Поляризація діелектриків

Діелектрики належать до найбільш розповсюджених матеріалів, які застосовуються в електротехнічній промисловості. Якщо раніше ці матеріали виеористовували тільки як електричну ізоляцію, то в даний час, завдяки до-сягненням науки, вони одержали поширення в різних галузях електротехніки, радіоелектроніки й технічної кібернетики. У зв'язку з цим, раціональний вибір того чи іншого діелектричного матеріалу можливий тільки на підставі знань про їхні характеристики і вплив на них різних факторів. Це дозволить забез-печити надійну і стабільну роботу виробів, у яких застосовуються діелектричні матеріали.

ВСТУП

ДІЕЛЕКТРИКИ

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ.

(текст лекцій для студентів спеціальностей

7.090603 – ЕСЕ, 7.090605 – СДС, 7.092202 -ЕТ)

Харків ХНАМГ 2006

Електротехнічні матеріали. розділ “Діелектрики”. (Текст лекцій за курсом “Електротехнічні матеріали” для студентів стаціонарної і заочної форм навчання спеціальностей 7.090603 ЕСЕ, 7.090605 СДС, 7.092202 ЕТ)/ Авт. Дьяков Є.Д. – Харків: ХНАМГ, 2006 – 67 с.

Автор: доц., канд. техн. наук Є.Д.Дьяков

Рецензент: проф., докт. фіз.-мат. наук Рой В.Ф.

Рекомендовано кафедрою Електропостачання міст,

протокол № 7 від 25 січня 2006р.

Основною властивістю діелектриків є здатність до поляризації під дією прикладеної напруги. Процес поляризації являє собою зміну розташування в просторі часток діелектрика, що мають електричні заряди. Елементарні диполі, що представляють зв'язані й невіддільні один від одного молекули діелектрика, позитивні й негативні заряди яких зміщені один відносно другого, характери-зуються електричним моментом p:

p = q l, (1.1)

де q – заряд диполя; l - відстань між зарядами.

Під дію електричного поля диполі починають орієнтуватися в просторі і створюють сумарний момент. Такий момент, віднесений до одиниці об'єму діелектрика, називається поляризованістю діелектрика P

P = , (1.2)

де V – об’єм діелектрика

Залежність поляризованості P від напруженості електричного поля Е в діелектрику для більшості діелектриків має лінійний характер. При малих значеннях напруженості поля для ізотропних діелектриків можна записати

, (1.3)

де - діелектрична сприйнятливість діелектрика. Вона зв'язана з відносною діелектричною проникністю діелектрика співвідношенням ;

- абсолютна діелектрична сприйнятливість чи питома поляризованість.

Особливу групу складають сегнетоелектрики, електрети, а також деякі іонні кристали, для яких зв'язок між Р і Е нелінійний і залежить від поперед-нього значення Е.

Зсув зарядів у діелектрику приводить до утворення внутрішнього поля, спрямованого протилежно зовнішньому, що може бути представлено вектором електричного зсуву D.

, (1.4)

де – електрична постійна, рівна8,854 10 ^-12 Ф/м.

Перший доданок у цьому виразі пропорційний розподіленій щільності за-ряду, утвореного у вакуумі, а другий залежить від ступеня поляризації діелек-трика. Відповідно до теореми Гаусса для поля вектора D потік цього вектора крізь довільну замкнуту поверхню дорівнює алгебраїчній сумі зарядів, охоплюваних цією поверхнею

_внутр. (1.5)

Слід зазначити, що вектор D являє собою суму двох зовсім різних величин, у зв'язку з чим він не має глибокого фізичного змісту і являє собою допоміжний вектор. Однак, у багатьох випадках вектор D значно спрощує вивчення поля в діелектриках.

Наведені співвідношення (1.4) і (1.5) можуть бути використані як для ізотропних, так і для анізотропних діелектриків. Розмірність вектора D та сама, що і вектора Р – Кл/м².

Використовуючи вираз (1.3) для ізотропного діелектрика, залежність век-тора D від вектора Е можна подати у виді

чи . (1.6)

Кожний діелектрик з нанесеними на нього електродами, включений в електричну мережу, можна розглядати як конденсатор певної ємності. Заряд такого конденсатора Q дорівнює

Q = C U, (1.7)

де С – ємність конденсатора,

U – прикладена напруга.

При заданому значенні прикладеної напруги величина заряду Q складаєть-ся із заряду Q_о, який був би присутній на електродах, якщо їх розділяв вакуум, і заряду Q _д , що обумовлений поляризацією діелектрика, котрий фактично поді-ляє електроди:

Q = Q_о + Q_д (1.8)

Здатність діелектрика утворювати ємність можна оцінити за допомогою параметра відносної діелектричної проникності , що представляє відношення заряду Q, отриманого при деякій напрузі на конденсаторі, що містить даний діелектрик, до заряду Q_о, який можна було б одержати на конденсаторі тих же геометричних розмірів і при тій же напрузі, якби між електродами знаходився вакуум:

= . (1.9)

З наведеної формули видно, що значення будь-якого діелектрика більше одиниці і тільки в тому випадку, коли між електродами знаходиться вакуум

= 1.

Фактично параметр показує, у скільки разів зміниться ємність конден-сатора при заміні вакууму між його пластинами досліджуваним діелектриком:

С = С _о. (1.10)

Крім параметра часто використовують параметр абсолютної діелектрич-ної проникності:

, (1.11)

Відносна діелектрична проникність використовується в багатьох рівнян-нях, що характеризують фізичні процеси, які протікають у діелектриках. Так, відповідно до закону Кулона сила взаємодії F двох точечних зарядів q₁ і q₂, розташованих в неорганічному середовищі з відносною діелектричною проникністю на відстані h один від другого, дорівнює

F = . (1.12)

Значення діелектричної проникності важливо знати і для розрахунку напруженості електричного поля в багатошарових діелектриках. Наприклад, для випадку двошарового конденсатора (рис.1.1) напруженість електричного поля в шарах дорівнює

U

E₁ E₂

ε_r1 ε_r2

h₁ h₂

Рис.1.1 – Двошаровий конденсатор

. (1.13)

Напруга на шарах

. (1.14)

З наведених формул виходить, що при меншій діелектричній проникності шару напруга на ньому збільшується. В особливо невигідному положенні вияв-ляються повітряні прошарки всередині ізоляції. У зв'язку з малим значенням ε_r і низкою електричною міцністю в таких прошарках легко виникають часткові розряди.

У тому випадку, коли діелектрик представляє суміш хімічно невзаємо-діючих один з одним компонентів з різними діелектричними проникностями, загальну діелектричну проникність можна визначити приблизно на підставі рівняння Ліхтенеккера

, (1.15)

де - відповідно відносні діелектричні проникності суміші й окремих компонентів; - об'ємні концентрації компонентів, ; - величина, що характеризує розподіл компонентів і приймає значення від +1 до –1.

При паралельному включенні компонентів і вираз (1.15) має вигляд

.

При послідовному включенні компонентів, коли ,

Якщо компоненти розподілені хаотично, то

. (1.16)

Електрична ємність конденсатора, крім геометричних розмірів і конфігу-рації конденсатора, залежить також від відносної діелектричної проникності діелектрика, що в ньому використовується.

Ємність плоского конденсатора визначається за формулою

(1.17)

де - площа електрода; - відстань між електродами.

Для циліндричного конденсатора (рис.1.2) запишемо

, (1.18)

якщо , то . (1.19)

Рис.1.2 – Циліндричний конденсатор

Для ізоляції кабелів, систем рівнобіжних проводів і т.п. вводиться поняття питомої (погонної) ємності, тобто ємності, віднесеної до одиниці довжини К= С/L. Так, для одножильного кабеля питома ємність (нФ/м) між жилою діаметром d₁ і металевою оболонкою чи екраном з діаметром d₂ дорівнює

К = , (1.20)

або при К . (1.21)

Для двох рівнобіжних круглих проводів діаметром d кожний при відстані між їхніми осями h, за умови d<<h і без урахування впливу землі питома ємність визначається за формулою

. (1.22)

За цією ж формулою можна визначати питому ємність між проводом і землею.

Величина відносної діелектричної проникності для різних діелектриків змінюється в широких межах. Значення газів близьке до одиниці. Так, для повітря = 1,00058. Більшість практично застосовуваних рідких і твердих діелектриків мають значення порядку декількох одиниць, менше зустрі-чаються діелектрики, в яких складає кілька десятків і дуже рідко, коли ця величина перевищує значення сто одиниць. У сегнетоелектриках вона може досягати значення кілька десятків тисяч.

1.1 Основні види поляризації діелектриків

Велика кількість різних механізмів поляризації діелектриків, що мають місце в діелектриках, можна розділити на два основних види:

- поляризації, що протікають під впливом електричного поля практично миттєво і не супроводжуються розсіюванням енергії, тобто без виділення тепла;

- поляризації, що протікають уповільнено і які супроводжуються розсію-ванням енергії в діелектрику, тобто нагріванням. Такий вид поляризації нази-вається релаксаційною.

До першого виду відносяться електронна й іонна поляризації. Інші меха-нізми поляризації слід віднести до релаксаційних.

Електронна поляризація - це зсув орбіт електронів щодо атомних ядер. Даний механізм поляризації спостерігається у всіх діелектриків незалежно від наявності в них інших видів поляризації. При переміщенні діелектрика в зов-нішнє електричне поле електронна поляризація встановлюється за час порядку 10^-15с. При підвищенні температури діелектрика у зв'язку з тепловим розши-ренням речовини і зменшенням числа часток в одиниці об'єму електронна по-ляризація зменшується. Однак слід зазначити, що температура не впливає на зсув і деформацію електронних орбіт атомів і іонів.

Іонна поляризація - це зсув один щодо одного іонів, що утворюють моле-кулу. Ця поляризація протікає за час порядку 10^-13с. При підвищенні темпера-тури іонна поляризація посилюється. Причиною цього є ослаблення пружних сил, що діють між іонами внаслідок збільшення відстані між ними при тепло-вому розширенні.

Діпольна поляризація - це орієнтація діпольних молекул у полярних діе-лектриках під дією електричного поля. Вона належить до числа релаксаційних поляризацій. Діелектрики, що містять електричні діполі, здатні орієнтуватися в зовнішньому електричному полі, називаються полярними. Очевидно, що дана поляризація буде виявлятися тим інтенсивніше, чим більше діпольний момент даного матеріалу. Залежно від величини електричних моментів діполів, в'яз-кості середовища, а також інтенсивності теплового руху молекул час установ-лення даної поляризації складає 10^-2–10^-10с.

Діпольна поляризація властива полярним газам і рідинам. У цих діелек-триках у зв'язку з незначною щільністю і невеликими розмірами молекул при впливі електричного поля відбувається поворот самих молекул. У твердих діелектриках також може спостерігатися діпольна поляризація. Але, на відміну від газоподібних і рідких діелектриків, поворот молекул тут неможливий, а відбувається орієнтація окремих груп атомів без порушення їхнього зв'язку з молекулами.

Зі збільшенням температури молекулярні сили слабшають, в'язкість речо-вини зменшується, тому спочатку діпольна поляризація посилюється. Однак у той же час зростає енергія теплового руху молекул, що зменшує вплив елек-тричного поля, і коли тепловий рух стає інтенсивним, діпольна поляризація зменшується. Проміжок часу, протягом якого впорядкованість орієнтованих полем діполів після його зняття зменшується внаслідок теплового руху в е раз у порівнянні з початковим значенням, називається часом релаксації.

Іонно-релаксаційна поляризація спостерігається в іонних діелектриках з нещільним упакуванням іонів. Даний вид поляризації характерний для неорга-нічного скла, а також для деяких неорганічних кристалічних речовин. Слабко зв'язані іони під дією зовнішнього електричного поля крім хаотичних теплових переміщень одержують додаткові переміщення в напрямку поля. Після зняття електричного поля орієнтація іонів поступово слабшає за експонентним зако-ном. При підвищенні температури іонно-релаксаційна поляризація поси-люється.

Електронно-релаксаційна поляризація виникає в діелектриках за рахунок збуджених тепловою енергією надлишкових "дефектних" електронів чи дірок. Даний вид поляризації характерний для діелектриків з електронною електро-провідністю і значним внутрішнім електричним полем. Діелектрики з елек-тронно-релаксаційною поляризацією мають високе значення відносної діелек-тричної проникності. У кривої залежності = f(T) спостерігається максимум навіть при негативних температурах. При збільшенні частоти дана поляризація, як правило, зменшується.

Міграційна поляризаціяхарактерна для неоднорідних діелектриків і обу-мовлена перерозподілом вільних зарядів у його об'ємі. Даний вид поляризації зв'язаний з наявністю в діелектрику шарів з різною діелектричною проникністю і провідністю, а також різних провідних і напівпровідних включень. На межі розподілу між шарами в шаруватих матеріалах і в приелектродних шарах може відбуватися нагромадження зарядів повільно рухаючих іонів, що створює ефект міжшарової поляризації. У результаті цього в такому діелектрику при внесенні його в електричне поле утворюються поляризовані області. При міграційній поляризації спостерігається значне розсіювання електричної енергії.

Мимовільна чи спонтанна поляризаціяспостерігається в сегнетоелектри-ках. У цих речовинах існують окремі області, що мають електричний момент навіть при відсутності зовнішнього електричного поля. Орієнтація електричних моментів у доменах різна. При внесенні даного діелектрика в електричне поле відбувається орієнтація електричних моментів у напрямку поля, в результаті чого спостерігається сильна поляризація. На відміну від інших видів поляри-зації, при деякому значенні напруженості зовнішнього поля настає насичення і подальше збільшення напруженості не приводить до посилення поляризації.Діелектрична поляризація в сегнетоелектриках нелінійно залежить від величи-ни напруженості електричного поля. При деякій температурі спостерігається характерний максимум на кривой залежності = f (T).

1.2 Класифікація діелектриків за видами поляризації

Усі діелектрики залежно від впливу напруженості електричного поля на величину відносної діелектричної проникності розділяються на лінійні й нелі-нійні.

У лінійних діелектриках з малими втратами енергії заряд конденсатора змінюється пропорційно величині прикладеної напруги. Для нелінійних діелек-триків ця залежність має вид петлі гістерезіса.

Ємність конденсатора з лінійним діелектриком залежить тільки від його геометричних розмірів і не міняється при зміні прикладеної різниці потенціалів. У конденсаторі з нелінійним діелектриком ємність буде змінюватися при зміні прикладеної різниці потенціалів, тому що залежність має нелінійний характер. У зв'язку з цим нелінійні діелектрики називають активними, чи керо-ваними діелектриками.

Лінійні діелектрики можна розділити на кілька груп. Неполярними діелек-триками є гази, рідини й тверді речовини в кристалічному й аморфному стані, в яких спостерігається в основному тільки електронна поляризація. Такими діелектриками є водень, парафін, поліетилен та ін.

Полярні діелектрики – це органічні рідкі, напіврідкі й тверді речовини, в яких одночасно існують електронна і діпольно - релаксаційна поляризації. До них відносяться кремнійорганічні з'єднання, феноло - формальдегідні смоли, епоксидні компаунди, капрон та ін.

Іонні з'єднання складають тверді неорганічні діелектрики з електронною, іонною, іонно - релаксаційною та електронно - релаксаційною поляризаціями. З огляду на значне розходження їхніх електричних характеристик дану групу доцільно розбити на дві підгрупи: 1) діелектрики з іонною й електронною поляризаціями; 2) діелектрики з електронною, іонною і релаксаційними поля-ризаціями.

До першої підгрупи відносяться кристалічні речовини з щільним упаку-ванням іонів, наприклад, слюда, кварц, корунд () та ін. До другої підгрупи належать неорганічне скло, багато видів кераміки, кристалічні діелектрики з нещільним упакуванням часток у решітках.

Дата добавления: 2014-11-09