация проявляется в твердых телах неоднородной структуры (слоистые пластики) в области низких частот, и связана со значительными потерями электрической энергии.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация

Поляризация характерна для сегнетоэлектриков, веществ, разбивающихся на области (домены), обладающие спонтанным дипольным моментом в отсутствие внешнего поля. Взаимная ориентация дипольных моментов доменов в отсутствие поля такова, что суммарный дипольный момент вещества равен нулю. Наложение поля ориентирует дипольные моменты доменов, что вызывает очень сильную поляризацию.. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости также имеет один или несколько максимумов при определенных температурах (титанатыбария и стронция). Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках проявляется в определенной области температур, исчезая выше некоторой температуры, называемойтемпературой Кюри. При этой температуре в сегнетоэлектрике наблюдается фазовый переход второго рода, т.е. изменяется тип кристаллической структуры.

Остаточная поляризация

Поляризация существует длительное время в диэлектрике после снятия напряжения. Этот тип поляризации наблюдается в электретах. Обладает сильной зависимостью от напряженности электрического поля и температуры.

3)Как изменяется диэлектрическая проницаемость при различных видах поляризации при изменении температуры диэлектрика?

Ответ:

Основные виды поляризаций:

Существуют 2 вида:

Практически мгновенная, вполне упругая, без рассеянной энергии (без выделения тепла).

Не мгновенная, а напрастающаяю, убывающая, замедленная и сопровождающая нагревом диэлектрика (реликционная поляризация).

К первому виду относятся электронная и ионная поляризация, остальные относятся к реликционной поляризации.

Электронная поляризация. Это упругое смещение и деформация электронных атомов и ионов. Например, атомы водорода. При наложении электрического поля они вытягиваются. Время поляризации очень маленькое, следовательно, мгновенная. Она наблюдается у всех видов диэлектриков. Поляризованность частиц не зависит от температуры. Диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема.

Изменения диэлектрической проницаемости при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости:

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго связанных ионов. С повышением температуры она усиливается, т.к. упругие силы действующие между ионами ослабевает из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении.

Время для установления ионной поляризации – 10^-12 с.

Дипольно-релаксационная (дипольная) поляризация связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, которые находятся в хаотическом движении под действием электрического поля ориентируется, что является причиной поляризации.

С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, но в то же время возрастает тепловое движение молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому с увеличением температуры эта поляризация сначала возрастает затем резко уменьшается. Промежуток  времени, в течение которого упорядоченность диполей после снятия электрического поля уменьшается, вследствие теплового движения в 2,7 раза, по сравнению с предыдущим значением называется временем релаксации. Эта поляризация наблюдается в полярных газах и жидкостях, а также в твердых телах, но в этом случае она обусловлена не поворотом самой молекулы, а поворотом имеющихся в ней полярных радикалов (дипольно-радикальная поляризация), например, целлюлоза.

Ионно-релаксационная поляризация. Она встречается в неорганических стеклах и в некоторых ионных  органических веществах с неполной упаковкой ионов. В этом случае слабосвязанные ионные вещества под воздействием внешнего электрического поля смещается в направлении электрического поля. После снятия  электрического поля ионно-релаксационная поляризация ослабевает.

Электронно-релаксационная поляризация. Возникает вследствие возбуждения тепловой энергии, избыточных электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления, с большим внутренним полем и электропроводностью.

Резонансная поляризация. Встречается в диэлектриках при световых частотах. Зависит от физико-химических особенностей вещества. Может относится к собственной частоте ионов или электронов (при очень высоких частотах) или к характеристической частоте электронов (при более низких частотах).

Миграционная поляризация. Проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеиванием электрической энергии.  Причинами поляризации является проводящие и полупроводящие  включения, наличие слоев с различной проводимостью. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы  проводящих и полупроводящих включений переключаются в пределах этого включения, образуя поляризацию области.

Спонтанная поляризация (самопроизвольная). Встречается у твердых диэлектриков, обладающих  такими особенностями как сегнетова соль и получивших название сегнетоэлектрики.