Основные электроматериалы (стр. 4 из 6)
5) Полярные органические диэлектрики
В твердом состоянии проявляют дипольно-релаксационную поляризацию. Диэлектрическая проницаемость
полярных диэлектриков зависит от температуры и частоты изменения электрического поля. В температурной зависимости наблюдается максимум, в частотной зависимости при достижении граничной частоты наблюдается спад до уровня электронной поляризации.Диэлектрическая проницаемость сложных по составу диэлектриков
В сложных по составу диэлектриках, представляющих собой механические смеси химически невзаимодействующих компонентов с различной диэлектрической проницаемостью, результирующую диэлектрическую проницаемость можно определить на основании уравнения Лихтенеккера или логарифмического закона смещения:
,где
– диэлектрические проницаемости смеси и входящих компонентов; 
– объемная концентрация компонентов в относительных единицах, удовлетворяющая условию 
; 
– величина, характеризующая распределение компонентов в данном диэлектрике и принимающая значение от +1 до -1.Если два компонента распределены хаотически ( например, в керамике), то уравнение Лихтенеккера после преобразования и подстановки х=0 имеет вид:
.Результирующая
меньше максимальной диэлектрической проницаемости ( 
) из входящих в смесь компонентов. Температурный коэффициент 
смеси определяется по формуле: 
Или
,где
– табличные значения температурных коэффициентов входящих компонентов.Все диэлектрики по виду подразделяются на несколько групп. К первой группе можно отнести диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией, например неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол), а так же неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и т.д.)
Парафин - εr=1,9…2,2
Сера – εr=3,6…4,0
Полистирол – εr=2,4…2,6
Бензол – εr=2,28
Водород – εr=1,00027
Гелий – εr=1,000072
Кислород – εr=1,00055
Ко второй относятся диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризацией.
Сюда принадлежат полярные (дипольные ) органические, полужидкие и твердые вещества (масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, некоторые хлорированные углеводороды и т.п.)
Эпоксидная смола - εr=3,0…4,0
Целлюлоза - εr=6,5
Поливинилхлорид εr=1,9…2,1
Полиметилметакрилат εr=3,0…3,5
Полиамид εr=3,5…4,5
Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, йонной и йонно-электронно-релаксационной поляризациями.
В этой группе целесообразно выделить две подгруппы материалов ввиду существенного различия их электрических характеристик:
· Диэлектрики с электронной и йонной поляризациями;
· Диэлектрики с электронной, йонной и релаксационными поляризациями.
К первой подгруппе преимущественно относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой йонов (кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил.
Кварц - εr=4,5
Хлористый натрий - εr=6,0
Рутил - εr=110
Корунд - εr=10,5
Слюда - εr=5,5…45,8
Ко второй подгруппе принадлежат неорганические стекла, материалы содержащие стекловидную фазу (фарфор, микалекс), и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке:
Фарфор - εr=6…8
Микалекс - εr=8,0
Кварцевое стекло – εr=3,8
Стекло "Флинт" -- εr=8,0
Силикатное стекло - εr=6,3…9,6
Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики. характеризующиеся спонтанной, электронной, йонной и электронно-йонно-релаксационной поляризацией (сегнентовая соль, титанат бария и др.)
Сегнетовая соль - εr=1500…20000
Титанат бария εr=7000…9000
Первоксид - εr=800…10000
Пирониобат кадмия - εr=1000…1500
Приведенная выше классификация диэлектриков отражает в достаточной степени основные электрические свойства.
2. Объяснить, в чем заключается различие между понятиями "тангенс угла диэлектрических потерь" и "коэффициент диэлектрических потерь"
Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.
Потери в энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении, поскольку в технических материалах обнаруживается сквозной ток утечки, обусловленный электропроводностью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указывалось, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений, которые определяют значение Rиз (см.рис.1.1).
При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нем кроме сквозной электропроводности могут проявляться другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому качество материала недостаточно характеризовать только сопротивлением изоляции.
В инженерной практике чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.
Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 900 угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.
В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол 900; при этом угол равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь и его функция tg.
Тангенс угла диэлектрических потерь непосредственно входит в формулу для рассеиваемой в диэлектрике мощности, поэтому практически наиболее часто пользуется этой характеристикой.
Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями. Эта схема должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы активная мощность, расходуемая в данной схеме, была равно мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток был бы сдвинут относительно напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе.
Поставленную задачу можно решить, заменив конденсатор с потерями идеальным конденсатором с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема) или конденсатором с последовательно включенным сопротивлением (последовательная схема). Такие эквивалентные схемы, конечно, не дают объяснения механизма диэлектрических потерь и введены только условно.
Параллельная и последовательная эквивалентные схемы представлены на рис. 2.1.. Там же даны соответствующие диаграммы токов и напряжений. Обе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений Z1 = Z2 = Z равны соответственно их активные и реактивные составляющие. Это условие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения равны и значения активной мощности одинаковы.
Рис. 2.1. Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные схемы диэлектрика с потерями и векторные диаграммы для них.
Для параллельной схемы из векторной диаграммы
tg = Iа / Iс = 1 / (ωCр R); (2.1.)
Ра = U· Iа = U2 ω Ср tg (2.2.)
для последовательной схемы
Приравнивая выражения (2.2.) и (2.4.), а также (2.1.) и (2.3.), найдем соотношения между Ср и Сs и между R и r:
Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg2 по сравнению с единицей в формуле (2.5.) и считать Ср ≈ Сs = С. Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут также одинаковы у обеих схем:
Ра = U2 ω С tg , (2.7.)
где Ра выражено в Вт; U – в В; ω – в с-1; С – в Ф.
Следует отметить, что при переменном напряжении в отличие от постоянного емкость диэлектрика с большими потерями становится условной величиной и зависит от выбора той или иной эквивалентной схемы. Отсюда и диэлектрическая проницаемость материала с большими потерями при переменном напряжении также условна.
Для большинства диэлектриков параметры эквивалентной схемы зависят от частоты. Поэтому, определив каким-либо методом значения емкости и эквивалентного сопротивления для данного конденсатора при некоторой частоте, нельзя использовать эти параметры для расчета угла потерь при другой частоте. Такой расчет справедлив только в отдельных случаях, когда эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование. Так, если для данного диэлектрика известно, что потери в нем определяются только потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то угол потерь конденсатора с таким диэлектриком может быть вычислен для любой частоты, лежащей в этом диапазоне, по формуле (2.1.). Потери в таком конденсаторе определяются выражением