Реферат: Основные электроматериалы

--PAGE_BREAK-- – максимальное значение электрической индукции (условно со знаком "+") и соответствующее ей максимальное значение напряженности электрического поля <img width=«32» height=«24» src=«ref-1_1564103064-121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1106">;

<img width=«21» height=«23» src=«ref-1_1564103185-103.coolpic» v:shapes="_x0000_i1107"> – остаточная электрическая индукция при напряженности электрического поля <img width=«41» height=«19» src=«ref-1_1564103288-121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1108">;

<img width=«20» height=«24» src=«ref-1_1564103409-103.coolpic» v:shapes="_x0000_i1109"> – коэрцитивная сила или значение напряженности электрического поля противоположного направления, необходимого для уменьшения остаточной электрической индукции <img width=«21» height=«23» src=«ref-1_1564103185-103.coolpic» v:shapes="_x0000_i1110"> до нуля.

В виду наличия гистерезиса для сегнетоэлектриков характерны большие потери при работе их в переменных полях. Диэлектрические потери, с учетом масштабных коэффициентов, пропорциональны площади петли гистерезиса.

Сегнетоэлектрики относятся к активным диэлектрикам, состоянием которых можно управлять электрическим полем.

Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков

Как известно жидкие диэлектрики жидкие диэлектрики могут состоять из нейтральных молекул, т.е. неполярных молекул, или из дипольных (полярных) молекул. В соответствии с этим они по-разному будут реагировать на наложение электрического поля.

К нейтральным жидкостям относятся все нефтяные масла: трансформаторное масло, кабельное масло, конденсаторное масло, а также бензол, толуол и др.

Величина <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564049468-92.coolpic» v:shapes="_x0000_i1111"> для нейтральных жидкостей определяется наличием только электронной поляризации, а значит <img width=«50» height=«24» src=«ref-1_1564103707-146.coolpic» v:shapes="_x0000_i1112"> и не превышает значения 2,5. Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры, т.к. с повышением температуры происходит тепловое расширение, и число частиц в единице объема уменьшается. Наиболее резкое изменение <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564049468-92.coolpic» v:shapes="_x0000_i1113"> происходит на границе фазового перехода вещества из жидкого в газообразное состояние.

Диэлектрическая проницаемость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564049468-92.coolpic» v:shapes="_x0000_i1114"> неполярных жидких диэлектриков практически не зависит от частоты <img width=«16» height=«21» src=«ref-1_1564069031-93.coolpic» v:shapes="_x0000_i1115"> изменения электрического поля, т.к. время установления электронной поляризации очень мало (см. рис. 1.12).
<img width=«200» height=«161» src=«ref-1_1564104130-2133.coolpic» v:shapes="_x0000_i1116">

Рисунок 1.12 – Зависимость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564049468-92.coolpic» v:shapes="_x0000_i1117"> для нейтральных жидких диэлектриков от частоты <img width=«16» height=«21» src=«ref-1_1564069031-93.coolpic» v:shapes="_x0000_i1118"> изменения электрического поля
К полярным жидкостям относятся хлорированные дифенилы, савол, этиловый спирт и др. Они обладают электронной и дипольно-релаксационной поляризациями.

Диэлектрическая проницаемость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564049468-92.coolpic» v:shapes="_x0000_i1119"> тем больше, чем больше степень полярности молекул, которая оценивается величиной дипольного момента.

Диэлектрическая проницаемость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564049468-92.coolpic» v:shapes="_x0000_i1120"> зависит от количества вещества в единице объема, т.е. существенно зависит от температуры (см. рис. 1.6).

В температурной зависимости наблюдается максимум при определенной температуре. Условие максимума диэлектрической проницаемости следующее: время релаксации <img width=«17» height=«24» src=«ref-1_1564068748-95.coolpic» v:shapes="_x0000_i1121"> должно быть равно времени полупериода действующего электрического поля: <img width=«59» height=«44» src=«ref-1_1564068843-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1122">.

Время релаксации <img width=«17» height=«24» src=«ref-1_1564068748-95.coolpic» v:shapes="_x0000_i1123"> – внутренний параметр данного диэлектрика и зависит от вязкости среды. С повышением температуры вязкость среды уменьшается и время релаксации также уменьшается.

Частотная зависимость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564049468-92.coolpic» v:shapes="_x0000_i1124"> имеет такой же вид, как и для дипольно-релаксационной поляризации (см. рис. 1.7). С увеличением частоты в начале диполи успевают следовать за изменением поля, а при достижении граничной частоты, диполи уже не успевают за изменением поля. При этом величина диэлектрической проницаемости уменьшается до значения, обусловленного чисто электронной поляризацией.

С повышением температуры исходная величина диэлектрической проницаемости уменьшается, т.к. плотность среды становится меньше и раздвигается частотный диапазон, т.е. граничная частота становится больше.

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков

Твердых диэлектриков очень много, они разнообразны по составу и свойствам, и в связи с этим поляризацию рассматривают для характерных групп диэлектриков.

1) Твердые неполярные диэлектрики

Для данной категории диэлектриков характерны те же закономерности электронной поляризации, что и для неполярных жидких диэлектриков и газов. Для нейтральных твердых диэлектриков будет характерен отрицательный <img width=«31» height=«24» src=«ref-1_1564049560-121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1125">, при достижении температуры плавления будет наблюдаться резкий спад диэлектрической проницаемости (см. рис. 7.23).


<img width=«362» height=«240» src=«ref-1_1564107223-6803.coolpic» v:shapes="_x0000_i1126">

Рисунок 1.13 – Температурная зависимость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1127"> для нейтральных твердых диэлектриков
Диэлектрическая проницаемость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1128"> не зависит от частоты изменения поля, т.к. время установления электронной поляризации очень мало (см. рис. 1.14).
<img width=«272» height=«218» src=«ref-1_1564114214-2883.coolpic» v:shapes="_x0000_i1129">

Рисунок 1.14 – Частотная зависимость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1130"> для нейтральных твердых диэлектриков
2) Ионные кристаллические диэлектрики с плотной упаковкой частиц

Диэлектрическая проницаемость этих веществ находится в широких пределах ( например: <img width=«232» height=«23» src=«ref-1_1564117191-376.coolpic» v:shapes="_x0000_i1131">).

Температурный коэффициент <img width=«31» height=«24» src=«ref-1_1564049560-121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1132"> положителен, поскольку повышение температуры не только уменьшает плотность вещества, но и увеличивает полярность ионов, вследствие ослабления внутренних связей. Основные закономерности изменения <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1133"> от температуры и частоты приведены в ионной поляризации. Исключение составляют кристаллы, содержащие ионы титана, <img width=«31» height=«24» src=«ref-1_1564049560-121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1134"> этих кристаллов отрицателен и это объясняется преобладанием электронной поляризации.

3) Ионные кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц

Ионные кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц обладают электронной, ионной, а также ионно-релаксационной поляризациями. Они характеризуются в большинстве случаев невысоким исходным значением <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1135"> и большим положительным коэффициентом <img width=«31» height=«24» src=«ref-1_1564049560-121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1136">. Примером является электротехнический фарфор (см. рис. 1.15).
<img width=«269» height=«216» src=«ref-1_1564118118-3529.coolpic» v:shapes="_x0000_i1137">

Рисунок 1.15 – Температурная зависимость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1138"> для электротехнического фарфора
4) Неорганические стекла (квазиаморфные диэлектрики)

Диэлектрическая проницаемость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1139"> находится в сравнительно узких пределах от 4 до 20, <img width=«31» height=«24» src=«ref-1_1564049560-121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1140">– положителен. Но можно при необходимости получить материал и с отрицательным <img width=«31» height=«24» src=«ref-1_1564049560-121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1141">, если в состав стекла ввести в виде механических примесей кристаллы с отрицательным <img width=«31» height=«24» src=«ref-1_1564049560-121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1142">(рутил, <img width=«35» height=«23» src=«ref-1_1564122198-130.coolpic» v:shapes="_x0000_i1143">).

5) Полярные органические диэлектрики

В твердом состоянии проявляют дипольно-релаксационную поляризацию. Диэлектрическая проницаемость <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1144"> полярных диэлектриков зависит от температуры и частоты изменения электрического поля. В температурной зависимости <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1145"> наблюдается максимум, в частотной зависимости при достижении граничной частоты наблюдается спад <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1146"> 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:
<img width=«135» height=«27» src=«ref-1_1564122610-330.coolpic» v:shapes="_x0000_i1147">,
где <img width=«64» height=«25» src=«ref-1_1564122940-216.coolpic» v:shapes="_x0000_i1148"> – диэлектрические проницаемости смеси и входящих компонентов;

<img width=«44» height=«23» src=«ref-1_1564123156-145.coolpic» v:shapes="_x0000_i1149"> – объемная концентрация компонентов в относительных единицах, удовлетворяющая условию <img width=«76» height=«23» src=«ref-1_1564123301-180.coolpic» v:shapes="_x0000_i1150">;

<img width=«13» height=«15» src=«ref-1_1564123481-84.coolpic» v:shapes="_x0000_i1151"> – 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:
<img width=«168» height=«25» src=«ref-1_1564123565-381.coolpic» v:shapes="_x0000_i1152">.




Результирующая <img width=«17» height=«23» src=«ref-1_1564042292-94.coolpic» v:shapes="_x0000_i1153"> меньше максимальной диэлектрической проницаемости (<img width=«36» height=«24» src=«ref-1_1564124040-115.coolpic» v:shapes="_x0000_i1154">) из входящих в смесь компонентов. Температурный коэффициент <img width=«31» height=«24» src=«ref-1_1564049560-121.coolpic» v:shapes="_x0000_i1155"> смеси определяется по формуле:
<img width=«219» height=«51» src=«ref-1_1564124276-718.coolpic» v:shapes="_x0000_i1156">
Или
<img width=«179» height=«24» src=«ref-1_1564124994-316.coolpic» v:shapes="_x0000_i1157">,
где <img width=«57» height=«23» src=«ref-1_1564125310-152.coolpic» v:shapes="_x0000_i1158"> – 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 потеряминазывают 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 900угол 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= Zравны соответственно их активные и реактивные составляющие. Это условие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения равны и значения активной мощности одинаковы.




<img width=«374» height=«240» src=«ref-1_1564125462-13441.coolpic» v:shapes="_x0000_i1159">

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
 =
I
а /
I
с = 1 / (ω
C
р
R
); (2.1.)

Ра =
U
·
I
а =
U
2
ω Ср
tg
 (2.2.)
для последовательной схемы
<img width=«353» height=«105» src=«ref-1_1564138903-5281.coolpic» v:shapes="_x0000_i1160">
Приравнивая выражения (2.2.) и (2.4.), а также (2.1.) и (2.3.), найдем соотношения между Ср и Сsи между Rи r:
<img width=«236» height=«63» src=«ref-1_1564144184-1487.coolpic» v:shapes="_x0000_i1161"> <img width=«236» height=«63» src=«ref-1_1564145671-1401.coolpic» v:shapes="_x0000_i1162">




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 = U2ω 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
Ра = U2/ R.(2.8.)
Если же потери в конденсаторе обусловлены главным образом сопротивлением подводящих и соединительных проводов, а также сопротивлением самих электродов (обкладок), например, тонким слоем серебра в слюдяном или керамическом конденсаторе, то рассеиваемая мощность в нем возрастает с частотой пропорционально квадрату частоты:
    продолжение
--PAGE_BREAK--