Министерство высшего и среднего специального образования
PCФCР
КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени А. Н. ТУПОЛЕВА
Кафедра материаловедения
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Методические указания к лабораторной работе № 2 Казань 1982
УЖ 621.315.5/6
Определение емкости, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектриков: Методические указания к лабораторной работе "№ 2 /Составитель Э.Р.Галимов. - Казань: КАИ, 1982. - 16 с.
Приводятся данные о поляризации диэлектриков и диэлектрической проницаемости, о диэлектрических потерях в диэлектриках и видах потерь; исследуется влияние температуры и частоты приложенного поля на характер изменения диэлектрических характеристик; дается описание лабораторной установки для определения диэлектрических характеристик при переменном напряжении; приводится методика проведения испытаний.
Ил. - 8. Табл. - . Библиогр. - .
Рецензенты д-р хим.наук В.А.Воскресенский, канд.техн.наук В.А.Харламов
Цель работы: изучение явления поляризации в диэлектриках, воздействия частоты приложенного электрического поля и температуры на величины диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь.
Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость
При воздействии на диэлектрик электрического поля в нем протекает процесс поляризации - ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация вдоль поля дипольных молекул и возникновение дипольного момента. Состояние диэлектрика при этом оценивается количественно с помощью вектора электрического смещения , который связан с напряженностью электрического поля соотношением
где - абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества, Ф/м;
абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, ф/м;
- относительная диэлектрическая проницаемость вещества.
Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров и при том же напряжении, диэлектриком которого является вакуум. Относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума.
В зависимости от строения, состава и структуры диэлектрика различают два основных вида поляризации.3
Первый вид поляризации совершается в диэлектрике мгновенно я без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла. Второй вид поляризации нарастает и убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называется релаксационной поляризацией.
К мгновенной поляризации относятся электронная и ионная; остальные механизмы относятся к релаксационной поляризации (дипально-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная, миграционная и самопроизвольная).
Технический диэлектрик сложного состава и его структура могут одновременно обладать несколькими видами поляризации.
Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов. Образование упругих диполей происходит мгновенно. Время установления электронной поляризации ничтожно мало и составляет Величина смещения электронов невелика, что обусловливает низкую относительную проницаемость веществ Такую поляризацию в чистом
виде имеют неполярные вещества, например, неполярные жидкости: бензол, нефтяное масло; неполярные твердые диэлектрики: сера, парафин, полиэтилен, фторопласт - 4 и т.д.
Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, но в некоторых случаях на нее накладываются другие виды поляризации.
Ионная поляризация
характерна для твердых тел с ионным
строением
(каменная соль, керамика) и обусловливается
смещением упруго связанных ионов под
действием внешнего электрического
поля. Время установления
ионной поляризаций Диэлектрическая
проницаемость
лежит в широких пределах.
Дипольно-релаксационная поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым движением частиц. Дипольнне молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, поворачиваются и ориентируются в направлении действующего поля, создавая эффект поляризации диэлектрика. Поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления, что является причиной потери энергии. Дипольная поляризация свойственна полярным газам, жидкостям и твердым органическим веществам. Время установления дипольной поляризации
Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических
4
веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля; Такие ионы в тепловом движении могут перемещаться на расстояния, значительно превышающие упругие смещения.
Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Такой вид поляризации наблюдается для диэлектриков с высоким показателем преломления, электронной проводимостью, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности (титан, висмут, ниобий).
Миграционная (структурная) поляризация - дополнительный механизм поляризации, характерна для твердых тел неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей (гетинаксы, текстолита, слюда и др.). Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д.
Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует в сегнетоэлектриках. В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдельные области (домены), в которых даже без приложения электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение зарядов в пределах доменов, при этом ориентации электрических моментов в доменах различны. Наложение электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. Время установления спонтанной поляризации Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для веществ с самопроизвольной поляризацией (некоторые виды керамики) имеет резко выраженный максимум при определенной температуре, которая называется температурой (точкой) Кюри. В области температур выше точки Кюри спонтанная поляризация исчезает и теряются сегнетоэлектрические свойства материала и в отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение и исчезает зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля.
Классификация диэлектриков по виду поляризации
По особенностям поляризации все диэлектрики можно подразделить на несколько групп.
5
К первой группе относятся диэлектрики, обладающие только электронной поляризацией, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях С парафин «сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и др.).
Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями - полярные органические, полужидкие и твердые вещества(эпоксидные смолы, целлюлоза и т.п.).
Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризацией (слюда, каменная соль, фарфор и т.п.).
Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризующиеся спонтанной, электронной, ионной и алектронно-ионно-релаксационной поляризациями (сегнетова соль и т.д.).