ИЭ / Лабораторные / 7 лаба / №7 Поляризация и диэлектрические потери
.pdf
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.
В переменном электрическом поле потери энергии определяются более сложными закономерностями. Они складываются из следующих составляющих:
-потери от проводимости, обусловленные сквозным током, протекающим через диэлектрик;
-потери от дипольной поляризации, вызванные внутренним трением в диэлектрике (полярные диэлектрики);
-потери от ионизации воздушных включений (ионизация воздуха в порах и зазорах в материале).
Замедленные виды поляризации (дипольно-релаксационная и миграционная) идут с большими затратами энергии внешнего электрического
поля, при этом величины и tg материала существенно зависят от частоты поля и температуры.
Тангенс угла диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в материале характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь. На рис.5 приведены векторные диаграммы токов и напряжений в проводнике (а), идеальном (б) и реальном диэлектриках (в), находящихся в переменном электрическом поле.
.
Рис. 5. Векторные диаграммы токов и напряжений в проводнике (а), идеальном диэлектрике (б) и реальном диэлектрике (в), находящихся в переменном электрическом поле
Конденсатор с идеальным диэлектриком (без потерь) в переменном поле имеет чисто реактивный (емкостной) ток, так что на векторной диаграмме ток через конденсатор опережает напряжение U на угол /2 (рис.5б). В реальном конденсаторе ток и напряжение сдвинуты по фазе на угол . Полный ток I можно разложить на активную Iа = I sin и реактивную Ic = I cos составляющие (рис.5в). Угол , дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи с реальным диэлектриком, называют
углом диэлектрических потерь. Тангенс угла (tg ) определяет рассеиваемую в диэлектрике мощность при переменном электромагнитном поле.
Таким образом, в случае воздействия переменного электрического поля диэлектрик характеризуется двумя основными параметрами:
- |
относительной |
диэлектрической проницаемостью (определяет его |
способность к поляризации); |
||
- |
тангенсом угла диэлектрических потерь tg . |
|
|
При этом |
=С/C0, |
где С – емкость конденсатора с диэлектриком, Со – емкость конденсатора без диэлектрика (между обкладками – вакуум);
tg = Iа /IC,
где Iа и IC активный и реактивный ток, соответственно.
Влияние частоты электрического поля на диэлектрические параметры. Диэлектрические характеристики определяется структурой материала, а, следовательно, типом поляризации в веществе. Обобщенные зависимости и tg от частоты для диэлектриков, имеющих, миграционную, дипольно-релаксационную, ионную и электронную поляризации, схематически изображены на рис. 6.
Рис.6. Обобщенная зависимость диэлектрической проницаемости вещества от частоты поляризующего поля (на нижнем графике вместо должно быть tg )
В случае электронной поляризации частота не влияет на величину диэлектрической проницаемости до 1015 Гц (рис.7а).
В случае ионной поляризации частота поля не влияет вплоть до 1012 Гц.
Рис.7. Влияние частоты электромагнитного поля на диэлектрическую проницаемость неполярного (а) и полярного (б) диэлектриков
Для замедленных видов поляризации (дипольной и миграционной) влияние частоты и температуры на диэлектрические параметры оказывается более сложным. Под действием внешнего переменного электрического поля происходит ориентация полярных групп, а тепловое хаотическое движение молекул оказывает наоборот разориентирующее действие.
После отключения электрического поля ориентация дипольных молекул постепенно ослабевает из-за теплового движения по экспоненциальному закону. Таким образом, происходит релаксация (от латинского relaxtio— ослабление), возврат к исходному состоянию вещества. Математически этот процесс релаксации выражается функцией
Nτ=Noexp(-τ/ 0),
где N0 и N , — число ориентированных диполей в начальный (в момент отключения поля) и текущий моменты времени; τ — время, прошедшее с момента снятия поля; 0 — постоянная времени релаксации.
Если принять τ = 0, то получим
Nτ=N0/e.
Таким образом, время релаксации 0 – это время, за которое число ориентированных диполей уменьшается в е раз.
Время релаксации существенно зависит от температуры (чем выше температура, тем меньше силы молекулярного сопротивления повороту диполей, тем меньше время релаксации). Учет механизма релаксации, свойственного дипольной поляризации, часто отражается в широко распространенном названии этого вида поляризации – дипольнорелаксационная поляризация.
При низких частотах, менее 1/ 0, процесс поляризации успевает следовать за изменением направления электрического поля и величина ' не зависит от частоты до f′= 106 – 108Гц (рис. 6, 7б). В случае высоких частот дипольные молекулы не успевают поворачиваться при быстрых изменениях направления поля, дипольная поляризация ослабевает и ' снижается (рис.6, 7а) до значения 'эл, обусловленного электронной поляризацией, имеющей
место во всех веществах.
Влияние температуры на диэлектрические параметры. Для диэлектриков с электронной поляризацией (неполярные материалы) зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры определяется только изменением плотности вещества. При нагревании вещество расширяется, уменьшается число атомов (ионов) в единице объема и, соответственно, число электронов в единице объема, поляризация ослабевает. Кривая зависимости ' от температуры подобна кривой изменения плотности (рис.8а.). При переходе через точку плавления наблюдается скачек '.
Рис.8. Зависимости относительной диэлектрической проницаемости неполярного (а) и полярного (б) диэлектриков от температуры
Для материалов с ионным типом поляризации с повышением температуры расстояния между ионами увеличиваются вследствие теплового расширения материала. В большинстве случаев это сопровождается ослаблением химических сил упругой связи, поэтому поляризуемость ионов возрастает, т. е. они легче смещаются под действием электрического поля. В связи с этим величина ' ионных диэлектриков обычно растет с температурой.
На рис. 8б приведены характерные кривые зависимости ' от температуры полярного диэлектрика (дипольно-релаксационная поляризация), измеренные на разных частотах (f1<f2<f3). При нагревании материала расстояние между молекулами увеличивается и диполи (радикалы) обретают дополнительную возможность для разворота, что обусловливает рост '. В области высоких температур (выше температуры максимума) дальнейшей ориентации диполей мешает усиливающееся тепловое движение. Поскольку тепловое движение атомов является хаотичным, с его интенсификацией ' начинает снижаться с ростом температуры.
Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры и частоты. Как отмечалось выше, замедленные виды поляризации протекают с затратой энергии внешнего электрического поля, которая расходуется на преодоление межмолекулярного трения. Поэтому частота поля и температура существенно влияют и на величину tg полярных диэлектриков.
Дипольно-релаксационные потери при повышении температуры проходят через максимум. При очень низких температурах, когда вязкость вещества велика, диполи неподвижны, потерь нет; при очень высоких температурах вязкость мала и диполи вращаются, не испытывая трения. В общем случае на температурной зависимости может наблюдаться несколько максимумов. Например, на кривой tg =f(T) для бумаги, пропитанной масляноканифольным компаундом, наблюдаются два максимума - при низких температурах это максимум, свойственный самой бумаге, при более высоких - компаунда.
Если в диэлектрике имеют место два механизма потерь (на проводимость и дипольную поляризацию), то суммарная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры может быть получена сложением кривых, описывающих потери проводимости и дипольные потери.
Рост температуры всегда приводит к росту tg за счет увеличения потерь проводимости (рис. 9а). Максимум на суммарной кривой потерь часто не фиксируется, так как он маскируется высокими потерями проводимости.
1
2
1
3 2
3
Рис. 9. Зависимость tg диэлектрика от температуры (а) и частоты (б) 1—общие (суммарные) потери; 2— потери проводимости; 3 — дипольные потери
В случае диэлектрических потерь, обусловленных сквозной проводимостью, по мере увеличения частоты tg снижается по гиперболическому закону (рис. 9б). Активная мощность потерь в этом случае не зависит от частоты. Потери, вызванные дипольной поляризацией, на первом этапе с ростом частоты увеличивается, так как диполи чаще должны ориентироваться по полю и на это будет затрачиваться все большая энергия. Но это происходит лишь до определенной частоты, соответствующей максимуму tg , после которой диполи уже не успевают следовать за переменным напряжением и потери в диэлектрике уменьшаются.
Максимум в частотной зависимости tg характерен также и для