Большинство диэлектриков характеризуются линейной зависимостью электрического смещения (Д) от напряженности электрического поля (Е), приложенного к диэлектрику (линейные диэлектрики, рис.6).
Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно (рис.6), достигая насыщенного состояния при некотором значении напряженности электрического поля. При уменьшении напряженности поля вектор электрического смещения уменьшается и при отсутствии поля остается остаточное электрическое смещение (До). Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками.
Наименование «сегнетоэлектрик» связано с тем, что нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли. За рубежом данная группа материалов называется ферроэлектриками.
Рис.6. Зависимости электрического смещения от напряженности электрического поля
В результате поляризационных процессов внутри диэлектрика образуется внутреннее электростатическое поле определенного заряда, направленное встречно внешнему электрическому полю (рис.7).
В связи с этим любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости.
Рис.7. Диэлектрик в электрическом поле
Заряд конденсатора, как известно, равен:
, (3)
где С – емкость конденсатора, U – приложенное напряжение.
Заряд Q при заданном значении приложенного напряжения обусловлен зарядом Q о, который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и зарядом Q д, возникшем вследствие поляризации диэлектрика, фактически разделяющем электроды:
(4)
6. Виды поляризации.
Различают два механизма поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла, за время 10-15 – 10-13 с; поляризация, совершаемая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называется релаксационной (время от 10-8 до 102 с).
В схемах замещения диэлектрики обозначают конденсатором определенной емкости С, если в них не происходит рассеяния энергии (рис.8, а). Если происходит рассеяние энергии, то в схему замещения добавляется активное сопротивление r, эквивалентное нагреву диэлектрика (рис.8, б).
а) б)
Рис. 8. Схемы замещения диэлектрика: а) без потерь; б) с потерями
К мгновенным относятся электронная и ионная поляризации. Электронная поляризация (Cэ , Qэ) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием внешнего электрического поля (рис.9).
Рис.9. Электронная поляризация диэлектрика. Положение орбит
электронов при отсутствии (а) и при наличии (б) электрического
поля
При отсутствии электрического поля центр положительного заряда ядра и центр отрицательного заряда совпадают. Атом нейтрален. Под действием внешнего электрического поля орбиты, по которым движутся отрицательные электроны, смещаются к положительному электроду. Центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Нейтральный атом превращается в диполь (так называемый упругий диполь). Наблюдается такая поляризация во всех видах диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n2.
Ионная поляризация (Cи , Qи) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки (рис.10). С повышением температуры смещение усиливается в результате ослабления упругих сил между ионами. Это происходит из-за увеличения расстояния между ионами вследствие теплового расширения.
Время установления ионной поляризации больше, чем электронной, но оно также очень мало и имеет порядок 10-13 с.
Рис.10. Механизм ионной поляризации
Все остальные виды поляризации являются релаксационными.
Дипольно-релаксационная поляризация (Cдр , rдр , Qдр) отличается от электронной и ионной тем, что она связана с потерями энергии при поляризации, т.е. с нагреванием диэлектрика. Этот вид поляризации наблюдается в полярных диэлектриках. В таких веществах молекулы или радикалы являются диполями даже при отсутствии электрического поля (рис.11).
Рис.11. Механизм дипольно-релаксационной поляризации (ориентация диполей в направлении электрического поля: а) поле отсутствует; б) при наличие поля).
При отсутствии электрического поля они находятся в хаотическом тепловом движении, дипольные моменты их направлены в разные стороны и результирующий электрический момент всех этих диполей равен нулю. Под действием сил электрического поля диполи поворачиваются, ориентируясь вдоль линий электрического поля, т.е. положительным полюсом к отрицательному электроду.
Кроме ориентации диполи еще растягиваются электрическим полем, и величина дипольного момента при этом возрастает. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, рассеивается энергии в виде тепла (rдр). Время релаксации здесь порядка 10-8 – 10-6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.
Ионно-релаксационная поляризация (Cир, rир, Qир) наблюдается в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов (например, неорганических стеклах). Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений ограниченно смещаются в направлении электрического поля. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры за счет ослабления сил меж-
ионного взаимодействия. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации происходит в течение 10-6 – 10-4 секунд с рассеянием энергии.
Электронно - релаксационная поляризация (Cэр, rэр, Qэр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10-8 – 10-6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, ряд соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута.
Миграционная поляризация (Cм, rм, Qм) протекает в твердых диэлектриках неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях или наличии примесей за время порядка 102 с. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д.
При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, образуя большие поляризованные области (рис.12). В слоистых материалах на границах раздела слоев и в приэлектродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации.
Рис.12. Механизм миграционной поляризации
Спонтанная (самопроизвольная) поляризация, (Cсп, rсп, Qсп), – это вид поляризации возникает в диэлектриках, имеющих доменную структуру. Доменами называют отдельные области, обладающие электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации (рис. 13).
В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастание интенсивности поляризации.
Рис. 13. Механизм спонтанной поляризации
Резонансная поляризация (Cрез, rрез, Qрез) проявляется в диэлектриках под воздействием высокочастотного электрического поля (f=106 Гц), когда частота собственных колебаний электронов или ионов совпадает с частотой внешнего поля. Резонансные явления увеличивают амплитуду колебаний (вектор смещения) связанных заряженных частиц в материале.
8. Классификация диэлектриков по видам поляризации.
Все диэлектрики по видам поляризации подразделяются на несколько групп.
Первая группа – диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол, полиэтилен и др.), а также неполярные и слабополярные жидкости (бензол и др.) и газы (азот, водород и др).
Вторая группа – диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризацией – это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества: маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и др.
Третья группа – твердые диэлектрики ионной структуры с плотной упаковкой ионов, для которых характерны электронная и ионная поляризации: кварц, слюда, корунд, рутил, каменная соль и др.
Четвертая группа – твердые диэлектрики ионной структуры с неплотной упаковкой ионов с электронной и ионно-релаксационной поляризацией: неорганические стекла, фарфор, микалекс и др.
Пятая группа – сегнетоэлектрики, для которых характерны
спонтанная, электронная, ионная, электронно-релаксационная и ионно-релаксационная поляризация: сегнетова соль, титанат бария и др.
Шестая группа – неоднородные диэлектрики, способные, в зависимости от состава, к разным видам поляризации.
9. Эквивалентная схема замещения диэлектрика.
Технические диэлектрики обладают, как правило, не одним,
а одновременно несколькими видами поляризации. Следователь-
но, емкость конденсатора с диэлектриком обусловливается суммой различных видов поляризации.
Рис.14. Эквивалентная схема замещения диэлектрика с различными механизмами поляризации
На рис.14 приведена эквивалентная схема замещения диэлектрика, в котором присутствуют все виды поляризации. Где: С0-соответствуют собственному полю электродов, если между ними нет диэлектрика. Cэ – Электронная, Cи- Ионная, Cдр- Дипольно-релаксационная, Cир- Ионно-релаксационная, Cэр- Электронно – релаксационная, Cм- Миграционная, Cсп- Спонтанная (самопроизвольная) поляризации.
Все емкости эквивалентной схемы шунтированы резистором R из, представляющим собой сопротивление изоляции сквозному току через диэлектрик.
10. Дать понятие о диэлектрической проницаемости.
Среди изоляционных материалов важная роль отводится электрическим характеристикам и такому показателю, как диэлектрическая проницаемость. Она может оцениваться двумя различными характеристиками:
1. абсолютным значением;
2. относительной величиной.
Термином абсолютной диэлектрической проницаемости вещества εa пользуются при обращении к математической записи закона Кулона. Она, в форме коэффициента εа, связывает вектора индукции D и напряженности E, D=εа*E. Определение относительной диэлектрической проницаемости среды используется для характеристики изоляционных свойств вещества. Она оценивает соотношение силы взаимодействия между двумя точечными зарядами при двух различных условиях: в вакууме и рабочей среде. При этом показатели вакуума принимаются за 1 (εv=1), а у реальных веществ они всегда выше, εr>1.
Численное выражение εr отображается безразмерной величиной, объясняется эффектом поляризации у диэлектриков, используется для оценки их характеристик.
11. Дать понятие о токах утечки, сквозном и абсорбционном.
Электроизоляционные материалы, применяемые в технике, не являются идеальными диэлектриками в связи с присущей им небольшой электропроводностью.
Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике протекают во времени до момента установления равновесия и создают токи смещения (токи поляризации). В случае электронной и ионной поляризаций эти токи практически не удается зафиксировать приборами. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые в большинстве технических диэлектриков, называют токами абсорбции. При приложении постоянного напряжения они наблюдаются только при включении и выключении, меняя свое направление
Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению малых по величине сквозных токов.
Следовательно, в диэлектрике протекают абсорбционный ток (i абс), обусловленный смещением связанных зарядов, и сквозной ток (i скв) за счет направленного перемещения свободных носителей зарядов. Ток, протекающий в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, называется током утечки (iут).
12. Дать понятие об ударной и фотонной ионизациях.
ИОНИЗАЦИЯ, образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Положительные ионы образуются в результате отрыва электрона (или электронов) от атомов и молекул. В
особых случаях нейтральные атомы и молекулы могут присоединять электроны и образовывать отрицательные ионы. Подвергаться И. могут и ионы, при этом повышается их кратность. Под И. понимают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости). И. может происходить при столкновениях частиц (столкновительная, или ударная, И.), под действием электромагнитного излучения (фотоионизация), под действием электрич. поля (ионизация полем). И., происходящая при взаимодействии излучения или частиц внутри вещества (среды), называется объёмной, на поверхности твёрдого тела или жидкости – поверхностной ионизацией. Положительные и отрицательные ионы образуются также при электролитической диссоциации.
13. Условие ионизации.
Для отрыва электрона из атома, находящегося в осн. состоянии, требуется затратить энергию ионизации, равную энергии связи. Энергия связи осн. уровня колеблется от миним. энергии 3,89 эВ для цезия до максимальной 24,59 эВ для гелия. Свободный электрон, обладающий энергией большей (или равной) энергии связи, при столкновении с атомом (молекулой) выбивает из него (неё) один электрон и образуется однозарядный положительный ион. Миним. значение кинетич. энергии ионизующего электрона называется порогом И. Элементарный акт И. частицей (или фотоном) характеризуется эффективным сечением И. Величина сечения растёт от нуля при пороговой энергии до определённого макс. значения и затем плавно уменьшается с увеличением энергии. В случае ударной И. сечение максимально при отрыве внешних валентных электронов и малó для внутр. электронов. Если свободный электрон обладает кинетич. энергией, достаточной, чтобы оторвать от атома два электрона или более, то происходит двухэлектронная или многоэлектронная И. Сечение И. таких процессов значительно меньше, чем сечение одноэлектронной ионизации.
Фотоионизация
В этом случае энергия ионизующего фотона hνhν должна быть не меньше энергии ионизации (hh – постоянная Планка, νν – частота излучения). Для всех атомов и молекул газов и жидкостей этому условию удовлетворяют лишь фотоны ультрафиолетового и более коротковолнового излучения. Фотоионизация играет существенную роль, напр., в процессах И. верхних слоёв атмосферы (ионосферы), в образовании стримеров при электрич. пробое газа и т. д. Фотоны больших энергий (рентгеновские и γγ-кванты) могут эффективно вырывать электроны не только с внешних, но и с внутр. электронных оболочек атомов.
14.Чем обусловлена электропроводность жидких диэлектриков и что на нее оказывает влияние?
Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидких диэлектриках электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги. Под диссоциацией понимают разложение молекул на более простые частицы – атомы, радикалы или ионы, а также разложение сложных молекул на более простые. В полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но и диссоциацией молекул самой жидкости. Невозможность полного удаления из жидких диэлектриков примесей, способных к диссоциации, осложняет получение высококачественных электроизоляционных жидкостей с малой удельной электропроводностью.
Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем неполярных в связи с тем, что энергия диссоциации полярных жидких диэлектриков значительно меньше, чем неполярных, а удельная проводимость значительно выше. Сильнополярные жидкости, например, вода, обладают настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.
15.Особенности электропроводности твердых диэлектриков.
Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей. У некоторых твердых диэлектриков электропроводность может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях.
Вид электропроводности устанавливают экспериментально,
используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной электропроводности это явление не наблюдается. При прохождении электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы могут частично удаляться, выделяясь на электродах, как это имеет место в жидкостях.
В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов. При низких температурах передвигаются слабозакрепленные ионы, в
частности, ионы примесей. При высоких температурах освобождаются и некоторые ионы из узлов кристаллической решетки.
В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей. Удельная проводимость их весьма мала. Для приближенных расчетов удельной проводимости в зависимости от температуры можно пользоваться также как и для жидких диэлектриков, выражением (18).
Некоторые диэлектрики (например, TiO2 и другие титансодержащие материалы) обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями заряда часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов.
В твердых пористых диэлектриках при наличии в них влаги, даже в небольшом количестве, резко увеличивается электропроводность.
16. Дать понятие об электрической очистке диэлектрика.
Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей заметно повышает их удельное сопротивление. При длительном пропускании электрического тока через неполярный жидкий диэлектрик можно наблюдать возрастание сопротивления за счет переноса свободных ионов примесей к электродам (электрическая очистка). Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной электропроводности это явление не наблюдается. При прохождении электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы могут частично удаляться, выделяясь на электродах, как это имеет место в жидкостях. При низких температурах передвигаются слабозакрепленные ионы, в частности, ионы примесей.
17.Дать понятие об угле ДП (d) и tg d .
Для многих изоляционных конструкций со сложной формой проблематично определить объем, чтобы оценить величину ДП, зная удельные потери. Поэтому для оценки ДП вводят показатель, который зависит только от качества материала, угол диэлектрических потерь (δ) и тангенс угла ДП (tg δ).
Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи.
Тангенс угла диэлектрических потерь – tgδ определяется как тангенс угла δ, являющегося дополнительным углом по отношению к углу сдвига фаз между током I и напряжением U (δ = 900- φ).
18.Схемы замещения диэлектрика.
Используя схемы замещения и векторные диаграммы, выведем формулы для определения tg δ и мощности ДП. Для параллельной схемы замещения из векторной диаграммы на рис. 23:
(19)
Тогда мощность ДП:
(20)
Для последовательной схемы замещения:
(21)
(22)
Окончательно:
(23)
Так как мощность ДП не зависит от схемы замещения, то приравняв формулы (21) и (23), определим соотношение емкостей Ср и С s:
(24)
Для высококачественных диэлектриков tg 2 δ значительно меньше единицы, поэтому:
(25)
(26)
Согласно формуле (25) диэлектрические потери пропорциональны квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте поля. Поэтому ДП имеют важное значение для материалов, используемых в высоковольтных высокочастотных устройствах. Материалы, предназначенные для использования в таких устройствах, должны отличаться малыми значениями угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости.
19.Что оказывает влияние на величину ДП?
Согласно формуле (25) диэлектрические потери пропорциональны квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте поля. Поэтому ДП имеют важное значение для материалов, используемых в высоковольтных высокочастотных устройствах. Материалы, предназначенные для использования в таких устройствах, должны отличаться малыми значениями угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости.
20.Виды ДП.
Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:
1. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью.
2. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией.
3. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.
4. Диэлектрические потери на ионизацию.
5. Резонансные диэлектрические потери.