Диэлектрическая проницаемость

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 14Следующая ⇒

В диэлектрике носители электрического заряда прочно связаны с атомами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. При этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Различают следующие виды поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная и спонтанная (самопроизвольная).

Рисунок 3.1 – Электронная поляризация атомов водорода

а – в отсутствии внешнего поля, б – при наличии поля

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью. Она может быть найдена по измеренной емкости конденсатора с диэлектриком:

где С – емкость конденсатора с диэлектриком; С₀ - емкость того же конденсатора в вакууме.

На рис. 3.2 изображены два плоских конденсатора, площадь электродов которых равна S (м²), а расстояние между ними h (м). В конденсаторе, изображенном на рис. 3.2, а, между электродами вакуум, а на рис. 3.2, б - диэлектрик. Если электрическое напряжение на электродах U (В), то напряженность электрического поля равна Е = U/h (В/м).

Электрический заряд, накопленный в конденсаторе с вакуумом, называется свободным зарядом и равен Q₀ (Кл).

Рис. 3.2 - Электрические заряды на электродах конденсатора при подаче напряжения U

В электрическом поле в частицах, из которых построен диэлектрик, связанные положительные и отрицательные заряды смещаются. В результате образуются электрические диполи (рис. 3.2, б).

Поэтому на поверхности диэлектрика образуются поляризационные заряды: отрицательный у положительного электрода, и наоборот. Для компенсации этих поляризационных зарядов источником электрического напряжения создается дополнительный связанный заряд Q_д. Суммарный полный заряд Q в конденсаторе с диэлектриком равен

Q=Q₀ + Q_д= ε_rQ₀,

где ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость.

Электрическая емкость конденсатора с вакуумом и с диэлектриком между электродами равна

Емкость С₀ (Ф) называют геометрической емкостью конденсатора.

При этом емкость плоского конденсатора определяется по формуле

где ε₀ = 8,84·10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная.

Емкость цилиндрического конденсатора

Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, в первую очередь, определяется механизмами поляризации.

Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и диэлектрическая проницаемость их близка к единице.

Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема газа, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.

Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей и чем больше число молекул в единице объема.

В твердых телах возможны все виды поляризации. Наименьшее значение диэлектрической проницаемости имеют твердые диэлектрики, состоящие из неполярных молекул и обладающие только электронной поляризацией.

Диэлектрики подразделяются на полярные - ε_r>2 – в них проявляется несколько видов поляризации и неполярные - ε_r≤2 – проявляется только электронная поляризация. Неполярные используются для создания электроизоляционных материалов, полярные – как диэлектрики в конденсаторах.

К неполярным диэлектрикам относятся газы, жидкости и твердые вещества, обладающие только электронной поляризацией (водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен). К полярным (дипольным) относятся жидкие и твердые вещества, имеющие одновременно несколько видов поляризаций (кремнийорганические соединения, смолы, компаунды и др.).

Электропроводность

По назначению электроизоляционные материалы не должны пропускать электрический ток под действием приложенного напряжения. Однако идеальных непроводников не существует, и все практически применяемые диэлектрики обнаруживают свойства электропроводности. Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них свободных ионов и электронов, которые могут передвигаться под воздействием электрического поля.

Проводимость изоляции G_из(См), определяется как отношение тока утечки через изоляцию I_из к величине приложенного постоянного напряжения: G_из= I_из/U

Величина, обратная G_из, называется сопротивлением изоляции R_из

Различают объёмную (сквозную) проводимость твердых диэлектриков, численно определяющую проводимость через толщу изоляции, и поверхностную проводимость, характеризующую наличие слоя повышенной электропроводности на поверхности раздела твёрдой изоляции с окружающей газообразной или жидкой средой.

Соответственно вводятся понятия объёмного тока утечки I_v и поверхностного тока утечки I_s, а также объёмного сопротивления изоляции R_v и поверхностного сопротивления изоляции R_s.

Для сравнительной оценки различных материалов в отношении их электропроводности пользуются значениями удельных объёмного ρ_v и поверхностного ρ_s сопротивлений.

где S - площадь электрода, м², h - толщина образца, м

где b - длина электродов на поверхности диэлектрика, м

a - расстояние между электродами на поверхности диэлектрика, м.

Удельное сопротивление твердых диэлектриков зависит от многих факторов: температуры, влажности, приложенного напряжения и напряженности электрического поля.

При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов, как правило, существенно уменьшается. Иными словами, температурные коэффициенты удельных сопротивлений электроизоляционных материалов отрицательны.

Присутствие даже малых количеств воды способно значительно уменьшить удельное сопротивление диэлектриков. Это объясняется тем, что растворимые в воде примеси диссоциируют на ионы; в некоторых случаях влияние увлажнения может способствовать диссоциации молекул основного вещества диэлектрика. Таким образом, условия работы электрической изоляции становятся более тяжелыми при увлажнении.

С повышением приложенного к изоляции напряжения сопротивление изоляции может уменьшаться. Зависимость R_из от напряжения объясняется рядом причин: образованием в изоляции объемных электрических зарядов, плохим контактом между электродами и изоляцией; изменением под действием электрического поля формы и размеров включений влаги и др.

Для повышения ρ_s диэлектриков применяют различны приемы: полировку поверхности материала, промывку поверхности кипящей дистиллированной водой, прогрев материала при достаточно высокой температуре, покрытие поверхности лаками, глазурями и т.п.

Удельное сопротивление диэлектрика является параметром, определяющим ток утечки в нем. Токи утечки в диэлектрике обуславливают потери мощности, как и в проводнике: это так называемая мощность диэлектрических потерь при постоянном токе, определяемая по формуле

Р = UI_из

При подсчете диэлектрических потерь, ведущих к нагреву диэлектрика, обычно учитывается только объемный ток утечки. Поверхностный ток утечки создает потери мощности на поверхности. Рассеяние энергии происходит при этом в основном в окружающую среду, на нагрев диэлектрика поверхностная утечка в большинстве случаев не влияет.

Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, поглощаемую в диэлектрике, находящегося в электрическом поле.

Потери мощности вызываются электропроводностью и медленными процессами поляризации.

Способность диэлектрика рассеивать энергию характеризует угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Эквивалентная схема

В случае идеального диэлектрика вектор тока опережает вектор напряжения на угол 90°, при этом угол δ равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь δ и его функция tg δ.

Мощность, рассеиваемая в диэлектрике определяется

Реальный диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

Механические характеристики

Все материалы подвергаются различным механическим нагрузкам либо при монтаже, либо при эксплуатации. Характеризуют способность диэлектрика выдерживать внешние нагрузки без изменения первоначальных размеров и формы.

К основным механическим характеристикам материалов относятся:

- прочность при растяжении, сжатии и изгибе;

У ряда материалов (стекло, керамические материалы, некоторые пластмассы) разрушающее напряжение при сжатии значительно выше, чем при растяжении, в то время как у металлов эти характеристики одного порядка.

- ударная вязкость при динамическом изгибе - как правило, эта характеристика важна для хрупких материалов (фарфор, асбестоцемент и др.).

- прочность на разрыв – для гибких материалов – бумага, лакоткань, пленки;

- упругость, пластичность и твердость.

Тепловые характеристики

Характеризуют поведение диэлектрика при нагревании и определяют его допустимую рабочую температуру. К тепловым характеристикам относятся нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение и холодостойкость, теплоемкость, температуру плавления и размягчения, теплостойкость, температуру вспышки паров жидкости и тропикостойкость.

Нагревостойкость – это способность электроизоляционного материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без ухудшения его свойств.

Для электроизоляционных материалов установлено семь классов нагревостойкости Y, A-G и соответствующая им максимальная рабочая температура Y = 90°С, G – выше 180°С.

Теплопроводность – характеризует способность материала переносить теплоту от более нагретых частей материала к менее нагретым.

Характеризует процесс отвода теплоты от нагретых проводников и магнитопроводов через слой изоляции, а также отвод теплоты из толщи диэлектрика, нагретого за счет диэлектрических потерь. Коэффициент теплопроводности k

Тепловое расширение - оценивают температурным коэффициентом линейного расширения или размера (ТКЛР), характеризующим относительное изменение геометрических размеров образца материала при изменении температуры на один градус Цельсия или Кельвина (1/°С или 1/K).

Холодостойкость - способность материалов противостоять действию низких температур. При низких температурах электрические свойства диэлектриков, как правило, улучшаются, но механические ухудшаются, поэтому холодостойкость определяется на основе изучения механических характеристик.

Теплоемкость - это количества теплоты, необходимое для нагрева тела до определенной температуры. Определяет время нагрева или охлаждения электроизоляционных конструкций.

Температура плавления (Т_пл) и температура размягчения (Т_р) определяются у материалов соответственно кристаллического и аморфного строения.

Теплостойкость позволяет оценить стойкость диэлектриков к кратковременному нагреву и характеризуется температурой, при которой образцы начинают претерпевать либо опасную деформацию, либо существенно изменяют твердость.

Температура вспышки паров жидких диэлектриков — это температура, при которой пары и газы, образующиеся при постоянном нагревании заданного объема жидкости, вспыхивают (но продолжительно не горят) при соприкосновении их с открытым пламенем. Эта характеристика представляет особый интерес при оценке трансформаторного масла и растворителей для лаков.

Тропикостойкость определяется у электроизоляционных материалов, предназначенных для электрооборудования, работающего в условиях тропического климата. В таких условиях на материал влияют следующие факторы: высокая температура воздуха (до 55 °С), резкое изменение ее в течение суток (на 40 °С и более), высокая (до 95%) и низкая влажность воздуха, интенсивная солнечная радиация, плесневые грибки, наличие в воздухе пыли и песка, насекомые и т. п.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 996; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!