Т2.Л4.Поляризация диэлектриков

Электроэнергетический факультет
Кафедра
электроснабжения и эксплуатации
электрооборудования
Учебная дисциплина
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ТЕМА № 4
Электроизоляционные материалы
ЛЕКЦИЯ № 6
Поляризация диэлектриков
Учебные цели
1. Знать механизм поляризации
диэлектриков.
2. Знать классификацию
диэлектриков по механизму
поляризации.
Учебные вопросы
Введение
1. Механизмы поляризации.
2. Классификация диэлектриков по
механизмам поляризации.
3. Влияние агрегатного состояния на
диэлектрическую проницаемость.
Заключение
Список рекомендуемой литературы
1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с.
2. Привалов Е.Е. , Гальвас А.В.
Электротехнические материалы: Пособие.
СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с.
3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ,
АГРУС, 2012. – 196с.
4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред.
Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат
Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 –
728с.
Введение
Поляризация - состояние диэлектрика,
имеющего электрический момент.
Способность к поляризации в электрическом
поле характеризуется относительной
диэлектрической проницаемостью
ε = СД / С0
(1)
где СД - емкость конденсатора с диэлектриком;
С0 - емкость того же конденсатора в вакууме
(без диэлектрика).
Абсолютная диэлектрическая проницаемость
ε α = ε0 ε ,
(2)
где ε0 - электрическая постоянная.
Поляризованность Р - отношение электрического
момента d p элемента диэлектрика к объему d V:
Р=dp/dV
(3)
В электрических полях поляризованность
пропорциональна напряженности поля:
(4)
где χ - диэлектрическая восприимчивость
материала.
1. Механизмы поляризации
Рассмотрим эквивалентную схему диэлектрика с
основными механизмами поляризации (рисунок 1)
На схеме показан источник напряжения U с
конденсаторами.
Емкость СО и заряд QО - собственное поле
электродов без диэлектрика (вакуум).
Сопротивление RИЗ равно сопротивлению
току сквозной электропроводности диэлектрика.
Рисунок 1 – Эквивалентная схема
диэлектриков с мгновенными и
замедленными механизмами поляризации
Механизмы поляризации:
1. Электронная поляризация (ЭП).
2. Ионная (ИП).
3. Дипольно-релаксационная (ДРП).
4. Ионно-релаксационная (ИРП).
5. Электронно-релаксационная (ЭРП).
6.Миграционная (МП).
7. Резонансная(РП).
8. Спонтанная(СП).
1. ЭП параметры схемы (СЭ, QЭ ) – упругое
смещение и деформация электронных оболочек
атомов и ионов за Т = 10 -15 с. Наблюдается у всех
диэлектриков и не связана с потерями энергии.
Рисунок 2 - Схемы моделей атомов водорода в
отсутствие внешнего электрического поля (а)
и при его воздействии (б)
2. Ионная поляризация (ИП) у диэлектриков с
ионным строением.
Обусловлена смещением упруго связанных ионов
(препятствуют упругие силы химической связи).
Модель кристаллической решетки каменной
соли (рисунок 3) смещение ионов:
натрия из узлов решетки по направлению
электрического поля;
хлора из узлов решетки против направления поля.
Рисунок 3 – Схемы расположения ионов каменной
соли: а – в узлах кристаллической решетки без
электрического поля;
б - смещенные из узлов решетки при
воздействии поля
Сумма элементарных моментов
q E = k у п р ∆x ,
(6)
где k y n p - коэффициент упругой связи;
∆x - смещение ионов.
С повышением температуры расстояния
между ионами решетки увеличиваются, что
сопровождается ослаблением сил упругой связи и
усилением поляризованности диэлектрика.
Время установления ионной поляризации
около 10-13 с.
3. Дипольно-релаксационная (ДРП) - дипольные
молекулы ориентируются под действием поля.
ДРП возможна, если молекулярные силы не
мешают диполям.
С увеличением температуры молекулярные
силы слабеют, а поляризация усиливается.
Поворот диполей требует преодоления
сопротивления, потому ДПР связана с потерями
энергии и нагревом диэлектрика.
Расположение дипольных молекул без
электрического поля (а) и при его воздействии
на диэлектрик (б).
Поляризованность диэлектрика
(7)
где t - время, прошедшее после снятия поля;
τ О - время релаксации.
Время τ О сильно зависит от температуры.
ДПР свойственна полярным жидкостям.
Происходит и в твердых полярных
органических веществах (поворот радикалов по
отношению к молекуле диэлектрика).
4. Ионно-релаксационная (ИРП) происходит в
ионных диэлектриках с неплотной упаковкой
ионов - неорганических стеклах.
Под воздействием электрического поля ионы
стекла перебрасываются в направлении поля и
смещаются на расстояния, превышающие
постоянную кристаллической решетки
диэлектрика.
5. Электронно-релаксационная (ЭРП) возникает
за счет возбужденных тепловой энергией
избыточных электронов (дырок).
Особенности. Большая диэлектрическая
проницаемость и наличие максимума в её
температурной зависимости.
6. Самопроизвольная поляризация (СП) бывает у
сегнетоэлектриков, обладающих особыми
электрическими и магнитными свойствами
(сегнетова соль).
7. Миграционная поляризация (МП) - бывает
твердых диэлектриках с макроскопическими
неоднородностями и примесями.
МП связана с рассеянием электрической
энергии в диэлектриках.
Причины:
проводящие включения и слои с различной
проводимостью.
2. Классификация диэлектриков по механизмам
поляризации
Диэлектрики делят на:
•линейные (ЛД);
•нелинейные (НД).
Для ЛД зависимость заряда конденсатора Q
от напряжения U показана на рисунке 5, а.
Для НД зависимость Q = f (U) принимает
форму петли гистерезиса (рисунок 5, б).
Емкость конденсатора с ЛД зависит от его
геометрических размеров.
У НД емкостью можно управлять с помощью
электрического поля.
Рисунок 5 - Зависимость заряда
конденсатора от напряжения для линейных
диэлектриков (а) и сегнетоэлектриков (б)
Неполярные диэлектрики обладают электронной
поляризацией
(водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен).
Полярные (дипольные) диэлектрики вещества с
дипольно-релаксационной и электронной
поляризацией
(кремнийорганические соединения, нитробензол,
капрон, фенолоформальдегидные смолы,
хлорированные углеводороды ).
В группе ЛД выделим две подгруппы с:
1. Ионной и электронной поляризациями
(кристаллические вещества с плотной упаковкой
ионов (кварц, слюда).
2. Ионной, электронной и релаксационными
поляризациями
(неорганические стекла, керамика,
кристаллические диэлектрики с неплотной
упаковкой частиц в решетке).
3. Влияние агрегатного состояния на
диэлектрическую проницаемость
А. Проницаемость газов характеризуется малыми
плотностями из-за больших расстояний между
молекулами (ε = 1,0).
Поляризация газа электронная (дипольная).
Диэлектрическая проницаемость газов тем
больше, чем больше радиус молекулы газа.
У воздуха относительная ε = 1,0006.
Б. Проницаемость жидких диэлектриков (ЖД)
ЖД состоят из неполярных или полярных
молекул. Значение ε неполярных ЖД не более 2,5
из-за электронной поляризации.
Поляризация ЖД, содержащих дипольные
молекулы: электронная и дипольнорелаксационная. Значение относительной ε
полярных ЖД более 2,5.
Величина ε уменьшается, когда частота поля
большая и молекулы ЖД не успевают следовать за
изменением поля (рисунок 6).
Рисунок 6 - Зависимость диэлектрической
проницаемости воды от частоты при
различных температурах
Влияние f на характер зависимости ε от Т для
полярной ЖД (рисунок 7).
С увеличением f максимум ε смещается в
область более высоких Т (максимум ε, когда время
релаксации одного порядка с полупериодом
действия поля).
С ростом f совпадение наступает при более
высокой Т.
Рисунок 7 - Зависимость ε от Т для полярной
ЖД (глицерина) при различных частотах f и
температурах
Проницаемость ε твердых диэлектриков
(ТД) от их структурных особенностей.
Минимальная ε у ТД из неполярных
молекул (электронная поляризация).
Таблица 1 - Значения диэлектрической
проницаемости неполярных ТД
Таблица 2 - Значения проницаемости ε ТД
и ее температурного коэффициента (ионные
кристаллы)
ДТ обладают дипольно-релаксационной
поляризацией, а их проницаемость ε зависит от
температуры и частоты приложенного
напряжения.