книги из ГПНТБ / Балыгин, И. Е. Электрические свойства твердых диэлектриков

нии температуры доля диэлектрических потерь от ионизации в по­

у образцов из муллитовой керамики РФ. Изменение tg б в диапа­

Выше уже сообщалось о возможном существовании у керами­ ческих диэлектриков многочисленных центров захвата. Если заря-

Рис. 4-2. Зависимость tg <5 от напряженности прило­ женного поля при различных температурах у радиокерамических образцов

женные частицы, перемещаясь под действием приложенного поля, попадают в такие центры и задерживаются в них, то они практи­ чески не будут принимать участия в дальнейших перемещениях, и tg б может уменьшиться с ростом Е.

Такая зависимость tg б= f(E) у РФ может быть представлена следующей формулой:

= 0,08 см/кв и ß = 0,03 см/кв.

При 222-4-256° С у этого материала значения tg б оказались независящими от £ в пределах 0,3-4-9,6 квімм. При больших тем­ пературах значения tgfi при увеличении Е возрастали по линей­ ному закону.

57

У образцов из корундо-муллитового материала КМ-1 в диапа­ зоне температур 254-250° С и при £' = 0,454-5,1 кв/мм значения tgö оказались почти неизменными за исключением очень неболь­ шого возрастания при / = 25° С и £ = 3,54-5,1 кв/мм, видимо, от небольшой ионизации в- газовых порах. Чтобы избежать недоразу­ мений с диэлектрическими потерями от ионизации в этих порах, необходимо заметить следующее: размеры и форма пор, а также род газа и величина давления в них должны определяться хими­ ческим составом и структурой данного керамического материала. Весьма существенным в этом отношении должны быть и техноло­

и многие другие электрические свойства, оказался отличным от свойств Б-17. Заметное возрастание tgö при увеличении £ наблю­ далось в температурном диапазоне 264-200° С. Только при тем­ пературе ~300°С tgö оставался почти неизменным (табл. 4-3). Поскольку возрастание tgö наблюдалось при высокой темпера­ туре, когда потери сквозной проводимости были сравнительно ве­ лики, то можно определенно утверждать, что это возрастание в ос­ новном не было связано с ионизационными потерями.

количество газовых пор и в них происходила ударная ионизация. В § 3-1 приводились данные о значительной зависимости величин а от £ у такого же по химическому составу материала Т-75 (за исключением пластифицирующих добавок). По всему этому можно было бы ожидать и увеличения tgö при возрастании £. Но ди­ электрические потери оказались почти не зависящими от напря­ женности поля. Основной механизм этих потерь у Т-80 неясен.

По ним видно, что при / = 274-116° С указанная зависимость отли­ чается от всех остальных. Вначале происходит снижение tgö до

58

наблюдается снижение. Это обстоятельство указывает на более сложную зависимость t g 6 = /(£ ) и на совсем другой механизм

рис. 4-4. Здесь же приводится и зависимость e — f(t). По-видимому, значительная доля диэлектрических потерь у Т-150 вызывается релаксационным механизмом. Для сравнения там же (рис. 4-4) приведена зависимость tgö = /(/) для образцов из ультрафарфора (УФ-46). Из кривой 1 видно, что максимум tgö у Т-150 приходится на температуру ~210° С, а при t ~ 325° С зафиксирована точка перегиба.

Из изложенного можно сделать вывод, что каждый радиокера-

5 9

4-2. Изменение tg б у радиокерамических материалов

при дополнительном смещающем электрическом поле

Явление диэлектрических потерь предполагает определенное смещение заряженных частиц и повороты диполей у диэлектриков. В случае ионизации в газовых порах за полпериода приложен­ ного напряжения заряженные частицы осаждаются на стенках и создают поле обратного направления. В следующий полупериод поэтому условия ионизации облег­ чаются. Если за один полупериод затормозить перемещение заряжен­ ных частиц, то в отношении общих потерь должны произойти опреде­ ленные изменения и, как можно

предполагать, не всегда в сторону уменьшения, особенно там, где действуют упругие силы. Подобного рода ограничения для смеща­ ющихся заряженных частиц при анализе данных об изменениях tgö могут дать добавочную информацию.

Исходя из этих соображений, автором была предложена соот­ ветствующая схема измерений tgö (рис. 4-5). В мост Шеринга включен высоковольтный трансформатор 2, разделительный кон­ денсатор 6 и высоковольтный вентиль 3. Напряжение выпрями­ тельного устройства (15 /де) можно изменять от нуля. Конден­ сатор 6 (С= 1 мкф) разделял высоковольтные трансформаторы. Таким путем на переменное напряжение моста можно было на­ кладывать постоянное. Конденсатор 6 также сглаживал неравно­ мерность однополупериодного выпрямления.

Предварительные опыты показали, что выпрямительная уста­ новка в схеме моста не вносит неточности в измерения. Это можно

6 0

видеть из табл. 4-4 [4-3]. Форма образцов, у которых производи­ лись измерения 'tg б по схеме на рис. 4-5, была такой же, как и на рис. 4-1. Напряженность моста при измерениях (50 гц) не меня­ лась и равнялась 0,6 кв/мм, а напряженность смещающего посто­ янного поля Е' изменялась в пределах 0,9-1-9 кв/мм.

На рис. 4-6 приводятся кривые изменения величин tgö у об­ разцов из корундовой керамики (УФ-46) при различных напря­

ной напряженности Е оставались неизменными, а при увеличении Е' возрастали. В случае повышенных температур наблюдалась более сложная зависимость tgö = f(£')- При сравнительно неболь­ ших Е' значения tgö уменьшались, а потом увеличивались.

ностях, но постоянном электрическом поле Е' возрастания tgö не наблюдалось. Из этого можно сделать вывод, что при постоян­ ном напряжении интенсивность ионизационных процессов весьма мала. При температурах больше 163°С и Д '>3,04-4,0 кв/мм tgö несколько возрастает. Следовательно, в данном случае повышен­ ная температура и электрическое поле активизировали смещение

новых заряженных частиц.

Начальное снижение tgö при температурах 250-4-300°С можно так же, как и в § 4-1, объяснить захватом некоторого количества заряженных частиц акцепторными центрами в черепке. Возможно, что степень закрепления при этом была небольшой и в случае уве­ личения Е' эти захваченные частицы снова делались активными.» При такой же напряженности переменного электрического поля

61

(50 гц) малоподвижные заряженные частицы за время одного полупериода (0,01 сек) были не в состоянии заметно перемес­ титься.

В принципе такие же кривые, как на рис. 4-6, получены и для радиостеатита Б-17. При /~350°С значения tg 6 сравнительно круто снижались в диапазоне £'=0,34-3 кв!мм, а при больших Е' начинали возрастать. Установлено, что значения tg б также не зависят от Е' в температурном диапазоне 264-180° С. Примерно то же зафиксировано и у образцов из муллитовой керамики (РФ). В области />150° С у этого материала tgö при увеличении Е' не­ сколько возрастал, но от напряженности переменного электриче­ ского поля не зависел.

Здесь снова может быть выдвинут тот же довод о малом вре­ мени действия поля в одном направлении и вместе с тем напра­ шивается вопрос о влиянии длительности приложения постоянного смещающего напряжения. У образцов же из РФ значения tgö от длительности действия Е' = 2,4 кв/мм за время 1—20 мин не ме­ нялись.

Как показали измерения по схеме на рис. 4-5, на величину tgö образцов из рутиловой керамики Т-80 смещающее постоянное на­ пряжение не оказывает влияния, но лишь до температуры 90° С.

диэлектрические потери у этого керамического материала от на­ пряженности переменного (50 гц) электрического поля почти не зависят в температурном диапазоне 244-216° С. На основании этих данных можно было предполагать, что на величину tg б должно оказывать влияние время приложения смещающего постоянного напряжения. Поэтому измерения tgö были произведены при неиз­ менной напряженности смещающего поля £ ' = 3,0 кв/мм и такой же неизменной переменной напряженности измерительного моста, но длительность действия Е' изменялась в диапазоне 14-20 мин. Полученные кривые приведены на рис. 4-7. Судя по этим кривым, значения tgö действительно начинают возрастать даже при 90°С, а в случае /=124°С за первые 10 мин диэлектрические потери, ви­ димо, увеличились до возможного при данных условиях предела.

Можно полагать, что при наложении постоянного напряжения в диэлектрике возникает как бы междуслойная поляризация с об­ разованием объемных зарядов или в объеме, или около электро­ дов. При таких сравнительно небольших температурах электроны, перемещаясь, закрепляются на дефектах в кристаллических ячей­ ках и в том числе на поверхностных уровнях или, вообще, на поверхностях раздела этих ячеек и стекловидных прослоек. По­ добного рода поляризация сопровождается диэлектрическими по­ терями. Из теории для двухслойного конденсатора [4-4] известно, что

62

где Ti и %г— постоянные времени для первого и второго слоев,

63

4-3. Диэлектрические потери у твердых диэлектриков в сильных электрических полях при высоких частотах и повышенных температурах

Поведение твердых диэлектриков при высоких частотах, повы­ шенных температурах и напряженностях приложенного поля пред­ ставляют практический интерес. Трудности соответствующих изме­ рений в основном заключаются в отсутствии хорошо разработан­ ной методики.

Часто для таких целей применяют калориметрические методы [4-5, 4-6], т. е. измеряют выделяющееся тепло в диэлектриках.

Для теплового баланса выделяющегося в диэлектрике тепла и потерь его вследствие теплообмена с окружающей средой можно написать следующее равенство:

где С — емкость образца; со — круговая частота; U — приложенное напряжение; т — масса образца; X— его удельная теплопровод­ ность и h — коэффициент теплоотдачи.

Решением этого уравнения будет:

Здесь А = 0,24ссо^/|ффtg б. Из формулы (4-5) можно бы было опре­ делить tg 6, но в нее входит коэффициент h. Он зависит от формы образца, состояния его поверхности, градиента температуры между образцом и средой и т. д. Поэтому определить его трудно. Поло­ жение упростится, если рассматривать малое время нагрева (не­ стационарный случай):

Тогда, принимая во внимание только первый член разложения

—— т

етХ , для (4-5) получим:

Но возникает вопрос о том, достаточно ли время т в этой фор­ муле для заметного нагревания образца- и не слишком ли оно мало для проведения опытов? Поскольку теоретический подсчет т наталкивается на большие трудности, оно было определено экспе­ риментально. Для этого записывались кривые зависимости нагре­ вания образцов от времени. Эксперимент был проведен с несколь­ кими материалами различной формы. Оказалось, что линейная за­ висимость нагрева АТ практически сохраняется в течение 5—6 мин вне зависимости от формы образцов. Уравнение (4-4) справедливо

6 4

для всего объема диэлектрика. Поэтому измеряемая температура тела должна соответствовать средней (интегральной)

T = -L$TdQ,

Q й

где П — объем.

Поскольку нагрев образца должен измеряться по повышению температуры наружной поверхности, то при однородном электри­ ческом поле, когда по объему тепло выделяется равномерно, тем­ пература наружной поверхности образца будет равна средней для объекта. При неоднородном поле в различных точках объема ди­ электрика будет выделяться разное количество тепла и измеряе­ мая температура будет отличаться от средней, но с течением вре­ мени будет происходить выравнивание.

При нагревании образцов обычно диэлектрические потери уве­

Пользуясь этим неравенством, можно подобрать допустимую величину нагрева, при котором с достаточной степенью точности будет справедлива формула (4-7). Если исследуемый диэлектрик имеет большие потери, то уменьшением приложенного напряжения или времени нагрева необходимо снизить нагрев, чтобы выполня­

65

Если образец имеет малую толщину и значительную теплопро­ водность, то (4-12) можно пользоваться и в случае неоднородного поля. Величины А- и С определяются на той лее установке, на ко­ торой определяется АТ, приложенное напряжение Usфф, частота w и время т.

В работе [4-7] показано, что теплоемкость можно определить из выражения

(4-13)

где V и s — объем и поверхность тела; р — плотность вещества;

— — скорость охлаждения (изменение температуры со временем).

Рис. 4-8. Принципиальная схема измерений tgö по нестационарному калориметрическому методу

Индексы 1 и 2 относятся к исследуемому диэлектрику (керамика, слюда и т. д.) и эталону. В качестве такого эталона можно выбрать плавленый кварц.

Подстановкой (4-13) в (4-12) получаем окончательную расчет­ ную формулу для tg б. Необходимо только учесть, что емкость С= С0 + ДС, где Со — емкость образца при комнатной температуре, а АС— часть ее, связанная с изменением е.

На рис. 4-8 приведена принципиальная схема измерений tg б по изложенному методу. Здесь 1 — генератор высокочастотных коле­ баний, индуктивно связанный с измерительным контуром через ка­

ный конденсатор 3 при настройке в резонанс позволяет фиксиро­ вать увеличение или уменьшение емкости вследствие изменения е образца при нагревании.

Платино-платинородиевая термопара 9 должна быть плотно прижата к исследуемому образцу 7. Она предназначена не только для измерения температуры образца, но и определения его высо­ кочастотного нагрева. Эти две операции могут осуществляться

66