Исследование влияния химического состава и температуры на относительную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла

Потерь диэлектриков

5.1. Цель работы

Исследование влияния химического состава и температуры на относительную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь диэлектриков

5.2. Теоретическая часть

5.2.1. Влияние температуры на относительную диэлектрическую

проницаемость диэлектриков

В однородном электростатическом поле с напряженностью Е_вн дипольные молекулы принимают ориентированное положение. На поверхности материала появляются связанные поверхностные заряды. Эти заряды нескомпенсированы в отличие от внутренних зарядов и именно они создают собственное поле диэлектрика , вызванное поляризацией, напряженность которого направлена навстречу напряжённости внешнего поля. Суммарная напряжённость поля Е оказывается несколько меньшей, чем в случае отсутствия диэлектрика между электродами. Величина, характеризующая степень ослабления напряженности внешнего поля внутренним полем диэлектрика называется относительной диэлектрической проницаемостью. Она является одной из важнейших электрических характеристик диэлектрика и обозначается буквой e [1]

,

где DЕ = — .

Значение e зависит от вида поляризации. Для полярных диэлектриков e обычно больше, чем для неполярных и зависит от температуры, частоты приложенного напряжения и влажности. Температурная зависимость полярного диэлектрического материала Фторопласт-3 приведена на рис 5.1.

На этом графике можно выделить три характерные области изменения e от температуры: область 1 — высокой вязкости материала; область 2 — средней вязкости; область 3 — низкой вязкости.

В области 1 с увеличением подвижности частиц диэлектрика облегчается процесс поляризации и растет относительная диэлектрическая проницаемость. В области 2 e достигает своего максимума. При дальнейшем увеличении (область 3) температуры хаотическое тепловое движение частиц мешает процессу ориентации диполей, разрушая его. При этом e начинает падать. В области 3 также снижается и твердость диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков от температуры меняется незначительно, так как увеличение e за счет ослабления сил связи между частицами компенсируется уменьшением e за счет теплового расширения диэлектрика [2].

5.2.2. Влияние температуры и химического состава на тангенс

угла потерь диэлектриков

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках следует рассматривать в связи с особенностями их структуры. Для большинства видов электрокерамики количество ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возрастает с увеличением температуры, и температурная зависимость в первом приближении имеет экспоненциальный характер. На рис. 5.2 приведена зависимость от температуры для щелочных стекол.

Эти потери вызваны передвижением слабо связанных ионов и рассматриваются как потери, обусловленные электропроводностью. Они проявляются при температурах выше . Чем большую сквозную электропроводность имеет стекло, тем при более низкой температуре наблюдается возрастание тангенса угла потерь.

Главным фактором, определяющим диэлектрические потери в неорганических стеклах является наличие окислов. Например, наличие щелочных окислов ( ) при отсутствии тяжелых окислов ( ) вызывает значительное повышение . Введение тяжелых окислов уменьшает . Диэлектрические потери в керамике зависят от характера кристаллической и стекловидной фаз и соотношения между ними. Потери в керамике резко возрастают при наличии электропроводных включений, а также абсорбированной влаги при наличии открытой пористости [1]. На рис. 5.2 приведена зависимость от температуры для титаносодержащей керамики.

Диэлектрические характеристики слюды зависят от температуры. Примеси даже в небольших количествах резко ухудшают электрические свойства слюды.

На рис. 5.3 приведена зависимость от температуры для мусковита.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектрике мало изменяются с изменением температуры в области самопроизвольной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда сегнетоэлектрические свойства теряются и самопроизвольная поляризация исчезает [2].

На рис. 5.4 представлены зависимости от температуры для титаната бария.

5.2.3. Описание метода

измерения диэлектрической

проницаемости диэлектриков

Метод основан на измерении емкости плоского конденсатора с воздушным диэлектриком и с диэлектриком из исследуемого материала.

В случае плоского конденсатора его емкость определяется соотношением

, (5.1)

где Ф/м — электрическая постоянная; S — площадь обкладки, м²; d — толщина диэлектрика, м.

С достаточной для практики точностью можно допустить, что относительная диэлектрическая проницаемость воздуха e_в = 1. Тогда, используя выражение (5.1), по размерам обкладок конденсатора и расстоянию между ними, можно рассчитать емкость конденсатора с воздушным диэлектриком. Емкость конденсатора с диэлектриком из исследуемого материала измеряется с помощью прибора Е7-8.

Диэлектрическая проницаемость диэлектрика вычисляется из выражения

, (5.2)

где — емкости конденсаторов с диэлектриком из исследуемого материала и с воздухом.

5.2.4. Описание метода измерения тангенса угла диэлектрических

потерь

Конденсатор с исследуемым диэлектриком имеет комплексное сопротивление и поэтому может быть представлен в виде схемы замещения. При параллельной схеме замещения (рис.5.5) полная проводимость , представляется в виде суммы активной и реактивной jB проводимостей

jB .

Если характер реактивной проводимости емкостной, то

j C, ,

где — круговая частота изменения электрического поля, в котором находится конденсатор.

Тогда тангенс угла диэлектрических потерь можно определить следующим образом [2]:

.