книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

пронизывающие весь диэлектрик от одного электрода до дру­ гого.

Влияние напряженности поля. Проводимость твердого диэлек­ трика в сильных полях увеличивается (рис. 1-5) по закону

Рис. 1-5. Зависимость удельной объемной прово­ димости диэлектрика:

а) от времени действия влажной атмосферы (? =98%, мрамор); б) от напряженности поля:/ — фибра; 2 — тек­ столит

где ун— проводимость в слабых полях,

b — постоянная для данного материала.

Это объясняется появлением или возрастанием электронной составляющей тока. Удельная объемная проводимость техниче­ ских материалов хорошего качества имеет величину порядка

= 10 -15 ом, - 1 с м ~ 1.

10

1-3. ПРИРОДА ПОВЕРХНОСТНОЙ ПРОВОДИМОСТИ

Поверхностная проводимость диэлектриков определяется свой­ ствами тонкого слоя диэлектрика, прилегающего к поверхности, и наличием адсорбированной (осажденной на поверхности) влаги. Проводимость пленки влаги зависит как от состава и количества осадков иа поверхности, так и от свойств самого изолирующего материала. Не смачивающиеся водой и нерастворимые твердые диэлектрики (например, пара­

водящие осадки или нет, иссле­ дуемые диэлектрики обладают в вакууме исчезаемой малой по­

верхностной проводимостью. Последняя появляется тогда, когда в окружающей атмосфере есть пары воды, которые немедленно осаждаются на поверхности. Далее поверхностная электропро­ водность зависит от способности к растворению самого материала,

меньше, чем для фторорганического диэлектрика — фторопласта 4. В сухом воздухе они-имеют практически одну и ту же поверхност­ ную проводимость 7 ^ = 5- 10-17 ом~1. Однако во влажной атмосфере

И

ГЛАВА 2

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

2-1. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

Под воздействием электрического поля диэлектрик поляри­ зуется. Количественной характеристикой этого процесса служит поляризованность Рд— векторная величина, равная результирую­ щему электрическому моменту SAf в единице объема v вещества

Относительная диэлектрическая проницаемость е связана с поляризованностью Р соотношением

поля Е и притом неоднозначной; их называют сегнетоэлектриками. Широкоиспользуемая зависимость диэлектрической проницае­ мости от температуры для диэлектриков характеризуется темпе­ ратурным коэффициентом е;

7"А> = ЮО проц/град. (2-2)

При линейном характере этой зависимости в интервале темпера­ тур t2—ty эту величину находят по соответствующим значениям еэ

и ег.

ia

В диэлектриках поляризованность Р меняется пропорциональ­ но напряженности Е\ >в сегнетоэлектриках эта зависимость носит нелинейный характер.

Под воздействием электрического поля в диэлектрике рассеи­ вается энергия. Диэлектрическими потерями называют электри­ ческую мощность, затрачиваемую в диэлектрике, находящемся в электрическом поле. Эта мощность при переменном поле значи­ тельно больше, чем в постоянном, поэтому обычно образец диэлектрика представляют той или мной эквивалентной схемой,

Рис. 2-1. Эквивалентные схемы и соответствующие им вектор ные диаграммы для образца диэлектрика с потерями:

а) последовательная; 6) параллельная схемы

присоединенной к источнику синусоидального напряжения. Если рассматривать параллельную эквивалентную схему (рис. 2-1), то,

как известно, вектор тока /с в емкости С сдвинут во времени от­

называют углом диэлектрических потерь. Для определения ди­ электрических потерь преобразуем известное выражение средней мощности в цепи переменного тока

P = UI cos <р.

Ток / согласно векторной диаграмме

[ = h - cos 8 ’

14

где

I = - L L = UuC.

Учтя равенство

cos ®= sin 8,

после подстановки получим

Важной характеристикой диэлектрика является коэффициент по* терь. В случае плоского конденсатора емкость

и ~~7Г ’

где .S’ — площадь электрода, h — толщина диэлектрика.

Подставим это соотношение в формулу потерь

При неизменных значениях ш, U, а также h и S потери зависят только от произведения stgo. Это произведение называют коэффи­ циентом потерь

v— hS.

Вэтом случае, пренебрегая краевым эффектом,

Это выражение справедливо и для неоднородного поля. Вспоми* пая, что согласно закону Ленца—Джоуля удельная мощность

Р'= Е 2ъ

15

где 7 — удельная проводимость, определим удельную проводи­ мость у/ диэлектрика при переменном токе; путем сравнения фор­ мул для Р' находим

Общей характеристикой диэлектрика, учитывающей и эффект поляризации и эффект диэлектрических потерь, является ком­ плексная диэлектрическая проницаемость.

Если построить 'векторную диаграмму токов для параллельной эквивалентной схемы в комплексной плоскости (рис. 2-1), то активный ток, откладываемый по оси вещественных,

/« = 1сtg 8 = Ц- tg 8 = U*>С tg 8.

Л С

Емкостный ток, направленный по оси мнимых,

1 = 1 с = и ь = и « с ,

где Ь = тС— емкостная проводимость. Комплексный ток

/ = К + J1р = UioC tg 8 + JLhoC.

Преобразуем это выражение, снова обратившись к случаю пло­ ского конденсатора

/ = jmCJ (С -У С tg 8) = > £ / (е —у’еtg 8).

Выражение в скобках называют комплексной диэлектрической проницаемостью

В литературе можно встретить это выражение в иной форме

Процессы поляризации в различных диэлектриках могут сильно отличаться друг от друга. Различают следующие основные виды поляризации: электронная, ионная, релаксационная и сегнетоэлектрическая. Электронная и ионная поляризация представляют со­ бой разновидности деформационной поляризации.

2-2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ И ПОТЕРИ ПРИ ЭЛЕКТРОННОЙ И ИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Относительная диэлектрическая проницаемость определяется при данном поле Е величиной поляризованности Рд. В свою оче­ редь эта величина зависит от характера поляризации диэлек­ трика.

16

Электронная поляризация представляет собой процесс смеще­ ния под действием внешнего поля упруго связанных заряженных частиц — электронов в наружных оболочках атомов или ионов.

Неполярные диэлектрики состоят из электрически нейтральных молекул. Нейтральная молекула не создает электрического поля во внешнем по отношению к ней пространстве. Электроны, вра­ щающиеся по своим орбитам, воспринимаются, как расположен­ ные в центре атома. Поэтому можно считать что в неполярных молекулах центры действия положительно заряженных и отрица­ тельно заряженных частиц совпадают. Такая молекула не обла­ дает электрическим моментом.

Под воздействием внешнего электриче­ ского поля происходит упругая деформация электронных оболочек

2,6

2,2

атомов и ранее неполярная молекула приобретает электрический момент, т. е. уподобляется диполю. Этот момент называется инду­ цированным. Геометрическая сумма этих моментов в единице объема и представляет, собой электронную поляризованность Рэ Время установления поляризованности Рэ имеет весьма малую величину порядка 10~15 сек.

Этот вид поляризации наблюдается у всех без исключения диэлектриков, но он является главным видом у неполярных диэлектриков (например, в минеральном масле, в полиэтилене). Упругое смещение электронных оболочек невелико, поэтому для неполярных жидких и твердых диэлектриков е~2. Электронная поляризация является процессом обратимым и не сопровождается рассеиванием энергии; тангенс угла диэлектрических потерь ни­ чтожно мал и обусловлен влиянием проводимости и присутствую­ щих случайных примесей: tg8=»10-4. Повышение температуры со­ провождается уменьшением s при электронной поляризации (рис. 2-2) в связи с тепловым расширением диэлектрика: знаме­ натель в формуле (2-1) растет, числитель не изменяется; вели­

i o t T r

При размягчении неполярных диэлектриков, когда их объем заметно увеличивается, е резко падает.

Ионная поляризация представляет собой процесс упругого сме­ щения под действием внешнего поля заряженных частиц — ионов относительно положения равновесия. Такой вид поляризации ха­ рактерен для диэлектриков ионного строения — ионных кристал­ лов и поликристаллов (например, для корунда-А12Оз, слюды). Под воздействием внешнего поля ионы в решетке смещаются относи­ тельно положения равновесия и появляется индуцированный мо­ мент в единице объема Ри. Время установления поляризованности Ри имеет величину порядка 10~13 сек. В диэлектриках с пре­ обладанием ионной поляризации появляется значительный момент в единице объема и поэтому е = 7н-10. Ионная поляризация является процессом обратимым и не сопровождается потерями. Ве­ личина tgo —5 -К)-4 обусловлена в основном наличием примесей, искажающих решетку.

Повышение температуры сопровождается ослаблением связей между ионами, их смещение под влиянием поля увеличивается

ие возрастает (рис. 2-2,6).

Внекоторых материалах, несмотря на наличие ионной поля­ ризации, при нагревании диэлектрическая проницаемость умень­

шается (двуокись титана ТЮ2, титанат кальция CaTi03 и др.). В этих кристаллах в результате смещения ионов возникает доба­ вочное внутреннее поле, сильно увеличивающее электронную поля-* ризацию. При нагревании электронная поляризованность умень­ шается и это дает больший эффект, чем возрастание ионной со­ ставляющей; диэлектрическая проницаемость снижается. Ввиду быстрого завершения процесса электронную и ионную поляризации называют мгновенными.

2-3. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ И ПОТЕРИ ПРИ РЕЛАКСАЦИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Релаксационная поляризация подразделяется на дипольнорелаксационную и ионно-релаксационную.

Первый вид поляризации преобладает в полярных диэлектри­ ках. Они состоят из полярных молекул, которые даже при отсут­ ствии -внешнего электрического поля обладают постоянными элек­ трическими моментами. Центры действия положительно заряжен­ ных и отрицательно заряженных частиц в молекуле не совпадают; полярные молекулы имеют несимметричное строение и благодаря этому молекула представляет собой электрический диполь, даже когда внешнего поля нет. Изоляционный материал, содержащий полярные молекулы, следует относить к полярным веществам.

Дипольно-релаксационная поляризация представляет собой процесс ориентации (поворота) под действием внешнего поля ча­ стиц, имеющих постоянный электрический момент. Когда поле не приложено, то полярные молекулы, в том случае, когда они слабо

18

связаны между собой, в своем тепловом движении совершают бес­ порядочные вращательные движения, переходя от одного равно­ весного положения к другому. В среднем суммарный электриче­ ский момент в единице объема такого диэлектрика равен нулю, несмотря на наличие постоянного момента у каждой полярной мо­ лекулы. Если поместить диэлектрик в электрическое поле, то теп­ ловые вращательные переходы становятся более вероятными в определенном направлении, электрические моменты молекул под воздействием поля ориентируются по преимуществу в направле­ ниях, близких к направлению поля. Вследствие этого в веществе появляется некоторый электрический момент в единице объема.

Несколько иначе происходит дипольно-релаксационная поля­ ризация, если полярные частицы сильно связаны между собой. В твердых аморфных диэлектриках могут содержаться, напри­ мер, гидроксильные группы ОН. Такие полярные группы и ради­ калы связаны с остальной частью молекулы значительно сильнее, чем дипольные молекулы в жидких диэлектриках между собой. Однако они также претерпевают тепловые переходы внутри моле­ кул из одного равновесного положения в другое. Внешнее элек­ трическое поле делает более вероятными их переходы преимуще­ ственно в одну сторону; в результате электрические моменты молекул, складываясь, дают суммарный электрический мо­ мент Рврел в единице объема, не равный нулю. Дипольно-релакса­ ционную поляризацию этого вида в твердых аморфных материа­ лах или поликристаллах с аморфной фазой иногда именуют струк­ турной поляризацией.

Процесс установления дипольно-релаксационной поляризован­ ное™ после включения напряжения требует значительного вре­ мени, иногда превосходящего период колебаний переменного тока низкой частоты.

Дипольно-релаксационная поляризация преобладает в жидких полярных диэлектриках (например, в касторовом масле), а также в твердых изоляционных материалах, содержащих полярные ра­ дикалы, ОН — в целлюлозе, С1 — в фторопласте 3 и др.

Ионно-релаксационная поляризация обусловлена появлением некоторой упорядочностн в хаотическом тепловом движении за­ ряженных частиц при внесении диэлектрика во внешнее электри­ ческое поле. Такими частицами чаще всего являются слабо связанные ионы. При отсутствии поля они поступательно переме- 'щаются в своем тепловом движении из одного равновесного поло­ жения в другое; однако в твердых телах возможность перемеще­ ния слабосвязанных ионов сильно ограничена потенциальными барьерами.

Под влиянием внешнего поля создается некоторое преимуще­ ственное - направление в неупорядоченных ранее движениях из одного равновесного положения в другое, причем избыточное сме­

19