В случае высоких напряжений потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри диэлектрика.

Определение диэлектрических свойств полимеров

Методические указания к лабораторной работе

Казань 2012

УДК 678-036(075.8)

Определение диэлектрических свойств полимеров:

Методические указания к лабораторной работе /Э.Р.Галимов,

Ф.Н.Куртаева, А.В.Черноглазова, Ю.И.Сударев. Казань:

Изд-во Казан. гос. техн. ун-та. 2012. 16 с.

Рассматриваются диэлектрические свойства полимерных материалов,

приводится описание лабораторной установки для определения этих

свойств и методика проведения испытаний.

Предназначены для студентов, бакалавров, магистров по дисциплине

«Физические основы исследования неметаллических материалов» по

направлению 150100.62 « Материаловедение и технология новых

материалов ».

Табл. Ил. Библиогр. назв.

Рецензенты:

И.А.Абдуллин д.т.н., профессор, зав. кафедрой

« Химии и технологии гетерогенных систем »

Казанского национального исследовательского

технологического университета.

Р.Р.Хамматов главный металлург ОАО « КМПО »

Цель работы: изучение диэлектрических свойств полимерных

конструкционных материалов; явления поляризации и ее видов в диэлектриках, воздействия температу­ры на величины диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь, определение температурного

коэффициента диэлектрической проницаемости.

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Электрические свойства полимеров определяют их поведение

в электрическом поле. Характер поведения полимеров в электричес-

ком поле определяется такими характеристиками, как диэлектричес-

кая проницаемость и диэлектрические потери, электропроводность

(или электрическое сопротивление) и электрическая прочность.

Электрические свойства зависят от химического строения и физичес-

кого состояния полимеров, условий эксплуатации и испытаний и,

в частности, от частоты и амплитуды напряженности внешнего поля,

температуры, влажности среды, конструкции эдектродов и геометри-

ческих размеров испытуемого образца. Изучение электрических

свойств полимеров проводят для оценки их эксплуатационных ка-

честв и определения химического строения и структуры.

По электрическим свойствам полимеры подразделяются на ди-

электрики, полупроводники и электропроводящие материалы.

К диэлектрикам относится большинство полярных и неполярных

полимеров. Они имеют большое объемное сопротивление и ничтож-

но малую электрическую проводимость. Полярные диэлектрики со-

держат электрические диполи, способные к ориентации во внешнем электрическом поле.

К полупроводникам относятся полимеры с системой сопряжен-

ных связей и полимерные комплексы с переносом заряда.

К полупроводникам относятся полимеры с системой сопряжен-

ных связей и полимерные комплексы с переносом заряда.

Электропроводящие материалы представляют собой диэлектрики

с введенными в них тонкодисперсными электропроводящими на-

полнителями (например, техническим углеродом, графитом и порош-

кообразными металлами).

Электрические свойства определяют также появление у полярных

полимеров электретного эффекта, характеризующего способность

длительное время находиться в наэлектризованном состоянии, что

используется, например, в источниках постоянного тока.

- 3 -

Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость

При воздействии на диэлектрик электрического поля в нем про­текает процесс поляризации - ограниченное смещение связанных за­рядов или ориентация вдоль поля дипольных молекул и возникновение дипольного момента. Состояние диэлектрика при этом оценивается ко­личественно с помощью вектора электрического смещения , который связан с напряженностью электрического поля соотношением

где - абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества, Ф/м;

абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, ф/м;

- относительная диэлектрическая проницаемость вещества.

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет со­бой отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емко­сти конденсатора тех же размеров и при том же напряжении, диэлек­триком которого является вакуум. Относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице толь­ко в случае вакуума.

В зависимости от строения, состава и структуры диэлектрика различают два основных вида поляризации.

относительную проницаемость веществ Такую поляризацию в чистом

виде имеют неполярные вещества, например, неполярные жидкости: бен­зол, нефтяное масло; неполярные твердые диэлектрики: сера, парафин, полиэтилен, фторопласт - 4 и т.д.

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектри­ков и не связана с потерей энергии, но в некоторых случаях на нее накладываются другие виды поляризации.

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением (каменная соль, керамика) и обусловливается смещением упруго связанных ионов под действием внешнего электрического поля. Время установления ионной поляризаций Диэлектрическая проницаемость лежит в широких пределах.

Дипольно-релаксационная поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым дви­жением частиц. Дипольнне молекулы, находящиеся в хаотическом теп­ловом движении, поворачиваются и ориентируются в направлении дей­ствующего поля, создавая эффект поляризации диэлектрика. Поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопро­тивления, что является причиной потери энергии. Дипольная поляри­зация свойственна полярным газам, жидкостям и твердым органичес­ким веществам. Время установления дипольной поляризации

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических

веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабо связанные ионы веще­ства под воздействием внешнего электрического поля среди хаоти­ческих тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля; Такие ионы в тепловом движении могут перемещаться на расстояния, значительно превышающие упругие смещения.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Такой вид поляризации наблюдается для диэлектриков с высо­ким показателем преломления, электронной проводимостью, ряда сое­динений на основе окислов металлов переменной валентности (титан, висмут, ниобий).

Миграционная (структурная) поляризация - дополнительный ме­ханизм поляризации, характерна для твердых тел неоднородной струк­туры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей (гетинаксы, текстолита, слюда и др.). Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических ди­электриках, наличие слоев с различной проводимостьюи т.д.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует в сегнетоэлектриках. В веществах с самопроизвольной поляризацией име­ются отдельные области (домены), в которых даже без приложения электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение зарядов в пределах доменов, при этом ориентации электрических моментов в доменах различны. Наложение электрического поля способствует пре­имущественной ориентации электрических моментов доменов в направ­лении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. Время ус­тановления спонтанной поляризации Зависимость ди­электрической проницаемости от температуры для веществ с самопро­извольной поляризацией (некоторые виды керамики) имеет резко выраженный максимум при определенной температуре, которая называ­ется температурой (точкой) Кюри. В области температур выше точки Кюри спонтанная поляризация исчезает и теряются сегнетоэлектрические свойства материала и в отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает на­сыщение и исчезает зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля.

Классификация диэлектриков по виду поляризации

По особенностям поляризации все диэлектрики можно подразде­лить на несколько групп.

К первой группе относятся диэлектрики, обладающие только элек­тронной поляризацией, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях С парафин «сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и др.).

Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновре­менно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями - поляр­ные органические, полужидкие и твердые вещества(эпоксидные смолы, целлюлоза и т.п.).

Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляриза­цией (слюда, каменная соль, фарфор и т.п.).

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризую­щиеся спонтанной, электронной, ионной и алектронно-ионно-релаксационной поляризациями (сегнетова соль и т.д.).

Диэлектрические потери в диэлектриках

При воздействии на диэлектрик электрического поля часть энер­гии поля в диэлектрике переходит в тепло и вызывает нагрев ди­электрика. Эта,часть энергии, рассеиваемая в диэлектрике в едини­цу времени при воздействии на диэлектрик электрического поля на­зывается диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери в ма­териале можно характеризовать удельными потерями (рассеиваемая мощность в единице объема диэлектрика), углом диэлектрических по­терь, а также тангенсом этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения в ем­костной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на , при этом угол будет ра­вен нулю, а в реальном диэлектрике угол отклонения отличается от прямого на угол . Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощ­ность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз и боль­ше угол диэлектрических потерь и его функция

Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляци­онном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению.

Реальный диэлектрик, находящийся между электродами,можно упо­добить схемам соединения идеального конденсатора с активным со­противлением. На рис.1 представлены векторные диаграммы и эквивавалентные схемы диэлектрика с потерями. Эти схемы выбираются с та­ким расчетом,чтобы активная мощность, расходуемая в данной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток опережал напряжение на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе. Угол потерь не зависит от выбора схемы. Рассмотрен­ные эквивалентные схемы не дают полного объяснения механизма ди­электрических потерь и вводятся только условно.

Природа диэлектрических потерь в диэлектриках различна. Ди­электрические потери могут обусловливаться малыми по величине то­ками сквозной проводимости, или токами утечки, возникающими в тех­нических диэлектриках из-за наличия в них небольшого числа сво­бодных зарядов.

Диэлектрические потери обусловливаются замедленной поляриза­цией вследствие возникновения токов смещения или абсорбционных токов. Явление запаздывания поляризации зависит от времени релак­сации полярных молекул, времени переброса ионов в тепловом движе­нии и является основой диэлектрических потерь.

При постоянном напряжении, приложенном к диэлектрику .диэлек­трические потери обусловлены явлением сквозной проводимости. Токи сквозной проводимости имеют малое значение и зависят преимущест­венно от содержания примесей. Поэтому при воздействии на диэлек­трик постоянного напряжения диэлектрические потери будут незначи­тельны.

При переменном напряжении рассеивание энергии происходит не только вследствие некоторой электропроводности диэлектрика, но также из-за наличия активных составляющих поляризационных токов.

В технических диэлектриках, помимо потерь от сквозной элек­тропроводности и потерь от замедленной поляризации, возникают по-

тери, обусловленные наличием посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, окислов железа и т.д.

В случае высоких напряжений потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри диэлектрика.

Виды диэлектрических потерь

Диэлектрические потери по их особенностям и физической при­роде можно подразделить на четыре основных вида.

1. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Данный
вид потерь наблюдается в веществах, обладающих релаксационной поляризацией. Релаксационные диэлектрические потери вызываются на­
рушением теплового движения частиц под влиянием приложенного элек­трического поля, что и приводит к рассеянию энергии и нагреву диэлектрика. К этому виду потерь относятся также резонансные потери,
проявляющиеся в диэлектриках при световых частотах.

2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объ­емную или поверхностную электропроводность.