Диэлектрики Диэлектрики — вещества, основным электрическим свойством которых

Диэлектрики

Диэлектрики - вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле и иметь высокое удельное сопротивление протеканию тока

Классификация диэлектриков По агрегатному состоянию диэлектрики делятся на: твердые; жидкие; газообразные. По строению диэлектрики делятся на: неполярные; полярные; диэлектрики с ионной структурой.

По механизму поляризации, зависящему от характера химической связи, диэлектрики можно разделить на несколько классов: Диэлектрики, обладающие только одним механизмом поляризации: диэлектрики с электронной поляризацией; диэлектрики с ионной поляризацией; диэлектрики с дипольной поляризацией Диэлектрики, обладающие несколькими видами механизмом поляризации: диэлектрики с электронной и ионной поляризацией; диэлектрики с дипольно-релаксационной поляризацией; диэлектрики с ионно-релаксационной поляризацией; диэлектрики с электронно-релаксационной поляризацией; диэлектрики с ионно-релаксационной поляризацией; диэлектрики, у которых наблюдается миграционная поляризацией; диэлектрики, которым присуща спонтанная поляризацией;

По характеру изменения поляризованности и диэлектрической проницаемости от напряженности диэлектрики делятся на: линейные (пассивные); нелинейные (активные); По области использования: для защиты (изоляция кабелей и проводов) для крепления токоведущих элементов (изоляторы ЛЭП, вводы); для изготовления изоляционных конструкций (корпуса приборов, устройств); для пропитки (пропитка обмоток машин, трансформаторов, дросселей); для накопления электрической энергии (конденсаторы)

Механизм поляризации нейтрального диэлектрика Элементарный электрический момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика (дипольный момент молекулы) равен:

Электрический конденсатор, изготовленный из плоских параллельных пластин площадью S (м2), расстояние между которыми d (м), подключен к внешнему источнику ЭДС. Два случая: между обкладками конденсатора расположен вакуум (а); между обкладками конденсатора расположен диэлектрик, толщина которого равна расстоянию между электродами (б).

На пластинах конденсатора, помещенного в вакуум, возникнет заряд Qo. На пластинах конденсатора с диэлектриком из-за процессов его поляризации на противоположных сторонах возникают дополнительные заряды ΔQ, знак которых противоположен знаку поляризационных зарядов на поверхности диэлектрика. Следовательно, полный заряд конденсатора с диэлектриком равен

Полный зар яд конденсатора с диэлектриком Q = Qо + Qд = ε .Qо. где ε - относительная диэлектрическая проницаемость. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика. если Qд = 0, что соответствует относительной диэлектрической проницаемости вакуума, то диэлектрическая проницаемость любого диэлектрика будет больше единицы. В дальнейшем для краткости в большинстве случаев термин "относительная" при наименовании диэлектрической проницаемости, опускается.

где С – емкость плоского конденсатора с диэлектриком, С0 – емкость того же конденсатора, помещенного в вакуум – Относительная диэлектрическая проницаемость Это один из важнейших параметров, характеризующих диэлектрические материалы. εr

С – емкость плоского конденсатора с диэлектриком

Зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля для линейных диэлектриков . Зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля для нелинейных диэлектриков

Зависимость диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков Состояния: 1 – твердое, 2 – жидкое, 3 – газообразное

Основные виды поляризации электронная; ионная; дипольная ( дипольно-релаксационная); электронно-репаксационная; ионно-релаксационная; миграционная; спонтанная

Основные электрические характеристики диэлектриков удельное электрическое сопротивление; диэлектрическая проницаемость; удельные диэлектрические потери; тангенс угла диэлектрических потерь; электрическая прочность

Нейтральные диэлектрики

Полярные диэлектрики

Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени

Из рисунка (Зависимость тока утечки) видно, что после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток. Но при измерениях проводимости диэлектриков необходимо принимать во внимание и токи смещения. При небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости материала. Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими абсорбционных токов.

Схема замещения нейтрального диэлектрика

Векторная диаграмма нейтрального (неполярного) диэлектрика

Схема замещения полярного диэлектрика

Векторная диаграмма полярного диэлектрика

ВАХ воздушного промежутка

Зависимость тока от напряженности поля в жидких диэлектриках

где RV – объемное сопротивление образца, Ом; S – площадь элек­трода, м2; h – толщина образца, м. Удельное поверхностное сопротивление (Ом) рассчитывается по формуле: Для плоского образца материала в однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывается по формуле: где RS – поверхностное сопротивление образца, Ом; d – ширина электродов, м; l – расстояние между электродами, м.

Диэлектрические потери Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вы­зывающую нагрев диэлектрика. При постоянном напряжении потери вызываются только сквозной проводимостью (объемной и поверхностной). При переменном напряжении к потерям от сквозной проводимости добавляются потери на поляризацию (эти потери пропорциональны активной составляющей тока диэлектрика). Потери в диэлектрике на переменном напряжении всегда больше, чем на постоянном.

Упрощенные схемы замещения реального диэлектрика и векторные диаграммы: а – параллельная; б – последовательная

Используя схемы замещения, можно получить выражение для расчета полных диэлектрических потерь где ω – угловая частота.

Диэлектрические потери Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида: диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью Pскв; диэлектрические потери, обусловленные поляризацией Pпол; ионизационные диэлектрические потери Pионв; диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры Pнеод.

Зависимость тангенса диэлектрических потерь полярного диэлектрика от частоты

Зависимость tgδ полярного диэлектрика температуры