Ответы с Ириными дополнениями, страница 2

С увеличением частоты напряжения максимум α дг более интенсивно смещается в сторону высоких температур, чем максимум α дс., поэтому в области высоких температур (сверхвысоких частот) максимумы α дг и α дс сближаются вплотную, и на кривых ε(Т), ε(f) будет проявляться один релаксационный максимум.

Маграционная поляризация наблюдается в твердых диэлектриках с макроскопически неоднородной структурой (например, в слоистых материалах), а также в диэлектриках, содержащих проводящие и полупроводящие включения (например, поры, заполненные влагой). При внесении в электрическое поле диэлектрика, имеющего слоистое строение (например, гетинакс, текстолит), в результате разной электропроводности различных слоев, на границе их раздела и в приэлектродных объемах, начнут накапливаться заряды медленно движущихся ионов, и возникнет межслойная поляризация.

Рис. 2.11. Модель миграционной поляризации

Аналогичная картина имеет место в поликристаллических телах, когда на гра­ницах кристаллитов (зерен) образуются пространственные заряды (рис. 2.11). Перемещение электронов и ионов в пределах каждого проводящего и полупроводящего включения под действием прило­женного поля образует большие поляризационные области. Межслойная поляризация и образовавшиеся поляризационные области и обусловливают миграционную поляризацию.

У миграционной поляризуемости α м время релаксации τ до­вольно большое, поэтому соответствующая ей поляризация прояв­ляется на весьма низких частотах (до 0,5 кГц) и вызывает у мате­риала увеличение диэлектрической проницаемости и особенно диэлектрических потерь tgδ. С уменьшением частоты напряжения, а также с увеличением температуры αм возрастает. Увлажнение ди­электрика приводит к существенному возрастанию его емкости на низких частотах (например, 2 Гц) в результате возникновения и роста миграционной поляризации. Путем измерения значений ем­кости электроизоляционных конструкций на различных частотах (или при различных температурах) можно определить степень их увлажнения.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных электронов или дырок, расположенных на дефектах. В некоторых диэлектриках электроны спо­собны перемещаться вблизи дефектов (с которыми они связаны) на расстояния, равные одному или нескольким межатомным расстоя­ниям. Этот вид поляризации обычно наблюдается в диэлектриках с большим внутренним полем и электронной проводимостью (например, у многих видов титаносодержащей керамики). У диэлектриков с электронно-релаксационной поляризуемостью αэр и соответствующим видом поляризации диэлектрическая проницаемость обычно имеет высокое значение, которое уменьшается с увеличением частоты напряжения. На температурной зависимости проявляется максимум.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует только в нелинейных диэлектриках — сегнетоэлектриках.

Резонансная поляризация наблюдается в диэлектриках в области СВЧ и оптических частот, когда частота приложенного поля совпа­дает с одной из частот собственных колебаний молекул, атомов, образующих молекулы, их валентных электронов. При резонансе сильно возрастает поглощение энергии, распространяемой электро­магнитной волной. Резонансная поляризация имеет большое значе­ние для теории и практики распространения радиоволн в диапазоне СВЧ и оптических частот. В результате резонансной поляриза­ции молекул кислорода и водяных паров на некоторых дискрет­ных частотах в области от 10¹⁰ до 10¹⁵ Гц наблюдается сильное зату­хание распространяющейся радиоволны вследствие поглощения ее энергии.

2.Температурные и частотные зависимости тангенса диэлектрических потерь для полярных и неполярных диэлектриков.

Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент p = q • l = 0. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.

Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др. Примеры молекул неполярных и полярных веществ показаны на рис. 1.3.

Виды диэлектрических потерь

Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям подразделяют на четыре основных вида:

1) потери на электропровод­ность, обусловленные током сквозной проводимости;

2) релаксационные потери;

3) ионизационные потери;

4) резо­нансные потери.

1) В диэлектриках с молекулярной структурой неполярных ( воздух, нефтяные электро­изоляционные масла, парафин и т.п.) или имеющих ионную кри­сталлическую структуру с плотной упаковкой решетки (кварц, слюда, корунд и т.п.) этот вид потерь является единственным. Диэлектри­ческие потери в этом случае обусловлены направленным движением заряженных частиц. В зависимости от природы диэлектрика, его со­стояния и величины приложенного напряжения заряженными час­тицами могут быть ионы и электроны, ионы и коллоидные частицы или одни ионы.

Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты приложенного напряжения; tgδ умень­шается с частотой по гиперболическому закону. Значение тангенса угла диэлектрических потерь при данной частоте может быть вычислено по фор­муле

tgδ=1,8•10²⁰/εfρ (6.27)

если известно ρ, измеренное на постоянном токе, и ε , измеренная при данной частоте. Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону:

Рaт = А ехр (—b/Т),

где A, b — постоянные материала.

О бщий вид зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, обуслов­ленных током проводимости, от частоты напряжения и температуры Т (б): 1 — составляющая tgδ, обусловленная током сквозной проводимости.

С увеличением температуры диэлектрические потери, обуслов­ленные током сквозной проводимости, возрастают, так как возрастает удельная электропроводность результате уве­личения концентрации носителей заряда и их подвижности.

2) Диэлектрические потери, обусловленные релаксационными видами поляризации, наиболее часто встречаемыми и важными, являются: дипольно-релаксационные потери (в диэлектриках молекулярного строения полярных); ионно-релаксационные потери (в диэлектриках ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной упа­ковкой решетки); потери, вызванные миграционной поляризацией, ко­торая наблюдается при наличии проводящей и полупроводящей примеси в виде включений. При этих видах потерь tgδ диэлектриков имеет высокие значения (tgδ =10~3—10~2 и более) и сильно зависит от температуры и частоты приложенного напряжения.

Дипольно-релаксационные потери характеризуются наличием взаимосвязанных максимумов на температурной и частотной зависи­мостях tgδ, определяемых временем релаксации τ. Положение мак­симума tgδ, обусловленного дипольно-релаксационными потерями, на кривых tg5(/) и tg8(7) определяется из условия

ω=1/τ, (4.15)

где ω — угловая частота приложенного напряжения; τ — время ре- -лаксации.

Время релаксации зависит от вязкости среды и, следовательно, от ее температуры.

Общий вид температурной зависимости тангенса угла диэлектри­ческих потерь, обусловленных дипольно-релаксационной поляриза­цией, представленный на рис. 4.5, а, показывает, что при нагревании tgδ возрастает, проходит через максимум и далее снижается. Такой характер изменения tgδ объясняется тем, что при нагревании в ди­электриках молекулярного строения полярных имеют место два кон­курирующих процесса. Вначале (участок а—б) в результате ослабле­ния межмолекулярных сил, вызванного повышением температуры, улучшаются условия ориентации диполей вдоль силовых линий поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризация возрастает, возрастают и дипольно-релаксационные потери, так как вся энергия электрического поля, потребляемая на ориентацию диполей, расхо­дуется на трение и переходит в тепло. При дальнейшем нагревании (участок б— в) в результате значительного роста энергии хаотическо­го теплового движения полярных молекул дипольно-релаксационная поляризация уменьшается; уменьшаются и дипольно-релаксационные потери. С увеличением частоты приложенного напряжения максимум tgδ, так же как и максимум (см. пг. 2.3.4), смещается в область более высоких температур.

Рис. 4.5. Схематическое изображение температурной зависимости тангенса угла ди­электрических потерь tg5, обусловленных дипольно-релаксационной (а) и ионно-релаксационной (б) поляризациями:

составляющие потерь, вызванные: / — дипольно-релаксационной поляризацией; 2 — ионно-релаксационной поляризацией

Таким образом, когда вязкость среды очень низкая (например, при высокой тем­пературе), ориентация диполей происходит практически без трения, и tgδ поэтому становится минимальным. В случаях, когда диполи не могут следовать за изменением поля, например при очень высокой вязкости среды (низкой температуре), дипольно-релаксационная поляризация практически исчезает, и tgδ также становится мини­мальным. Величина tgδ становится максимальной, когда диполи успевают максималь­но ориентироваться вслед за изменяющимся полем. Дипольно-релаксационные потери, так же как и обусловливающая их дипольно-релаксационная поляризация, обычно проявляются при частотах до 106—10'° Гц.

3) Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. Ионизационные потери — это та часть мощности приложенного электрического поля, которая расходуется на ионизацию молекул газа.

4) Резонансные потери наблюдаются в некоторых га­зах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном по­глощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери воз­можны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tgδ характерно и для резонансного механизма потерь, однако при изменении температуры максимум не смещается.

3. Зависимость диэлектрической проницаемости от различных факторов.

Диэлектрическая проницаемость ε характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле, а также оценивает степень его полярности; ε является константой диэлектриче­ского материала при данной температуре и частоте электрического на­пряжения и показывает, во сколько раз заряд конденсатора с диэлектри­ком больше заряда конденсатора тех же размеров с вакуумом.

Уравнения диэлектрической поляризации устанавливают зависимость макроскопического электрического параметра диэлектрика — диэлектрической проницаемости ε от микроскопического электрического параметра — поляризуемости α частиц, образующих диэлектрик. Для установления этой зависимости определим значение локального электричекого поля Е', действующего на рассматриваемую частицу диэлектрика в качестве которой возьмем молекулу.

Напряженность локального электрического поля Е', дейст­вующего на отдельную молеку­лу, окруженную другими поля­ризованными молекулами, не равна напряженности внешнего электрического поля Ео в дан­ной точке диэлектрика. Только в разряженных газах, когда взаимодействием между молекулами можно пренебречь (идеальный газ), допустимо считать, что Е' = Ео.