• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

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.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

(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 Ев 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 Рі Енелінійний 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 Dпотік цього вектора крізь довільну замкнуту поверхню дорівнює алгебраїчній сумі зарядів, охоплюваних цією поверхнею

_{внутр .} (1.5)

Слід зазначити, що вектор Dявляє 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 Dзначно 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 Dта сама, що і вектора Р – Кл/м².

Використовуючи вираз (1.3) для ізотропного діелектрика, залежність век-тора Dвід вектора Еможна 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)

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 ераз 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.

Читайте також:

1. Види діелектриків. Застосування твердих діелектриків в енергетиці.
2. Гігроскопічність діелектриків.
3. Діелектрики в електричному полі. Поляризація діелектриків
4. Електропровідність газоподібних діелектриків
5. ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ ДІЕЛЕКТРИКІВ
6. Загальні характеристики й застосування газоподібних діелектриків.
7. Загальні характеристики й застосування рідких діелектриків.
8. Загальні характеристики твердих діелектриків.
9. Класифікація діелектриків за нагрівостійкістю
10. Лекція 21. Поляризація
11. Механізм поляризації діелектриків.
12. Поляризація

Переглядів: 5939