No Image

Электрического сопротивления диэлектрика от температуры

0 просмотров
11 марта 2020

Поляризация диэлектриков

Основное электрическое свойство диэлектриков — способность поляризоваться под воздействием электрического поля, в котором возможно существование внутреннего электрического поля.

Поляризация представляет собой процесс смещения и упорядочения связных электрических зарядов в диэлектриках под действием внешнего электрического поля.

По этому признаку все диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные.

В тех материалах, в атомах которых электрон вращается вокруг ядра (протона) по круговой орбите, центры приложения как положительных, так и отрицательных зарядов совпадают. За счет быстрого вращения по круговой орбите отрицательный заряд электрона практически находится в центре системы. Дипольный электрический момент атома μ = qL, где q — положительный или равный ему отрицательный заряд частицы; L — расстояние между зарядами. В данном случае L = 0 и соответствует μ = 0.

Диэлектрики, у которых дипольный электрический момент равно нулю, называются неполярными. К таким диэлектрикам относятся одноатомные (Не, Аr, Кr) и двухатомные (H2, N2, Cl2) газы. Слабо полярны все углеводороды и некоторые органические материалы.

Если такой материал поместить в электрическое поле, то центр отрицательного заряда изменит свое положение и система, (атом) превратится в диполь с наведенным электрическим моментом:

Рисунок – 1. Дипольная молекула

где: Е — напряженность электрического поля; α — коэффициент пропорциональности или поляризуемость, т.е. способность поляризоваться.

Рассмотренный вид поляризации называется электронный и происходит практически мгновенно (за время 10 15 с.). Этот вид поляризации относится к упругим видам, не сопровождается рассеиванием энергии, т.е. за счет упругой деформации или смещения атомов, ионов или молекул материала из положения равновесия под действием электрического поля и быстро возвращается в исходное положение при снятии воздействия внешнего поля. Электронная поляризация характерна для всех типов диэлектриков.

Примером полярного диэлектрика является материал, обладающий молекулярным строением, когда центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают. В простейшем случае молекула состоит из положительного и отрицательного иона. В отсутствии внешнего электрического поля каждая молекула обладает собственным электрическим дипольным моментом μ неравным нулю. За счет теплового движения все дипольные молекулы расположены хаотично и суммарная поляризация материала равна нулю.

Если такой диэлектрик поместить в электрическое поле Ен, то дипольные молекулы примут некоторое ориентированное положение. На поверхности материала появятся связанные поверхностные заряды. Эти заряды некомпенсированные в отличие от внутренних зарядов и именно они создают собственное поле диэлектрика Ев, вызванное поляризацией, напряженность которого направлена на встречу Ен. Суммарная напряженность электрического поля Е оказывается несколько меньше, чем в случае отсутствия диэлектрика электродами (в вакууме). Такой вид поляризации называется дипольнорелаксационной, замедленной поляризацией, так как связан с перемещением крупных частиц материала и происходит за более ощутимое время 10 -2 . 10 -10 с. За время установления поляризации (время релаксации) принимают время, в течение которого при снятии электрического поля поляризация диэлектрика уменьшается в е раз.

Величина, характеризующая степень ослабления напряженности внешнего поля внутренним полем диэлектрика, является одной из важных электрических характеристик диэлектрика — диэлектрической проницаемостью и обозначается буквой е:

Рисунок 2. Поляризация диэлектрика

В неполярных диэлектриках происходят только упругие виды поляризации, в полярных – как упругие, так и релаксационные. Значение е зависит от вида поляризации. Для полярных диэлектриков она обычно больше, чем для неполярных и зависит от частоты приложенного напряжения, температуры и влажности.

Рисунок 3. Поляризация неполярного диэлектрика

2. Зависимость Ε от частоты приложенного напряжения.

В переменном электрическом поле Ε в полярных диэлектриках при повышении частоты f внешнего поля до некоторого значения остается неизменной. Однако при достижении некоторого критического для данного вещества значения частоты е падает и стремится к минимальному значению ε. Такая зависимость вызвана замедленным механизмом релаксационной поляризации, присущей полярным диэлектрикам.

При низкой частоте приложенного поля диполи успевают поворачиваться вслед за изменением направления поля. При частотах выше fkp диполи из-за трения уже не успевают за изменением поля и ε снижается.

Для неполярных диэлектриков, поляризация не связана с процессами трения, е не зависит от f по крайней мере в диапазоне применяемых в технике частот.

1 – полярный диэлектрик; 2 – неполярный диэлектрик

Рисунок 4. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты

3. Зависимость Ε от температуры.

Для полярных диэлектриков характерна следующая зависимость ε = φ(т). Различимы три области: I — область низких температур — высокая вязкость материала; II — средняя вязкость; III — низкая вязкость размягчения материала, увеличение хаотического теплового движения.

Рисунок 5. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры

В области I с ростом температуры увеличивается подв-ть молекул (частиц, диполей) диэлектриков, тем самым облегчает процесс поляризации и растет ε, которая достигает своего максимума в области II. Однако дальнейший рост температуры с одной стороны, снижает вязкость материала, с другой стороны, возрастает хаотическое тепловое движение частиц материала, которое мешает процессу ориентации диполей, разрушая его. Диэлектрическая проницаемость снижается.

Читайте также:  Куда звонить в случае протечки воды

Для неполярных диэлектриков влияние температуры на е незначительно и увеличение может, как уменьшать, так и увеличивать ε.

Зависимость ε от температуры можно учесть через температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКε:

ТКε = 1/ ε • Δε / ΔТ

Потери в диэлектриках

За величину, характеризирующую диэлектрические потери в диэлектриках принимают отношение активной части токов к реактивной. Отношение Iа / Ip = tgσ, то есть тангенсу угла между вектором суммарного тока Iоб и его реактивной составляющей. Безразмерная величина tgσ принята за характеристику материала и называется тангенсом угла диэлектрических потерь.

Произведение ε * tgσ называется коэффициентом диэлектрических потерь. При больших значениях этого коэффициента диэлектрик склонен к перегреву и разрушению за счет выделяемой теплоты.

Диэлектрические потери зависят от частоты приложенного напряжения и температуры.

1 — полярные диэлектрики 2 — неполярные диэлектрики

Рисунок 6. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры

С ростом температуры уменьшается удельное электрическое сопротивление диэлектриков и, следовательно, растет ток сквозной проводимости. Нагрев диэлектрика влияет на процессы поляризации. В процессе нагрева сначала происходит увеличение подвижности частиц диэлектрика, что увеличивает количество теплоты, выделяемой за счет трения частиц или их ориентации. Однако дальнейшее увеличение температуры повышает хаотические колебания частиц, препятствующее поляризации. С другой стороны при нагреве снижается вязкость материала и, следовательно, уменьшается трение при ориентации дипольных частиц. Все это приводит к снижению диэлектрических потерь. Суммируя действие всех факторов, связанных с диэлектрическими потерями получаем изображение на рисунке 6 для полярных диэлектриков.

Изменение частоты приложенного напряжения влияет на диэлектрические потери. Частота влияет на потери поляризации. На ток сквозной проводимости f не влияет. Частота практически не влияет и на упругие виды поляризации. Таким образом, релаксационные виды поляризации вызывают изменение диэлектрических потерь при изменении f.

Рисунок 7. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты

Графическая зависимость tga = φ(f) для полярных диэлектриков повторяет tgσ = φ(Т) для тех же материалов. Это связано с тем, что при Т = const ориентация диполей сначала успевает за изменением полярности приложенного напряжения, а затем, с ростом f, пройдя максимальное значение для tgσ, начинает отставать. Вместо полного поворота вслед за полем диполи начинают колебаться все с меньшей амплитудой, что и снижает уровень диэлектрических потерь.

Значение ТК — справочный параметр, который задается для каждого диэлектрического материала.

При создании приборов и аппаратуры можно управлять характером изменения ε, используя комбинации диэлектрических материалов с различным знаком ТКε.

На е влияет влажность материала. Для всех материалов ε увеличивается с ростом влажности. Особенно чувствительны к влажности диэлектрики.

Электрическое сопротивление диэлектриков.

Все диэлектрики обладают большим удельным сопротивлением. При оценки любых диэлектрических материалов учитывают их объемное электрическое сопротивление ρv, а для твердых диэлектриков также и удельное поверхностное сопротивление ρs. Для диэлектриков характерны следующие значения:

ρv = 10 8 . 10 18 Ом*м; ρv =10 6 . 10 16 Ом*м.

При приложении к диэлектрику электрического поля по нему проходят токи:

1. Ток сквозной проводимости Iск, обусловленный перемещением некоторого количества заряженных частиц, наличие которых в диэлектриках связано с примесями.

2. Ток смещения Iсм, связанный с упругими видами поляризации, вызываемый смещением заряженных частиц от положения равновесия при поляризации.

3. Ток абсорбции Iаб, связанный с релаксационными видами поляризации, процессами ориентации диполей.

При постоянном напряжении по диэлектрикам проходит только ток сквозной проводимости, а поляризационные токи проходят очень короткое время и прекращаются при установлении поляризации. При переменном напряжении они проходят непрерывно. Электропроводность диэлектриков в первую очередь определяется наличием в них загрязнения (примесей). При увеличении температуры электропроводности диэлектрики увеличиваются, так как происходят температурное разрушение молекул диэлектриков, появляются свободные носители.

Повышение влажности вызывает падение электрического сопротивления диэлектрика, так как вода в реальных условиях содержит растворенные вещества и является проводником.

Диэлектрические потери.

При прохождении электрического тока через диэлектрик он нагревается и теплота рассеивается в окружающее пространство, то есть электрическая энергия теряется на нагрев диэлектрика.

Мощность, рассеиваемая в пространство, составляет диэлектрические потери.

Ток сквозной проводимости называется активным током, он вызывает нагрев диэлектрика и определяет диэлектрические потери. Поляризационные токи так же частично вызывают потери. Это относится к процессам релаксационной поляризации, когда происходит ориентация (поворот) крупных частиц материала (диполей), и в результате трения частиц друг относительно друга выделяется теплота. Упругие виды поляризации не вызывают диэлектрических потерь.

Векторная диаграмма токов имеет вид:

Рисунок 8. векторная диаграмма токов, протекающих в диэлектриках

По горизонтальной оси отложено значение токов, вызывающих диэлектрические потери (Iск + часть поляризационных токов, вызывающих нагрев диэлектрика) — активный ток Iа.

Для каждого материала существует так называемая критическая частота, при которой диэлектрические потери наибольшие. Эту частоту можно определить из условия: fкp * t = 1, где fкp — критическая частота; t — время релаксации поляризации. На этом принципе основано определение времени релаксации поляризации полярного диэлектрика при Т = const. Увеличение Т приводит к увеличению fкp, здвигая всю зависимость в сторону более высоких частот.

Читайте также:  Схема подключения стеклоочистителя паз

Диэлектрические потери используют иногда для разогрева диэлектрика. Например, для получения реакции полимеризации в ходе получения пластмассы, для сушки древесины.

В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, освобождаемых под влиянием флуктуаций теплового движения. При низких температурах передвигаются слабозакрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах освобождаются и некоторые ионы из узлов кристаллической решетки.

Удельная электрическая проводимость растет с ростом температуры по экспоненциальному закону:

, (3.13)

где — подвижность.

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной с энергией активации W и примесной энергией активации WПР:

, (3.14)

где A — коэффициент (постоянная, характеризующая данный диэлектрик).

В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости от обратной величины абсолютной температуры T должна состоять из двух прямолинейных участков (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 — Зависимость логарифма удельной проводимости от обратной величины абсолютной температуры T

Участок 1 — электропроводность характеризуется собственными дефектами: область высокотемпературной или собственной электропроводности.

Участок 2 — область низкотемпературной или примесной электропроводности: определяется в основном природой и концентрацией примесей. Температура, при которой наблюдается излом зависимости , сильно зависит от степени частоты и совершенства кристалла.

Поверхностная электропроводность происходит благодаря неизбежному увлажнению, окислению, загрязнению и т.д. поверхностных слоев электрической изоляции. Поэтому диэлектрик характеризуется значением удельного поверхностного сопротивления .

Поверхностное сопротивление участка поверхности твердого диэлектрика между параллельными друг другу кромками электродов длиной в, отстоящими друг от друга на расстоянии а (рис. 3.5), прямо пропорционально а и обратно пропорционально в:

, (3.15)

где коэффициент пропорциональности и есть удельное поверхностное сопротивление:

. (3.16)

Рисунок 3.5 — Поверхностное сопротивление участка поверхности твердого диэлектрика

Очевидно, что (Ом) есть сопротивление квадрата на поверхности диэлектрика, ток через который идет от одной стороны к противоположной, а при а=в — .

При изменениях влажности окружающей среды значения изменяются быстрее чем (удельное объемное сопротивление, Ом м). Особенно резкое уменьшение удельного поверхностного сопротивления наблюдается при относительной влажности превышающей 70-80 %.

увлажненного твердого диэлектрика тем ниже, чем меньше краевой угол смачивания . Политетрафторэтилен, полистирол, ультрафарфор — 113 0 , 98 0 , 50 0 . 5*10 17 ; 3*10 15 ; 10 13 Ом.

Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых — влаги. Кроме того, падает при загрязнении поверхности диэлектрика.

Для повышения поверхностного сопротивления электроизоляционных изделий их покрывают влагостойкими гидрофобными веществами с большим (глазурь для фарфоровых изоляторов, полимерные герметики и т.д.).

1. Какими параметрами оценивают электропроводность диэлектриков?

2. В каких единицах измеряют удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления диэлектриков? Дайте определения этим физическим величинам.

3. Основные механизмы электропроводности газов, диэлектрических жидкостей.

4. Каков механизм электропроводности твердых диэлектриков? Как влияет температура на их удельную проводимость?

5. Чем обусловливается поверхностная проводимость твердых диэлектриков?

Дата добавления: 2015-10-01 ; просмотров: 2168 | Нарушение авторских прав

Контрольные вопросы по лекции №5.

1. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для полярных диэлектриков.

2. Распределение поля в двухслойном диэлектрике.

3. Виды электропроводности в диэлектриках разных агрегатных состояний.

Для сравнительной оценки величин токов объемной и поверхностной проводимостей пользуются значениями удельного объемного сопротивления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρs. Поверхностная и объемная проводимости обусловлены разными причинами. Поверхностная проводимость обусловлена присутствием влаги и прочих загрязнений на поверхности диэлектрика. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость. Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Резкое уменьшение поверхностного сопротивления наблюдается при повышении относительной влажности до 70 – 80%. Удельное поверхностное сопротивление тем выше, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность вещества. Поверхностное сопротивление также может быть повышено за счет качества механической обработки поверхности. Особенно резкое снижение поверхностного сопротивления наблюдается для полярных диэлектриков, у которых образуется поверхностная пленка электролита. Для повышения поверхностного сопротивления применяются различные способы очистки поверхностей: промывка, прокаливание, кипячение в дистиллированной воде.

Схема установки для определения объемного и поверхностного сопротивления диэлектриков изображена на рис.3. На рис.3 цифрой 1 обозначен измерительный электрод, 2 – кольцевой электрод, используемый как заземляющий при определении объемного сопротивления и как высоковольтный при определении поверхностного сопротивления; 3 – электрод, используемый как высоковольтный при определении объемного сопротивления и как заземляющий при определении поверхностного сопротивления; 4 – испытуемый диэлектрик. Удельное объемное сопротивление диэлектрика может быть определено по формуле: ρ = R∙S/h, Ом∙м, где R – измеренное сопротивление образца, Ом, S – площадь измерительного электрода 1, м 2 ; h – толщина образца. Удельное поверхностное сопротивление определяется по формуле: ρs=2πRs/ln(d1/d2), Ом∙м, где Rs – измеренное сопротивление образца, Ом, d1 – внутренний диаметр кольцевого электрода 2 d2 – наружный диаметр измерительного электрода 1.

Читайте также:  Как варить газом трубы

В отношении явления поверхностной проводимости можно сделать следующие обобщения. Зависимость удельной поверхностной проводимости от влажности обуславливается наличием на поверхности диэлектрика диссоциирующих на ионы веществ. Вода, попавшая на поверхность, способствует их выявлению Если эти вещества являются загрязнениями, то путем их удаления можно получать высокие значения удельного поверхностного сопротивления при любой влажности воздуха. Если такие вещества являются составной частью материала, то удельное поверхностное сопротивление будет сильно снижаться при увеличении влажности. Следует использовать специальные защитные покрытия для снижения гигроскопичности диэлектрика, обеспечивать несмачиваемость его поверхности водой. Например, покрытие керамики и стекол кремнийорганическими лаками значительно повышает величину удельного поверхностного сопротивления изделий во влажной среде.

Ток, обусловленный объемной проводимостью диэлектриков, имеет достаточно сложную форму даже при приложении постоянного напряжения. Ток объемной проводимости состоит из двух основных составляющих: 1) токи смещения и адсорбционные токи и 2) сквозные токи.

График тока при подаче постоянного напряжения представляет собой спадающую до установившегося значения экспоненту, убывающую от начального достаточно большого значения до относительно небольшого установившегося значения.

Начальный бросок тока вызван за счет упорядоченного перемещения частиц вещества в процессе поляризации. Некоторые виды поляризации вещества протекают практически мгновенно. Однако есть и виды поляризации, протекающие достаточно медленно, например релаксационная поляризация. Электрический ток, вызванный движением частиц в процессе поляризации вещества, называется током смещения. Когда задействованы относительно медленные механизмы поляризации, эту составляющую тока называют еще адсорбционным током.

Очевидно, что с течением времени эти составляющие тока уменьшаются до нуля. При постоянном напряжении токи смещения наблюдаются только в моменты включения и выключения напряжения. При переменном напряжении токи смещения имеют место постоянно в течение всего времени действия электромагнитного поля на материал.

Составляющая тока, которая не меняется со временем после приложения постоянного напряжения и представляет собой стационарный поток заряженных частиц, называется током сквозной проводимости, или током утечек. Именно по величине сквозного тока определяют удельную объемную и поверхностную проводимость диэлектрика. Ток сквозной проводимости обусловлен направленным движением носителей заряда, поставляемых ионогенными примесями или самим диэлектриком. Чтобы учесть влияние поляризационных токов, сопротивление твердого диэлектрика рассчитывают частное от деления приложенного напряжения к току, измеренному через одну минуту после включения напряжения.

Величина тока сквозной проводимости при длительном приложении постоянного напряжения может существенно изменяться в результате электрохимических процессов и образования объемных зарядов в диэлектрике. Строго говоря, величина сквозного тока не будет изменяться только при чисто электронном типе проводимости. Если при длительном приложении напряжения ток утечки продолжает снижаться, то электропроводность данного материала обусловлена в основном ионами примеси и она снижается за счет электроочистки образца. Если же ток утечки увеличивается, то это указывает на участие в образовании электрического тока собственных зарядов материала, т.е. имеет место электролиз. В этом случае материал стареет — в нем протекают необратимые электрохимические процессы, постепенно приводящие к разрушению (пробою) образца.

Удельная объемная электропроводность γ [См∙м]определяется концентрацией заряженных частиц n [м -3 ], величиной их заряда q [Кл] и подвижностью зарядов b [м 2 /(В∙с)] и определяется по формуле:

Эта формула не связана с природой носителя заряда и может применяться для всех видов электропроводности.

Подвижность электронов вследствие их малой массы примерно в 1000 раз выше, чем подвижность ионов. Несмотря на это, проводимость твердых и жидких диэлектриков носит именно ионный характер. Это объясняется тем, что для образования свободных ионов, например при диссоциации, требуется меньшая энергия, чем для образования свободных электронов. С повышением температуры концентрация свободных ионов возрастает по экспоненциальному закону. Подвижность ионов в диэлектрике с увеличением температуры также возрастает экспоненциально. Причины этого явления хорошо описаны в книге Колесова. Суммируя вышесказанное, получим, что с увеличением температуры удельная проводимость растет в результате увеличения концентрации и подвижности носителей заряда. При этом в случае жидких диэлектриков, основным процессом является увеличение подвижности свободных тонов, а в случае твердых диэлектриков – увеличение концентрации свободных ионов. Электропроводность полярных диэлектриков при нагревании возрастает быстрее, чем для неполярных.

Для учета зависимости проводимости диэлектрика от температуры в технике вводится так называемый температурный коэффициент сопротивления диэлектрика TKρ ( или αρ). Зависимость проводимости диэлектрика от температуры носит нелинейный характер, поэтому для заданного интервала температур вводят понятие «средний температурный коэффициент сопротивления диэлектрика», который вычисляется по формуле:

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector