Изучение диэлектрических потерь в слоистых органических электроизоляционных материалах

Цель работы: Ознакомится с техническими характеристиками слоистых электроизоляционных материалов, используемых в качестве конструкционных электроизоляционных материалов электронных средств.

Задания:

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями по работе.

2. Изучить принцип работы лабораторной установки.

3. Снять зависимость ёмкости диэлектрического материала образца и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры.

4. Рассчитать величины ε и k_d.

5. Сравнить полученные данные с известными значениями и сделать вывод об изучаемом материале.

Теоретические сведения

Диэлектрики – вещества, обладающие весьма малой электронной проводимостью вследствие большой энергии ионизации атомов. Для них характерна положительная реакция электропроводности на воздействие внешних энергонесущих факторов, но слабо выраженная по сравнению с полупроводниками. Удельное электрическое сопротивление таких материалов в 10¹² – 10²⁵ раз выше, чем у проводников и характеризуется величинами порядка 10¹⁸ Ом·м. Энергия, необходимая для возбуждения электронов на уровни проводимости, превосходит 3 электрон-вольта

Диэлектрические потери

Диэлектрические потери это процесс выделения тепловой энергии в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Потери связаны с электропроводностью и поляризацией диэлектриков. Так, под действием электрического поля свободные носители заряда разгоняются, приобретают кинетическую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещества, передают им эту энергию. Таким образом, энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию.

Рассмотрим конденсатор с диэлектриком, который включён в электрическую цепь Мощность электрических потерь в нем определяется формулой:

W = U I cos α,

где U – напряжение и I –ток на участке цепи, –  сдвиг фаз между ними.

В конденсаторе с идеальным диэлектриком сдвиг фаз между напряжением и током в точности равен 90 градусам (угол α), вследствие чего мощность потерь в соответствии с формулой равна нулю. В случае реального диэлектрика ток отклоняется от перпендикулярного направления на некоторый угол . Векторная диаграмма тока и напряжения в этом случае приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Векторная диаграмма напряжения и токов в цепи с конденсатором.

Вектор тока можно разложить на две составляющие: I_a – активную, параллельную вектору напряжения, и I_p – реактивную, перпендикулярную вектору напряжения.

Тогда по диаграмме

I cos α = I_a = I sin = I_р tg,

Или подставляя в выражение для мощности получим

W = U I_р tg,

т.е. величина мощности потерь пропорциональна множителю - tg . Поэтому для количественной оценки величины диэлектрических потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь, который характеризует свойства материала.

Величина напряжения (U), круговой частоты тока (w) и емкость конденсатора (С) определяют реактивную составляющую тока:

I_p = UwC,

В свою очередь емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости материала .

С =  С₀

где С₀ – емкость конденсатора без диэлектрика.

Откуда

W = U w C₀ tg,

В приведенной формуле величины U, w и С₀ не зависят от свойств среды, а диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь определяются материалом диэлектрика. Их произведение называют коэффициентом диэлектрических потерь k_d.

k_d = ε tg,

от него зависит мощность электрических потерь, подставляя, получим

W = U w C₀ k_d,

Величины тангенс угла потерь tg и коэффициент диэлектрических потерь k_d характеризуют свойства материала. Чем они больше – тем больше электрические потери и тем больше нагрев диэлектрика в процессе эксплуатации.

Мощность потерь энергии пропорциональна частоте переменного электрического поля. Поэтому по величине тангенса угла и коэффициента потерь различают низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) диэлектрики.

НЧ диэлектрики используются при низких частотах f < 20 кГц, ВЧ диэлектрики – при высоких частотах электрического поля f > 20 кГц. Тангенс угла диэлектрических потерь tg зависит от химического состава материала, его строения, полярности. Величина полярности для некоторых атомных групп возрастает в ряду слева направо:

CH < CN < CO < CF < CCl

Наименьшие величины тангенса угла потерь tg и коэффициента диэлектрических потерь k_d. имеют химически чистые неполярные диэлектрики с ковалентной и поляризационной связью.

Зависимость тангенса угла потерь от температуры

Общие потери диэлектрика складываются из потерь на электропроводность и потерь на поляризацию. При нагревании меняются все свойства диэлектрика, в том числе и электропроводность и поляризация, с которыми связаны потери. Характер зависимостей tg различный для полярных и неполярных диэлектриков.

Для неполярных диэлектриков потери определяются в основном электропроводностью. С увеличением температуры концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике повышается. Следовательно, потери на сквозную электропроводность возрастают, и возрастает тангенс угла потерь. Вид графика температурной зависимости tg приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Температурная зависимость тангенса угла потерь

неполярного диэлектрика.

В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, добавляются потери на поляризацию. Такие диэлектрики имеют полярные молекулы или группы, которые поворачиваются под действием электрического поля. Внешнее электрическое поле при этом совершает работу А по повороту этих диполей равную A = M  где M – момент силы необходимый для поворота,  – угол поворота диполей.

Рисунок 4. Зависимость от температуры угла поворота полярных молекул ,

момента сил M и совершаемой работы электрического поля A.

С ростом температуры подвижность частиц возрастает и величина момента M уменьшается, а угол поворота диполей  возрастает. В результате совершаемая работа, равная их произведению, сначала возрастает, а затем убывает, образуя колоколообразную зависимость с максимумом, характерную для поляризационных потерь. Вид температурной зависимости общих потерь для полярных диэлектриков показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры

для полярных диэлектриков.

Зависимость тангенса угла потерь от частоты

Для неполярных, при воздействии электрического поля свободные носители зарядов разгоняются, приобретают кинетическую энергию, потом соударяются с встречающимися на их пути преградами и при этом энергия частиц переходит в тепловую.

В переменном электрическом поле частицы половину периода движутся в одну сторону, а затем вторую половину периода – в противоположную сторону. С увеличением частоты поля длительность периода колебаний сокращается, следовательно, уменьшается энергия, приобретаемая частицами за время полупериода, что приводит к снижению количества энергии переходящей в тепло. Вид графика частотной зависимости tg неполярного диэлектрика приведен на рисунке 6.

Рисунок 6. Зависимость тангенса угла потерь неполярного диэлектрика

от частоты электрического поля.

При росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются.

Для полярных, дипольные частицы имеют характерные частоты резонансов, на которых величина потерь на поляризацию возрастает. Складываясь с потерями проводимости, получаются общие потери. На рисунке 7 приведен вид температурной зависимости tg полярного диэлектрика, на графике можно увидеть характерные резонансные пики.

Рисунок 7. Зависимость тангенса угла потерь полярного диэлектрика

от частоты электрического поля.

Наличие максимумов tg на резонансных частотах увеличивает общие потери и ограничивает применение полярных диэлектриков в высокочастотных полях.

Классы нагревостойкости изоляционных материалов

• Класс V (до 90 ºС) - волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка, натурального шелка, не пропитанные жидким электроизоляционным материалом.

• Класс A (до 105 ºС) - волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка, натурального, искусственного или синтетического шелка, пропитанные жидким электроизоляционным материалом.

• Класс E (до 120 ºС) - синтетические органические материалы и другие материалы или композиции, для которых практически установлена работоспособность в данном классе.

• Класс B (до 130 ºС) - материалы на основе слюды, асбеста, стекловолокна в сочетании с органическими связующими.

• Класс P (до 155 ºС) - материалы на основе слюды, асбеста, стекловолокна в сочетании с синтетическими связующими, которые соответствуют данному классу.

• Класс H (до 180 ºС) - материалы на основе слюды, асбеста, стекловолокна в сочетании с кремнийорганическими связующими; кремнийорганические эластомеры.

• Класс C (свыше 180 ºС) - слюда, керамика, стекло, кварц без связующих или с неорганическими связующими (элементоорганическими составами).