Электрические свойства и характеристики материалов (для диэлектриков)

Поляризация – это свойство материала, состоящие в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов при воздействии электрического поля.

1. Диэлектрическая проницаемость (относительная) – показывает, во сколько раз больше ослабевает внешнее электрическое поле в данном материале, чем в вакууме (показывает слепень поляризации).

где ε_а – абсолютная диэлектрическая проницаемость, учитывает влияние материала на электрическое поле, Ф/м;

ε₀ – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85∙10^-12 Ф/м.

_{Вакуум ε=0.}

В основном газообразные диэлектрики ε≥1.

Жидкие и твёрдые (около или 40) диэлектрики ε=1÷40.

_{Чем больше значение ε, тем сильнее поляризуется диэлектрик.}

2. Тангенс угла диэлектрических потерь.

При воздействии электрического поля на любое вещество часть электрической энергии превращается в тепловую и рассеивается. Рассеянная часть электрической энергии диэлектриком называется диэлектрическими потерями. Причём потери энергии на переменном напряжении будут во много раз больше потерь на постоянном напряжении.

При постоянном напряжении потери числено равны активной мощности

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

I – ток проводимости через диэлектрик, А.

При переменном напряжении

где U – переменное напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

f – частота тока, Гц;

С – ёмкость диэлектрика, Ф.

δ – угол диэлектрических потерь, дополняющий до 90⁰ угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

_{Газообразные, применяют в образцовых конденсаторах, tgδ=10}^-6_÷10^-5_.

_{Жидкие и твёрдые диэлектрики высшего класса tgδ=(2÷6)∙10}^-4_.

_{Остальные tgδ=0,002÷0,05.}

_{Чем больше значение tgδ, тем больше потери в диэлектрике и тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряжения.}

3. Напряжённость пробоя (электрическая прочность) – это напряжённость, однородного электрического поля при которой происходит пробой диэлектрика (становится проводником).

где U_пр – пробивное напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, МВ;

d – толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Чем больше значение Е_пр, тем лучше электроизоляционные свойства.

При выборе изоляции необходимо учитывать напряжение, на которое диэлектрик включается и должен обеспечиваться запас прочности (коэффициент прочности)

_{где Ер – рабочая напряжённость, МВ/м.}

Практическое задание

Задание.

Определить потери воздушного конденсатора при постоянном и переменном токах Р, если напряжение, приложенное к пластинам конденсатора U=1 кВ промышленной частоты f=50 Гц.

а) пластины имеют форму прямоугольника с размерами a=20 на b=40 см, расстояние между ними d=2 см. Ёмкость конденсатора C=35 пФ;

б) пластины имеют форму круга с диметром D=20 см, расстояние между ними d=1 см. Ёмкость конденсатора C=28 пФ.

Сравнить полученные значения потерь и сделать вывод.

Решение.

_{Потери в конденсаторе при постоянном токе}

где U –напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

_{R – сопротивление диэлектрика конденсатора, Ом.}

Сопротивление диэлектрика

_{где ρ – удельное сопротивление материала, Ом∙м (таблица №2);}

l – длина диэлектрика, м;

S – площадь поперечного сечения диэлектрика, м².

_{Потери в конденсаторе при переменном токе}

где U – переменное напряжение, приложенное к диэлектрику, В;

f – частота напряжения, Гц;

С – ёмкость диэлектрика, Ф;

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь материала, (таблица №4).

По условию а).

По условию б).

Диэлектрические потери энергии на переменном напряжении во много раз больше потерь на постоянном напряжении.