Электрическое сопротивление диэлектриков.

Поляризация диэлектриков

Основное электрическое свойство диэлектриков - способность поляризоваться под воздействием электрического поля, в котором возможно существование внутреннего электрического поля.

Поляризация представляет собой процесс смещения и упорядочения связных электрических зарядов в диэлектриках под действием внешнего электрического поля.

По этому признаку все диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные.

В тех материалах, в атомах которых электрон вращается вокруг ядра (протона) по круговой орбите, центры приложения как положительных, так и отрицательных зарядов совпадают. За счет быстрого вращения по круговой орбите отрицательный заряд электрона практически находится в центре системы. Дипольный электрический момент атома μ = qL, где q - положительный или равный ему отрицательный заряд частицы; L - расстояние между зарядами. В данном случае L = 0 и соответствует μ = 0.

Диэлектрики, у которых дипольный электрический момент равно нулю, называются неполярными. К таким диэлектрикам относятся одноатомные (Не, Аr, Кr) и двухатомные (H2, N2, Cl2) газы. Слабо полярны все углеводороды и некоторые органические материалы.

Если такой материал поместить в электрическое поле, то центр отрицательного заряда изменит свое положение и система, (атом) превратится в диполь с наведенным электрическим моментом:

Рисунок – 1. Дипольная молекула

m = αE

где: Е - напряженность электрического поля; α - коэффициент пропорциональности или поляризуемость, т.е. способность поляризоваться.

Рассмотренный вид поляризации называется электронный и происходит практически мгновенно (за время 10¹⁵ с.). Этот вид поляризации относится к упругим видам, не сопровождается рассеиванием энергии, т.е. за счет упругой деформации или смещения атомов, ионов или молекул материала из положения равновесия под действием электрического поля и быстро возвращается в исходное положение при снятии воздействия внешнего поля. Электронная поляризация характерна для всех типов диэлектриков.

Примером полярного диэлектрика является материал, обладающий молекулярным строением, когда центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают. В простейшем случае молекула состоит из положительного и отрицательного иона. В отсутствии внешнего электрического поля каждая молекула обладает собственным электрическим дипольным моментом μ неравным нулю. За счет теплового движения все дипольные молекулы расположены хаотично и суммарная поляризация материала равна нулю.

Если такой диэлектрик поместить в электрическое поле Ен, то дипольные молекулы примут некоторое ориентированное положение. На поверхности материала появятся связанные поверхностные заряды. Эти заряды некомпенсированные в отличие от внутренних зарядов и именно они создают собственное поле диэлектрика Ев, вызванное поляризацией, напряженность которого направлена на встречу Ен. Суммарная напряженность электрического поля Е оказывается несколько меньше, чем в случае отсутствия диэлектрика электродами (в вакууме). Такой вид поляризации называется дипольнорелаксационной, замедленной поляризацией, так как связан с перемещением крупных частиц материала и происходит за более ощутимое время 10^-2 ... 10^-10 с. За время установления поляризации (время релаксации) принимают время, в течение которого при снятии электрического поля поляризация диэлектрика уменьшается в е раз.

Величина, характеризующая степень ослабления напряженности внешнего поля внутренним полем диэлектрика, является одной из важных электрических характеристик диэлектрика - диэлектрической проницаемостью и обозначается буквой е:

ε=Ен/Ен – Ев

Рисунок 2. Поляризация диэлектрика

В неполярных диэлектриках происходят только упругие виды поляризации, в полярных – как упругие, так и релаксационные. Значение е зависит от вида поляризации. Для полярных диэлектриков она обычно больше, чем для неполярных и зависит от частоты приложенного напряжения, температуры и влажности.

Рисунок 3. Поляризация неполярного диэлектрика

2. Зависимость Ε от частоты приложенного напряжения.

В переменном электрическом поле Ε в полярных диэлектриках при повышении частоты f внешнего поля до некоторого значения остается неизменной. Однако при достижении некоторого критического для данного вещества значения частоты е падает и стремится к минимальному значению ε. Такая зависимость вызвана замедленным механизмом релаксационной поляризации, присущей полярным диэлектрикам.

При низкой частоте приложенного поля диполи успевают поворачиваться вслед за изменением направления поля. При частотах выше fkp диполи из-за трения уже не успевают за изменением поля и ε снижается.

Для неполярных диэлектриков, поляризация не связана с процессами трения, е не зависит от f по крайней мере в диапазоне применяемых в технике частот.

1 – полярный диэлектрик; 2 – неполярный диэлектрик

Рисунок 4. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты

3. Зависимость Ε от температуры.

Рисунок 5. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры

В области I с ростом температуры увеличивается подв-ть молекул (частиц, диполей) диэлектриков, тем самым облегчает процесс поляризации и растет ε, которая достигает своего максимума в области II. Однако дальнейший рост температуры с одной стороны, снижает вязкость материала, с другой стороны, возрастает хаотическое тепловое движение частиц материала, которое мешает процессу ориентации диполей, разрушая его. Диэлектрическая проницаемость снижается.

Для неполярных диэлектриков влияние температуры на е незначительно и увеличение может, как уменьшать, так и увеличивать ε.

Зависимость ε от температуры можно учесть через температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКε:

ТКε = 1/ ε • Δε / ΔТ

Потери в диэлектриках

За величину, характеризирующую диэлектрические потери в диэлектриках принимают отношение активной части токов к реактивной. Отношение Iа / Ip = tgσ, то есть тангенсу угла между вектором суммарного тока Iоб и его реактивной составляющей. Безразмерная величина tgσ принята за характеристику материала и называется тангенсом угла диэлектрических потерь.

Произведение ε * tgσ называется коэффициентом диэлектрических потерь. При больших значениях этого коэффициента диэлектрик склонен к перегреву и разрушению за счет выделяемой теплоты.

1 - полярные диэлектрики 2 - неполярные диэлектрики

Рисунок 6. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры

С ростом температуры уменьшается удельное электрическое сопротивление диэлектриков и, следовательно, растет ток сквозной проводимости. Нагрев диэлектрика влияет на процессы поляризации. В процессе нагрева сначала происходит увеличение подвижности частиц диэлектрика, что увеличивает количество теплоты, выделяемой за счет трения частиц или их ориентации. Однако дальнейшее увеличение температуры повышает хаотические колебания частиц, препятствующее поляризации. С другой стороны при нагреве снижается вязкость материала и, следовательно, уменьшается трение при ориентации дипольных частиц. Все это приводит к снижению диэлектрических потерь. Суммируя действие всех факторов, связанных с диэлектрическими потерями получаем изображение на рисунке 6 для полярных диэлектриков.

Изменение частоты приложенного напряжения влияет на диэлектрические потери. Частота влияет на потери поляризации. На ток сквозной проводимости f не влияет. Частота практически не влияет и на упругие виды поляризации. Таким образом, релаксационные виды поляризации вызывают изменение диэлектрических потерь при изменении f.

Рисунок 7. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты

Графическая зависимость tga = φ(f) для полярных диэлектриков повторяет tgσ = φ(Т) для тех же материалов. Это связано с тем, что при Т = const ориентация диполей сначала успевает за изменением полярности приложенного напряжения, а затем, с ростом f, пройдя максимальное значение для tgσ, начинает отставать. Вместо полного поворота вслед за полем диполи начинают колебаться все с меньшей амплитудой, что и снижает уровень диэлектрических потерь.

Значение ТК - справочный параметр, который задается для каждого диэлектрического материала.

При создании приборов и аппаратуры можно управлять характером изменения ε, используя комбинации диэлектрических материалов с различным знаком ТКε.

На е влияет влажность материала. Для всех материалов ε увеличивается с ростом влажности. Особенно чувствительны к влажности диэлектрики.

Электрическое сопротивление диэлектриков.

Все диэлектрики обладают большим удельным сопротивлением. При оценки любых диэлектрических материалов учитывают их объемное электрическое сопротивление ρ_v, а для твердых диэлектриков также и удельное поверхностное сопротивление ρ_s. Для диэлектриков характерны следующие значения:

ρ_v = 10⁸ ... 10¹⁸ Ом*м; ρ_v =10 ⁶... 10¹⁶ Ом*м.

При приложении к диэлектрику электрического поля по нему проходят токи:

1. Ток сквозной проводимости Iск, обусловленный перемещением некоторого количества заряженных частиц, наличие которых в диэлектриках связано с примесями.

2. Ток смещения Iсм, связанный с упругими видами поляризации, вызываемый смещением заряженных частиц от положения равновесия при поляризации.

3. Ток абсорбции Iаб, связанный с релаксационными видами поляризации, процессами ориентации диполей.

При постоянном напряжении по диэлектрикам проходит только ток сквозной проводимости, а поляризационные токи проходят очень короткое время и прекращаются при установлении поляризации. При переменном напряжении они проходят непрерывно. Электропроводность диэлектриков в первую очередь определяется наличием в них загрязнения (примесей). При увеличении температуры электропроводности диэлектрики увеличиваются, так как происходят температурное разрушение молекул диэлектриков, появляются свободные носители.

Повышение влажности вызывает падение электрического сопротивления диэлектрика, так как вода в реальных условиях содержит растворенные вещества и является проводником.

Диэлектрические потери.

При прохождении электрического тока через диэлектрик он нагревается и теплота рассеивается в окружающее пространство, то есть электрическая энергия теряется на нагрев диэлектрика.

Мощность, рассеиваемая в пространство, составляет диэлектрические потери.

Ток сквозной проводимости называется активным током, он вызывает нагрев диэлектрика и определяет диэлектрические потери. Поляризационные токи так же частично вызывают потери. Это относится к процессам релаксационной поляризации, когда происходит ориентация (поворот) крупных частиц материала (диполей), и в результате трения частиц друг относительно друга выделяется теплота. Упругие виды поляризации не вызывают диэлектрических потерь.

Векторная диаграмма токов имеет вид:

Рисунок 8. векторная диаграмма токов, протекающих в диэлектриках

По горизонтальной оси отложено значение токов, вызывающих диэлектрические потери (Iск + часть поляризационных токов, вызывающих нагрев диэлектрика) - активный ток Iа.

Для каждого материала существует так называемая критическая частота, при которой диэлектрические потери наибольшие. Эту частоту можно определить из условия: fкp * t = 1, где fкp - критическая частота; t - время релаксации поляризации. На этом принципе основано определение времени релаксации поляризации полярного диэлектрика при Т = const. Увеличение Т приводит к увеличению fкp, здвигая всю зависимость в сторону более высоких частот.

Диэлектрические потери используют иногда для разогрева диэлектрика. Например, для получения реакции полимеризации в ходе получения пластмассы, для сушки древесины.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: