12 Полярные диэлектрики. Связь строения полярной молекулы с величиной ее дипольного момента. Поправка Дебая к уравнению Клаузиуса-Мосотти.

13 Дебаевская модель процесса дипольной поляризации.

Во многих диэлектриках имеются молекулы, которые обладают собственным

электрическим моментом P, т. е. они представляют собой диполи даже в отсутствие

внешнего электрического поля. При изменении направления ориентации диполей во

внешнем электрическом поле возникают упругие возвращающие силы. Очевидно, что это

наблюдается тогда, когда диполи более или менее жестко связаны, т. е. упругая дипольная

поляризация имеет место в твердых диэлектриках – полярных кристаллах.

В газах и жидкостях, а также в некоторых кристаллических диэлектриках полярные

молекулы разориентированы за счет теплового движения, так что результирующая

поляризация равна нулю. Под действием внешнего поля устанавливается некоторая

преимущественная ориентация диполей в направлении поля. Поскольку ориентация

диполей в этом случае зависит от теплового движения, механизм поляризации получил

название тепловой дипольной поляризации.

Простейшей полярной молекулой является молекула HCl . Эти несимметричные

молекулы, находящиеся в газообразном или в жидком состоянии, могут принимать

участие только в тепловой поляризации. В то же время при T < 98 K соляная кислота

находится в кристаллическом состоянии и диполи образуют упорядоченную структуру.

Вследствие этого упорядочения диполей в полярном кристалле существует внутреннее

электрическое поле. Во внешнем электрическом поле имеет место упругое отклонение

дипольных моментов от равновесной ориентации.

Рассмотрим простейшую модель, из которой можно рассчитать поляризуемость

дипольной упругой поляризации (рис. 1.7). Пусть диполь с моментом Pо ориентирован

внутренним электрическим полем Евн. Под действием внешнего поля Е, направленного

под углом β к Евн, диполь поворачивается на небольшой угол γ

При отклонении диполя от положения равновесия возникает квазиупругая

возвращающая сила F. Предположим, что E < Eвн . Найдем поляризуемость, считая, что

изменение электрического момента системы во внешнем поле пропорционально

напряженности поля:

P =αd*E

За счет поворота диполя на угол γ изменяется проекция дипольного момента на

направление поля E. Это равносильно возникновению момента в направлении поля. Изменение проекции P можно вычислить из рис. 1.7

вклад этого вида поляризации может обусловливать анизотропию диэлектрической

проницаемости. Поляризуемость упруго связанных полярных молекул зависит также от

величины момента каждой молекулы и энергии межмолекулярных связей U 0

14 Дебаевское соотношение е* = е' - jе". Зависимости е', е" от частоты и температуры для полярных диэлектриков.

22 Как можно идентифицировать природу электропроводности?

23 Зависимость проводимости диэлектриков от внешних условий.

24 Природа диэлектрических потерь. Общие соотношения. Характерные

зависимости. 25 Проанализируйте параметры, характеризующие диэлектрические потери. 26 Зависимость параметров, характеризующих диэлектрические потери, от внешних условий.

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных мате-

риалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества.

Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только

электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. Как известно, все газы отличаются весьма малой проводимостью, и в связи с этим угол диэлектрических потерь у них ничтожно мал, особенно при высоких частотах. Значение tgδ может быть вычислено по формуле

Удельное объемное сопротивление газов порядка 1016 Ом⋅м , ε ≈1 и tgδ при f = 50Гц (при отсутствии ионизации) менее 4 ⋅10−8 . При высоких напряжениях и чаще всего в неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превосходит некоторое критическое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию. Приближенно ионизационные потери могут быть вычислены по формуле:

Pau=A1 f (U −U u)^3, где

Где A1 – постоянный коэффициент; f – частота; U – приложенное напряжение; U и –

напряжение, соответствующее началу ионизации.

Формула справедлива при U > U и и линейной зависимости tgδ от E . Значение ионизирующего напряжения U и зависит от давления газа, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега электронов. С увеличением давления газа выше атмосферного значение напряжения начала ионизации возрастает.

Ионизационные потери являются дополнительным механизмом диэлектрических потерь для твердого диэлектрика, содержащего газовые включения. Ионизация газа в таких включениях особенно интенсивно происходит при радиочастотах. На рис. 2.5. показано

влияние газовых включений на характер изменения tgδ с увеличением напряжения. При возрастании напряжения свыше U и , tgδ растет. При U >U1 , когда газ во включениях уже ионизирован, требуется меньшая энергия на дальнейшее развитие процесса и tgδ уменьшается.

Рис. 2.5. Изменение tgδ в зависимости от напряжения для твердой изоляции с

газовыми включениями

Кривую tgδ = F(U) часто называют кривой ионизации. При высоких частотах

ионизация и потери в газах возрастают настолько, что это явление может привести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает ионизационное значение.

Возникновение ионизации газа, заполняющего поры в твердой изоляции, нередко также приводит к ее разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что в одних случаях вызывает химическое разрушение органической изоляции, содержащей газовые включения, в других – цепную реакцию окисления, инициированную бомбардировкой материала заряженными частицами.

Если неполярная жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами, то потери в них обусловлены только электропроводностью. Удельная проводимость нейтральных частых жидкостей очень мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло, tgδ которого очень мал и поддается расчету по формуле (2.13).

Полярные жидкости в зависимости от условий (температуры, частоты) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь на электропроводность. Удельная проводимость таких жидкостей при комнатной температуре составляет 10^-10 10^-11 Дипольно-релаксационные потери, наблюдаемые в вязких жидкостях при переменном напряжении, особенно при высоких частотах, значительно превосходят потери на электропроводность.

Дипольно-релаксационные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны и могут быть меньше потерь на электропроводность. При радиочастотах дипольно-релаксационные потери даже в маловязкой жидкости велики и превосходят потери на электропроводность. Ввиду этого полярные жидкости не могут быть использованы при высокой частоте. Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры материалов. Различные твердые вещества имеют разный состав и строение; в них возможны все виды диэлектрических потерь. Диэлектрики, имеющие молекулярную структуру с неполярными молекулами и не содержащие примесей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями. К таким диэлектрикам относятся сера, церезин, неполярные полимеры – полиэтилен,

политетрафторэтилен, полистирол и др. Указанные вещества в связи с их малыми потерями применяют в качестве высокочастотных диэлектриков.

Твердые диэлектрики, состоящие из полярных молекул, представляют собой главным образом органические вещества, широко используемые в технике: полярные полимеры – эпоксидные компаунды, кремнийорганические и феноло-формальдегидные смолы, полиамиды (капрон), полиэтилентерефталат (лавсан), гетинакс и др. Все они благодаря присущей им дипольно-релаксационной поляризации имеют большие потери, особенно при радиочастотах. В веществах с кристаллической структурой и плотной упаковкой ионов в отсутствие примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются потери на электропроводность. К веществам данного типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамики, например, корунд, входящий в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко увеличивают диэлектрические потери. Диэлектрические потери в квазиаморфных веществах с ионной структурой – неорганических стеклах – отличаются некоторыми особенностями. В стеклах за релаксацию ответственны слабосвязанные ионы, совершающие перескоки из одной ячейки пространственной структурной решетки в другую. Потенциальные барьеры, ограничивающие движение слабосвязанных ионов, неодинаковы вследствие локальных неоднородностей структуры стекла. Поэтому релаксационные потери в стеклах определяются широким набором времен релаксации, что приводит к расширению и некоторому сглаживанию максимумов в температурной и частотной зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь.