Сделай Сам Свою Работу на 5

Графики зависимости диэлектрической проницаемости





ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Диэлектрическими материалами являются материалы с высоким удельным сопротивлением (более 109Ом×см), с шириной запрещенной зоны более 3эВ, способные к поляризации [5]. Поляризация – это состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема. Способность диэлектриков поляризоваться в электрическом поле определяется относительной диэлектрической проницаемостью

(3.1)

где СД – емкость конденсатора с данным диэлектриком; С0 – емкость того же конденсатора в вакууме.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость:

(3.2)

где e0 = 8,85×10-12 Ф/м - электрическая постоянная.

Значение e зависит от механизма поляризации диэлектрика.

Наиболее важные виды поляризации:

электронная – смещение орбит электронов относительно атомных ядер в электрическом поле. Время установления поляризации 10-15с. Встречается у всех диэлектриков;

ионная – смещение относительно друг друга ионов, образующих кристаллическую решетку. Время установления поляризации 10-13с;

дипольная – поворот дипольных молекул в полярных диэлектриках. Принадлежит к числу медленных видов поляризации.



Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты приложенного напряжения у полярных диэлектриков. Для неполярных диэлектриков, имеющих только электронную поляризацию, характерно то, что e не зависит от частоты электрического поля. Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры (рис. 3.1). Помимо частоты и температуры на диэлектрическую проницаемость может влиять влажность. Так, e гигроскопичных диэлектриков обычно возрастает при увеличении влажности. На практике часто приходится встречаться с композиционными диэлектриками, представляющими смесь двух или большего числа компонентов.

 

 

Графики зависимости диэлектрической проницаемости

от температуры: 1 для неполярных диэлектриков;

2 для ионных диэлектриков; 3– для полярных диэлектриков

 

Для модели плоского конденсатора, диэлектрик которого состоит из двух сплошных диэлектриков, имеющих различные e, запишем:

а) для параллельного соединения ;

б) для последовательного соединения , где e1, e2 – относительные диэлектрические проницаемости компонeнтов; y1, y2 – объемные концентрации компонентов (y1+y2=1) [7].



Во многих случаях (пластические массы, керамики и т.д.) диэлектрик представляет собой неупорядоченную статистическую смесь компонентов. Для расчета e* статистической смеси используется формула Лихтенекера, или логарифмический закон смещения: lge*=y1lge1+y2lge2. Для вспененных пластмасс (пенопласты):

(3.3)

где dn, dм – средние плотности вспененного материала и сплошного материала соответственно; eм – диэлектрическая проницаемость сплошного материала.

Реальные диэлектрики обладают конечным значением удельного сопротивления. Причиной этого является наличие подвижных ионов, как основного материала, так и примесей. Значение ионной электропроводности диэлектриков определяется таким же выражением, как и у полупроводников:

g=еmn, где n – концентрация свободных ионов; m – подвижность ионов. Ионная электропроводность происходит подобно диффузии по вакантным узлам. Поэтому, используя соотношение Эйнштейна D=jТm, можно выразить электропроводность диэлектриков

(3.4)

Электропроводность диэлектриков зависит в основном от быстро диффундирующих примесей, для которых Dn=10-5...10-7см2. К таким примесям относятся ионы меди, золота, серебра, калия, натрия, водорода. Ионы натрия и водорода при комнатной температуре легко проникают через тонкие пленки, а при высоких температурах – и через стенки кварцевой аппаратуры. Коэффициент диффузии экспоненциально увеличивается с повышением температуры. Поэтому температурная зависимость проводимости диэлектриков



(3.5)

где A – константа, Ө – энергия активации диффузии, такая же, как у собственных полупроводников.

Рассмотренная выше электропроводность является объемной. Однако благодаря неизбежному увлажнению, окислению и загрязнению поверхностных слоев твердых диэлектриков создается заметная поверхностная электропроводность.

В диэлектриках наблюдаются потери энергии приложенного электрического поля. Эти потери называются диэлектрическими. Они возникают как на постоянном, так и на переменном токе. Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряженность поля превышает некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем. В диэлектриках возможны следующие виды пробоя: тепловой, электрический, электрохимический, ионизационный.

 

 

ПАРАМЕТРЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Для полной характеристики свойств диэлектриков используются электрические, механические, тепловые, физические параметры.

 

Электрические параметры

1. Относительная диэлектрическая проницаемость (e). Значение e вакуума равно единице, а всякого диэлектрического материала – больше единицы. Если С0 – емкость вакуумного конденсатора произвольной формы и размеров, то емкость того же конденсатора с диэлектриком С=e∙С0.

Значения емкости C конденсаторов наиболее важных конфигураций приведены ниже. Для плоского конденсатора , где S – площадь обкладок; h – толщина диэлектрика. Для цилиндрического конденсатора

, (3.6)

где L – длина цилиндра; r1 – радиус внутреннего цилиндра; r2 – радиус внешнего цилиндра. При r2–r1»r1

, (3.7)

Для систем параллельных проводов вводят понятие удельной (погонной) емкости, т.е. емкости, отнесенной к единице длины , где С – емкость изоляции участка кабеля длиной L. Для одножильного кабеля удельная емкость (нФ/м) между жилой радиусом r1 и металлическим экраном с внутренним радиусом r2

(3.8)

При r2r1<<r1: .

Для двух параллельных круглых проводов радиусом r при расстоянии h между осями проводов при условии 2r<<h [9]:

(3.9)

Для двух параллельных проводников прямоугольного сечения, расположенных на коммутационной плате (рис. 3.2), взаимная емкость (Ф/м) на единицу длины составляет:

при b/d>>1: ;

где ; e1 и e2 – диэлектрические проницаемости окружающей среды и платы соответственно. Внутри указанной области отношения b/d обе эти формулы обеспечивают точность, достаточную только для оценочных расчетов.

 

 

2. Удельное объемное сопротивление rV, измеряемое в ом-метрах (Ом×м). Сопротивление участка изоляции с поперечным сечением S и толщиной h

, (3.10)

Сопротивление участка изоляции коаксиального кабеля длиной L

, (3.11)

При r2–r1<<r1: .

 

3. Удельное поверхностное сопротивление rS. Характеризует свойство электроизоляционного материала создавать в изготовленной из него изоляции поверхностное сопротивление. Поверхностное сопротивление между двумя электродами с параллельными обращенными друг к другу прямыми кромками (рис. 3.3) [8] равно

, (3.12)

Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата (любого размера) на поверхности данного материала, если ток подводится к электродам, образующим две противоположные стороны этого квадрата. Единицей измерения rS является ом на квадрат (Ом/”) [8].

4. Тангенс угла диэлектрических потерь tgd – количественная мера потерь в диэлектрике. Определение tgd следует из векторной диаграммы, показанной на рис. 3.4, где j – угол сдвига фаз между током и напряжением в реальном конденсаторе, j+d=p/2. Тангенс угла диэлектрических потерь определяется как отношение активной составляющей тока к реактивной составляющей: .

Добротность изоляционного материала есть величина, обратная тангенсу угла потерь

, (3.13)

Значение tgd для лучших диэлектриков, используемых в технике высоких частот и высоких напряжений, составляет тысячные, и даже десятитысячные доли единиц; для материалов более низкого качества, применяемых в менее ответственных случаях, tgd может быть много больше [5].

Практическое значение tgd как одного из важнейших диэлектрических параметров материала состоит в том, что он определяет потери мощности на переменном токе частотой f:

, (3.14)

где U – постоянное напряжение на участке изоляции; J – сквозной ток утечки через изоляцию.

5. Электрическая прочность (В/м, или кВ/м, или МВ/м) – способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в полях большой напряженности:

(3.15)

где UПР – напряжение пробоя; d – толщина диэлектрика.

В большинстве случаев при возрастании d электрическая прочность уменьшается (рис. 3.5), так как UПР возрастает с увеличением толщины не линейно, а медленнее. Однако при переходе к особо тонким слоям (лаковые пленки, напыленные пленки диэлектрика) начинают сказываться неизбежные неоднородности материала и ЕПР снижается [5]. У неоднородных тонких материалов (бумага, лакоткань и т.д.) ЕПР уменьшается с увеличением площади электродов, что объясняется ростом вероятности попаданий под электроды слабых мест диэлектрика.

Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение изоляции UРАБ должно быть существенно меньше пробивного напряжения UПР. Отношение UПР/UРАБ называют коэффициентом запаса электрической прочности изоляции

(3.16)

 

 

Тепловые параметры

1.Нагревостойкость – это способность диэлектрических материалов без повреждения и существенного ухудшения практически важных свойств выдерживать воздействия повышенной температуры как кратковременно, так и длительно.

2.Холодостойкость – способность диэлектрических материалов работать при низких температурах, без недопустимого ухудшения эксплуатационных характеристик [7].

3.Теплопроводность – это способность отводить тепло, выделяющееся при работе радиокомпонента.

Уравнение установившегося процесса передачи теплоты через тело с полным термическим сопротивлением RT при разности температур на горячих и холодных поверхностях тела DT:

(3.17)

где P – мощность теплового потока, т.е. количество теплоты, проходящей через тело за единицу времени.

Для плоского слоя материала значение теплового сопротивления определяется по формуле

(3.18)

где rТ – удельное тепловое сопротивление; h – толщина слоя материала; S – площадь материала.

Величина обратная rТ, называется коэффициентом теплопроводности материала (Вт/(м×К)).

Расчет термического сопротивления производится по формулам, аналогичным формулам для расчета электрического сопротивления.

Величина y=lT/cd, где c – удельная теплоемкость, d – плотность материала, называется коэффициентом температуропроводности.

4.Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР :

(3.19)

Единицей измерения αl является кельвин в минус первой степени.


Физические параметры

1.Гигроскопичность – это способность материала впитывать в себя влагу из окружающей среды. Оценивается относительным изменением массы материала [7]

, (3.20)

где МВ – масса образца после увлажнения; МС – масса сухого образца.

2.Коэффициент влагопроницаемости П, измеряется с помощью основного уравнения влагопроницаемости

, (3.21)

где М – количество паров воды, проходящее при стационарном режиме за время t сквозь участок площадью S и толщиной h; p1 и p2 – парциальные давления водяного пара с двух сторон.

3.Коэффициент влагорастворимости,a – это коэффициент пропорциональности закона Генри

(3.22)

где С – равновесная влажность, отнесенная к единице объема материала; р – упругость водяного пара в воздухе, с которым соприкасается материал. Единицей измерения а является сантиметр в квадрате на метр в квадрате (см22).

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.