Коэффициент диэлектрической проницаемости. Относительная диэлектрическая проницаемость
Любое вещество или тело, окружающее нас, обладает определенными электрическими свойствами. Это объясняется молекулярной и атомной структурой: наличием заряженных частиц, находящихся во взаимно связанном или свободном состоянии.
Когда на вещество не действует никакое внешнее электрическое поле, то эти частицы распределяются так, что уравновешивают друг друга и во всем суммарном объеме не создают дополнительного электрического поля. В случае приложения извне электрической энергии внутри молекул и атомов возникает перераспределение зарядов, которое ведет к созданию собственного внутреннего электрического поля, направленного встречно внешнему.
Если вектор приложенного внешнего поля обозначить «Е0», а внутреннего - «Е"», то полное поле «Е» будет складываться из энергии этих двух величин.
В электричестве принято делить вещества на:
проводники;
диэлектрики.
Такая классификация существует издавна, хотя она довольно условна потому, что многие тела обладают другими или комбинированными свойствами.
Проводники
В роли проводников выступают среды, имеющие в наличии свободные заряды. Чаще всего проводниками выступают металлы, ведь в их структуре всегда присутствуют свободные электроны, которые способны перемещаться внутри всего объема вещества и, одновременно, являются участниками тепловых процессов.
Когда проводник изолирован от действия внешних электрических полей, то в нем создается баланс положительных и отрицательных зарядов из ионных решеток и свободных электронов. Это равновесие сразу разрушается при внесении - благодаря энергии которого начинается перераспределение заряженных частиц и возникают несбалансированные заряды положительных и отрицательных величин на внешней поверхности.
Это явление принято называть электростатической индукцией . Возникшие при ней заряды на поверхности металлов именуют индукционными зарядами .
Образованные в проводнике индукционные заряды формируют собственное поле Е", компенсирующее действие внешнего Е0 внутри проводника. Поэтому значение полного, суммарного электростатического поля скомпенсировано и равно 0. При этом потенциалы всех точек как внутри, так и снаружи одинаковы.
Полученный вывод свидетельствует, что внутри проводника, даже при подключенном внешнем поле, отсутствует разность потенциалов и нет электростатических полей. Этот факт используется при экранировании - применении способа электростатической защиты людей и чувствительного к наведенным полям электрооборудования, особенно высокоточных измерительных приборов и микропроцессорной техники.
Экранированная одежда и обувь из тканей с токопроводящими нитями, включая головной убор, используется в энергетике для защиты персонала, работающего в условиях повышенной напряженности, создаваемой высоковольтным оборудованием.
Диэлектрики
Так называют вещества, обладающие изоляционными свойствами. Они имеют в своем составе только связанные между собой, а не свободные заряды. У них все положительные и отрицательные частицы скреплены внутри нейтрального атома, лишены свободы передвижения. Они распределены внутри диэлектрика и не перемещаются под действием приложенного внешнего поля Е0.
Однако, его энергия все же вызывает определенные изменения в структуре вещества - внутри атомов и молекул изменяется соотношение положительных и отрицательных частиц, а на поверхности вещества возникают излишние, несбалансированные связанные заряды, образующие внутреннее электрическое поле Е". Оно направлено встречно приложенной извне напряженности.
Это явление получило название поляризации диэлектрика . Оно характеризуется тем, что внутри вещества проявляется электрическое поле Е, образованное действием внешней энергии Е0, но ослабленное противодействием внутренней Е".
Виды поляризации
Она внутри диэлектриков бывает двух видов:
1. ориентационной;
2. электронной.
Первый тип имеет дополнительное название дипольной поляризации. Он присущ диэлектрикам со смещенными центрами у отрицательных и положительных зарядов, которые образуют молекулы из микроскопических диполей - нейтральной совокупности из двух зарядов. Это характерно для воды, диоксида азота, сероводорода.
Без действия внешнего электрического поля у таких веществ молекулярные диполи ориентируются хаотичным образом под влиянием действующих температурных процессов. При этом в любой точке внутреннего объема и на внешней поверхности диэлектрика нет электрического заряда.
Эта картина изменяется под влиянием приложенной извне энергии, когда диполи немного изменяют свою ориентацию и на поверхности возникают области не скомпенсированных макроскопических связанных зарядов, образующих поле Е" со встречным направлением к приложенному Е0.
При такой поляризации большое влияние на процессы оказывает температура, вызывающая тепловое движение и создающая дезориентирующие факторы.
Электронная поляризация, упругий механизм
Она проявляется у неполярных диэлектриков - материалов другого вида с молекулами, лишенными дипольного момента, которые под влияние внешнего поля деформируются так, что положительные заряды ориентируются по направлению вектора Е0, а отрицательные - в противоположную сторону.
В итоге каждая из молекул работает как электрический диполь, сориентированный по оси приложенного поля. Они, таким способом, создают на внешней поверхности свое поле Е" со встречным направлением.
У подобных веществ деформация молекул, а, следовательно, и поляризация от воздействия поля извне не зависит от их движения под влиянием температуры. В качестве примера неполярного диэлектрика можно привести метан СH4.
Численное значение внутреннего поля обоих видов диэлектриков по величине вначале изменяется прямо пропорционально возрастанию внешнего поля, а затем, при достижении насыщения, проявляются эффекты нелинейного характера. Они наступают тогда, когда все молекулярные диполи выстроились вдоль силовых линий у полярных диэлектриков или произошли изменения структуры неполярного вещества, обусловленные сильной деформацией атомов и молекул от большой приложенной извне энергии.
На практике такие случаи возникают редко - обычно раньше наступает пробой или нарушение изоляции.
Диэлектрическая проницаемость
Среди изоляционных материалов важная роль отводится электрическим характеристикам и такому показателю, как диэлектрическая проницаемость . Она может оцениваться двумя различными характеристиками:
1. абсолютным значением;
2. относительной величиной.
Термином абсолютной диэлектрической проницаемости
вещества εa пользуются при обращении к математической записи закона Кулона. Она, в форме коэффициента εа, связывает вектора индукции D и напряженности E.
Вспомним, что французский физик Шарль де Кулон с помощью собственных крутильных весов исследовал закономерности электрических и магнитных сил между небольшими заряженными телами.
Определение относительной диэлектрической проницаемости среды используется для характеристики изоляционных свойств вещества. Она оценивает соотношение силы взаимодействия между двумя точечными зарядами при двух различных условиях: в вакууме и рабочей среде. При этом показатели вакуума принимаются за 1 (εv=1), а у реальных веществ они всегда выше, εr>1.
Численное выражение εr отображается безразмерной величиной, объясняется эффектом поляризации у диэлектриков, используется для оценки их характеристик.
Значения диэлектрической проницаемости отдельных сред
(при комнатной температуре)
| Вещество | ε | Вещество | ε |
| Сегнетова соль | 6000 | Алмаз | 5,7 |
| Рутил (вдоль оптической оси) | 170 | Вода | 81 |
| Полиэтилен | 2,3 | Спирт этиловый | 26,8 |
| Кремний | 12,0 | Слюда | 6 |
| Стекло | 5-16 | Углекислый газ | 1,00099 |
| NaCl | 5,26 | Водяной пар | 1,0126 |
| Бензол | 2,322 | Воздух (760 мм рт. ст.) | 1,00057 |
Относи́тельная диэлектри́ческая проница́емость среды ε - безразмерная физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды). Величина ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим диполем. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.
Практическое применение
Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов . Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.
Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат . Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивление проводников на плате.
Зависимость от частоты
Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость в значительной степени зависит от частоты электромагнитного поля. Это следует всегда учитывать, поскольку таблицы справочников обычно содержат данные для статического поля или малых частот вплоть до нескольких единиц кГц без указания данного факта. В то же время существуют и оптические методы получения относительной диэлектрической проницаемости по коэффициенту преломления при помощи эллипсометров и рефрактометров. Полученное оптическим методом (частота 10 14 Гц) значение будет значительно отличаться от данных в таблицах.
Рассмотрим, например, случай воды. В случае статического поля (частота равна нулю), относительная диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях приблизительно равна 80. Это имеет место вплоть до инфракрасных частот. Начиная примерно с 2 ГГц ε r начинает падать. В оптическом диапазоне ε r составляет приблизительно 1,8. Это вполне соответствует факту, что в оптическом диапазоне показатель преломления воды равен 1,33. В узком диапазоне частот, называемом оптическим, диэлектрическое поглощение падает до нуля, что собственно и обеспечивает человеку механизм зрения в земной атмосфере, насыщенной водяным паром. С дальнейшим ростом частоты свойства среды вновь меняются.
Значения диэлектрической проницаемости для некоторых веществ
| Вещество | Химическая формула | Условия измерения | Характерное значение ε r |
|---|---|---|---|
| Алюминий | Al | 1 кГц | -1300 + 1,3Шаблон:Ei |
| Серебро | Ag | 1 кГц | -85 + 8Шаблон:Ei |
| Вакуум | - | - | 1 |
| Воздух | - | Нормальные условия , 0,9 МГц | 1,00058986 ± 0,00000050 |
| Углекислый газ | CO 2 | Нормальные условия | 1,0009 |
| Тефлон | - | - | 2,1 |
| Нейлон | - | - | 3,2 |
| Полиэтилен | [-СН 2 -СН 2 -] n | - | 2,25 |
| Полистирол | [-СН 2 -С(С 6 Н 5)Н-] n | - | 2,4-2,7 |
| Каучук | - | - | 2,4 |
| Битум | - | - | 2,5-3,0 |
| Сероуглерод | CS 2 | - | 2,6 |
| Парафин | С 18 Н 38 − С 35 Н 72 | - | 2,0-3,0 |
| Бумага | - | - | 2,0-3,5 |
| Электроактивные полимеры | − | − | 2-12 |
| Эбонит | (C 6 H 9 S) 2 | − | 2,5-3,0 |
| Плексиглас (оргстекло) | - | - | 3,5 |
| Кварц | SiO 2 | - | 3,5-4,5 |
| Диоксид кремния | SiO 2 | − | 3,9 |
| Бакелит | - | - | 4,5 |
| Бетон | − | − | 4,5 |
| Фарфор | − | − | 4,5-4,7 |
| Стекло | − | − | 4,7 (3,7-10) |
| Стеклотекстолит FR-4 | - | - | 4,5-5,2 |
| Гетинакс | - | - | 5-6 |
| Слюда | - | - | 7,5 |
| Резина | − | − | 7 |
| Поликор | 98 % Al 2 O 3 | - | 9,7 |
| Алмаз | − | − | 5,5-10 |
| Поваренная соль | NaCl | − | 3-15 |
| Графит | C | − | 10-15 |
| Керамика | − | − | 10-20 |
| Кремний | Si | − | 11.68 |
| Бор | B | − | 2.01 |
| Аммиак | NH 3 | 20 °C | 17 |
| 0 °C | 20 | ||
| −40 °C | 22 | ||
| −80 °C | 26 | ||
| Спирт этиловый | C 2 H 5 OH или CH 3 -CH 2 -OH | − | 27 |
| Метанол | CH 3 OH | − | 30 |
| Этиленгликоль | HO-CH 2 -CH 2 -OH | − | 37 |
| Фурфурол | C 5 H 4 O 2 | − | 42 |
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ (диэлектрическая постоянная ) - физическая величина, характеризующая способность вещества уменьшать силы электрического взаимодействия в этом веществе по сравнению с вакуумом. Т. о., Д. п. показывает, во сколько раз силы электрического взаимодействия в веществе меньше, чем в вакууме.
Д. п.- характеристика, зависящая от строения вещества-диэлектрика. Электроны, ионы, атомы, молекулы или их отдельные части и более крупные участки какого-либо вещества в электрическом поле поляризуются (см. Поляризация), что приводит к частичной нейтрализации внешнего электрического поля. Если частота электрического поля соизмерима с временем поляризации вещества, то в определенном диапазоне частот имеет место дисперсия Д. п., т. е. зависимость ее величины от частоты (см. Дисперсия). Д. п. вещества зависит как от электрических свойств атомов и молекул, так и от их взаимного расположения, т. е. строения вещества. Поэтому определение Д. п. или ее изменения в зависимости от окружающих условий используют при исследовании структуры вещества, и в частности различных тканей организма (см. Электропроводность биологических систем).
Различные вещества (диэлектрики) в зависимости от их строения и агрегатного состояния имеют различную величину Д. п. (табл.).
Таблица. Значение диэлектрической проницаемости некоторых веществ
Особое значение для мед.-биол, исследований имеет изучение Д. и. в полярных жидкостях. Типичным их представителем является вода, состоящая из диполей, которые в электрическом поле ориентируются благодаря взаимодействию между зарядами диполя и полем, что приводит к возникновению дипольной или ориентационной поляризации. Высокая величина Д. п. воды (80 при t° 20°) определяет высокую степень диссоциации в ней различных хим. веществ и хорошую растворимость солей, к-т, оснований и других соединений (см. Диссоциация , Электролиты). С увеличением концентрации электролита в воде величина ее Д. п. уменьшается (напр., для одновалентных электролитов Д. п. воды уменьшается на единицу при увеличении концентрации соли на 0,1 М).
Большинство биол, объектов относится к гетерогенным диэлектрикам. При взаимодействии ионов биол, объекта с электрическим полем существенное значение имеет поляризация границ раздела (см. Мембраны биологические). При этом величина поляризации тем больше, чем меньше частота электрического поля. Т. к. поляризация границ раздела биол, объекта зависит от их проницаемости (см.) для ионов, то очевидно, что эффективная Д. п. в большей степени определяется состоянием мембран.
Т. к. поляризация такого сложного гетерогенного объекта, как биологический, имеет различную природу (концентрационная, макроструктурная, ориентационная, ионная, электронная и др.), то становится понятным тот факт, что с возрастанием частоты изменение Д. п. (дисперсия) резко выражено. Условно выделяют три области дисперсии Д. п.: альфа-дисперсия (на частотах до 1 кгц), бета-дисперсия (частота от нескольких кгц до десятков мгц) и гамма-дисперсия (частоты выше 10 9 гц); в биол, объектах четкой границы между областями дисперсии обычно нет.
При ухудшении функц, состояния биол, объекта дисперсия Д. п. на низких частотах уменьшается вплоть до полного исчезновения (при отмирании тканей). На высоких частотах величина Д. п. существенно не изменяется.
Д. п. измеряют в широком диапазоне частот и в зависимости от диапазона частот существенно изменяются и методы измерения. При частотах электрического тока менее 1 гц измерение производят с помощью метода заряда или разряда конденсатора, заполненного исследуемым веществом. Зная зависимость зарядного или разрядного тока от времени, можно определить не только величину электрической емкости конденсатора, но и потери в нем. На частотах от 1 до 3 10 8 гц для измерения Д. и. применяют специальные резонансные и мостовые методы, которые позволяют комплексно исследовать изменения Д. п. различных веществ наиболее полно и разносторонне.
В мед.-биол, исследованиях чаще всего используют симметричные мосты переменного тока с непосредственным отсчетом измеряемых величин.
Библиография: Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников, под ред. А. В. Нетушила,М. -Л., 1959, библиогр.; С едунов Б. И. и Фран к-К а м е-н e ц к и й Д. А. Диэлектрическая проницаемость биологических объектов, Усп. физич. наук, т. 79, в. 4, с. 617, 1963, библиогр.; Электроника и кибернетика в биологии и медицине, пер. с англ., под ред. П. К. Анохина, с. 71, М., 1963, библиогр.; Э м e Ф. Диэлектрические измерения, пер. с нем., М., 1967, библиогр.
Диэлектри ́ ческая проница ́ емость среды - физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая зависимостьэлектрической индукции от напряжённости электрического поля.
Определяется эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды).
Различают относительную и абсолютную диэлектрические проницаемости.
Относительная диэлектрическая проницаемость ε является безразмерной и показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Эта величина для воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности). Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постояннаяводы в статическом поле достаточно высока - около 80. Велики её значения для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.
Абсолютная диэлектрическая проницаемость в зарубежной литературе обозначается буквой ε, в отечественной преимущественно используется сочетание , где - электрическая постоянная. Абсолютная диэлектрическая проницаемость используется только в Международной системе единиц (СИ), в которой индукция и напряжённость электрического поля измеряются в различных единицах. В системе СГС необходимость в введении абсолютной диэлектрической проницаемости отсутствует. Абсолютная диэлектрическая постоянная (как и электрическая постоянная) имеет размерность L −3 M −1 T 4 I². В единицах Международной системы единиц (СИ): =Ф/м.
Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость в значительной степени зависит от частоты электромагнитного поля. Это следует всегда учитывать, поскольку таблицы справочников обычно содержат данные для статического поля или малых частот вплоть до нескольких единиц кГц без указания данного факта. В то же время существуют и оптические методы получения относительной диэлектрической проницаемости по коэффициенту преломления при помощи эллипсометров и рефрактометров. Полученное оптическим методом (частота 10 14 Гц) значение будет значительно отличаться от данных в таблицах.
Рассмотрим, например, случай воды. В случае статического поля (частота равна нулю), относительная диэлектрическая проницаемость при нормальных условияхприблизительно равна 80. Это имеет место вплоть до инфракрасных частот. Начиная примерно с 2 ГГц ε r начинает падать. В оптическом диапазоне ε r составляет приблизительно 1,8. Это вполне соответствует факту, что в оптическом диапазоне показатель преломления воды равен 1,33. В узком диапазоне частот, называемом оптическим, диэлектрическое поглощение падает до нуля, что собственно и обеспечивает человеку механизм зрения [ источник не указан 1252 дня ] в земной атмосфере, насыщенной водяным паром. С дальнейшим ростом частоты свойства среды вновь меняются. О поведении относительной диэлектрической проницаемости воды в диапазоне частот от 0 до 10 12 (инфракрасная область) можно прочитать на (англ.)
Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов. Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.
Ёмкость конденсаторов определяется:
где ε r - диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε о - электрическая постоянная, S - площадь обкладок конденсатора, d - расстояние между обкладками.
Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат. Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивлениепроводников на плате.
УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ электрическое, физическая величина, равная электрическому сопротивлению (см. СОПРОТИВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ) R цилиндрического проводника единичной длины (l = 1м) и единичной площади поперечного сечения (S =1 м 2).. r = R S/l. В Си единицей удельного сопротивления является Ом. м. Удельное сопротивление могут выражать также в Ом. см. Удельное сопротивление является характеристикой материала, по которому протекает ток, и зависит от материала, из которого он изготовлен. Удельное сопротивление, равное r = 1 Ом. м означает, что цилиндрический проводник, изготовленный из данного материала, длиной l = 1м и с площадью поперечного сечения S = 1 м 2 имеет сопротивление R = 1 Ом. м. Величина удельного сопротивления металлов (см. МЕТАЛЛЫ ), являющихся хорошими проводниками (см. ПРОВОДНИКИ ), может иметь значения порядка 10 - 8 – 10 - 6 Ом. м (например, медь, серебро, железо и т. д.). Удельное сопротивление некоторых твердых диэлектриков (см. ДИЭЛЕКТРИКИ ) может достигать значения 10 16 -10 18 Ом.м (например, кварцевое стекло, полиэтилен, электрофарфор и др.). Величина удельного сопротивления многих материалов (особенного полупроводниковых материалов (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ )) существенно зависит от степени их очистки, наличия легирующих добавок, термических и механических обработок и т. д. Величина s, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью: s = 1/r Удельная проводимость измеряется в сименсах (см. СИМЕНС (единица проводимости) ) на метр См/м. Удельное электрическое сопротивление (проводимость) является скалярной величиной для изотропного вещества; и тензорной - для анизотропного вещества. В анизотропным монокристаллах анизотропия электропроводности является следствием анизотропии обратной эффективной массы (см. ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА ) электронов и дырок.
1-6. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ
При включении изоляции кабеля или провода на постоянное напряжение U через нее проходит ток i, изменяющийся во времени (рис. 1-3). Этот ток имеет постоянные составляющие - ток проводимости (i ∞) и ток абсорбции, гдеγ - проводимость, соответствующая току абсорбции; Т - время, в течение которого ток i абс спадает до 1/e своего первоначального значения. При бесконечно большом времени i абс →0 и i = i ∞ . Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них некоторого количества свободных заряженных частиц: ионов и электронов.
Наиболее характерна для большей части электроизоляционных материалов ионная электропроводность, которая возможна за счет неизбежно присутствующих в изоляции загрязнений (примеси влаги, солей, щелочей и т. п.). У диэлектрика с ионным характером электропроводности строго соблюдается закон Фарадея - пропорциональность между количеством прошедшего через изоляцию электричества и количеством выделившегося при электролизе вещества.
При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов уменьшается и характеризуется формулой
где_ρ о, А и В - постоянные для данного материала; Т- температура, °К.
Большая зависимость сопротивления изоляции от влаги имеет место у гигроскопичных изоляционных материалов, главным образом волокнистых (бумага, хлопчатобумажная пряжа и др.). Поэтому волокнистые материалы подвергаются сушке и пропитке, а также защите влагостойкими оболочками.
Сопротивление изоляции может уменьшаться с повышением напряжения за счет образования в изоляционных материалах объемных зарядов. Создающаяся при этом добавочная электронная проводимость приводит к увеличению электропроводности. Существует зависимость проводимости от напряжения в очень сильных полях (закон Я. И. Френкеля):
где γ о - проводимость в слабых полях; а - постоянная. Все электроизоляционные материалы характеризуются определенными значениями проводимости изоляции G. В идеале проводимость изоляционных материалов равна нулю. У реальных изоляционных материалов проводимость на единицу длины кабеля определяют по формуле
В кабелях, имеющих сопротивление изоляции более, 3-10 11 ом-м и кабелях связи, где потери на диэлектрическую поляризацию значительно больше тепловых потерь, проводимость определяют по формуле
Проводимость изоляции в технике связи является электрическим параметром линии, характеризующим потери энергии в изоляции жил кабелей. Зависимость величины проводимости от частоты приведена на рис. 1-1. Величина, обратная проводимости - сопротивление изоляции, представляет собой отношение приложенного кизоляции напряжения постоянного тока (в вольтах) ктоку утечки (в амперах), т. е.
гдеR V - объемное сопротивление изоляции, численно определяющее препятствие, создаваемое прохождению токав толще изоляции; R S - поверхностное сопротивление, определяющее препятствие прохождению тока по поверхностиизоляции.
Практической оценкой качества применяемых изоляционных материалов является удельное объемное сопротивление ρ V выражаемое в омо-сантиметрах (ом*см). Численно ρ V равно сопротивлению (в омах) куба с ребром 1 см из данного материала, если ток проходит через две противоположные грани куба. Удельное поверхностное сопротивление ρ S численно равно сопротивлению поверхности квадрата (в омах), если ток подводится к электродам, ограничивающим две противоположные стороны этого квадрата.
Сопротивление изоляции одножильного кабеля или провода определяют по формуле
Влажностные свойства диэлектриков
Влагостойкость – это надежность эксплуатации изоляции при нахождении ее в атмосфере водяного пара близкого к насыщению. Влагостойкость оценивают по изменению электрических, механических и других физических свойств после нахождения материала в атмосфере с повышенной и высокой влажностью; по влаго- и водопроницаемости; по влаго- и водопоглощаемости.
Влагопроницаемость – способность материала пропускать пары влаги при наличии разности относительных влажностей воздуха с двух сторон материала.
Влагопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном нахождении во влажной атмосфере близкой к состоянию насыщения.
Водопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном погружении его в воду.
Тропикостойкость и тропикализация оборудования – защита электрооборудования от влаги, плесени, грызунов.
Тепловые свойства диэлектриков
Для характеристики тепловых свойств диэлектриков используются следующие величины.
Нагревостойкость – способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них выдерживать воздействие высокой температуры и резких смен температуры. Определяют по температуре, при которой наблюдается существенное изменение механических и электрических свойств, например, в органических диэлектриках начинается деформация растяжения или изгиба под нагрузкой.
Теплопроводность – процесс передачи тепла в материале. Характеризуется экспериментально определяемым коэффициентом теплопроводности λ т. λ т – количество теплоты, переданной за одну секунду через слой материала толщиной в 1 м и площадью поверхности – 1 м 2 при разности температур поверхностей слоя в 1 °К. Коэффициент теплопроводности диэлектриков изменяется в широких пределах. Самые низкие значения λ т имеют газы, пористые диэлектрики и жидкости (для воздуха λ т = 0,025 Вт/(м·К), для водыλ т = 0,58 Вт/(м·К)), высокие значения имеют кристаллические диэлектрики (для кристаллического кварца λ т = 12,5 Вт/(м·К)). Коэффициент теплопроводности диэлектриков зависит от их строения (для плавленого кварца λ т = 1,25 Вт/(м·К)) и температуры.
Тепловое
расширение
диэлектриков
оценивают температурным коэффициентом
линейного расширения: 
.
Материалы с малым тепловым расширением,
имеют, как правило, более
высокую нагревостойкость и
наоборот. Тепловое расширение органических
диэлектриков значительно (в десятки и
сотни раз) превышает расширение
неорганических диэлектриков. Поэтому
стабильность размеров деталей из
неорганических диэлектриков при
колебаниях температуры значительно
выше по сравнению с органическими.
1. Абсорбционные токи
Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной поляризации. Абсорбционные токи при постоянном напряжении протекают в диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают в течение всего времени нахождения диэлектрика в электрическом поле.
В общем случае электрический ток j в диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока j ск и тока абсорбции j аб
j = j ск + j аб.
Ток абсорбции можно определить через ток смещения j см - скорость изменения вектора электрической индукции D
Сквозной ток определяется переносом (движением) в электрическом поле различных носителей заряда.
2. Электронная электропроводность характеризуется перемещением электронов под действием поля. Кроме металлов она присутствует у углерода, оксидов металлов, сульфидов и др. веществ, а также у многих полупроводников.
3. Ионная – обусловлена движением ионов. Наблюдается в растворах и расплавах электролитов – солей, кислот, щелочей, а также во многих диэлектриках. Она подразделяется на собственную и примесную проводимости. Собственная проводимость обусловлена движением ионов, получаемых при диссоциации молекул. Движение ионов в электрическом поле сопровождается электролизом – переносом вещества между электродами и выделением его на электродах. Полярные жидкости диссоциированы в большей степени и имеют большую электропроводность, чем неполярные.
В неполярных и слабополярных жидких диэлектриках (минеральные масла, кремнийорганические жидкости) электропроводность определяется примесями.
4. Молионная электропроводность – обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами . Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях , суспензиях . Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом . При электрофорезе, в отличие от электролиза, новых веществ не образуется, меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных слоях жидкости. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, например, в маслах, содержащихэмульгированную воду.
Диэлектрическая проницаемость
О явлении поляризации судят по значению диэлектрической проницаемости ε. Параметр ε, характеризующий способность материала образовывать емкость, называется относительной диэлектрической проницаемостью.
Слово “относительная” обычно опускается. Надо учесть, что электрическая емкость участка изоляции с электродами, т.е. конденсатора, зависит от геометрических размеров, конфигурации электродов и от структуры материала, образующего диэлектрик этого конденсатора.
В вакууме ε = 1, а любого диэлектрика всегда больше 1. Если С0 - ем-
кость, между обкладками которого находится вакуум, произвольной формы и размеров, а С - емкость конденсатора таких же размеров и формы, но заполненного диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, то
Обозначив через С0 электрическую постоянную (Ф/м), равную
С0 = 8,854.10-12,
найдем абсолютную диэлектрическую проницаемость
ε’ = ε0 .ε.
Определим величины емкостей для некоторых форм диэлектриков.
Для плоского конденсатора
С = ε0 ε S/h = 8,854 1О-12 ε S/h.
где S - площадь поперечного сечения электрода, м2;
h - расстояние между электродами, м.
Практическое значение диэлектрической проницаемости очень велико. Она определяет не только способность материала образовывать емкость, но и входит в ряд основных уравнений, которые характеризуют физические процессы, протекающие в диэлектрике.
Диэлектрическая проницаемость газов, вследствие их малой плотности (из-за больших расстояний между молекулами) незначительна и близка к единице. Обычно поляризация газа электронная или дипольная, если молекулы полярные. ε газа тем выше, чем больше радиус молекулы. Изменение числа молекул газа в единице объема газа (n) при изменении температуры и давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости газа. Число молекул N пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.
При изменении влажности диэлектрическая проницаемость воздуха незначительно меняется прямо пропорционально изменению влажности (при комнатной температуре). При повышенной температуре влияние влажности значительно усиливается. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости характеризуется выражением
T K ε = 1 / ε (dε / dT).
По этому выражению можно вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при изменении температуры на 1 0 К - так называемый температурный коэффициент ТК диэлектрической проницаемости.
Значение ТК неполярного газа находится по формуле
T K ε = (ε -1) / dT.
где Т - температура. К.
Диэлектрическая проницаемость жидкостей сильно зависит от их структуры. Значения ε неполярных жидкостей невелики и близки к квадрату показателя преломления света n 2. Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, которые используются в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5, что заметно выше, чем у неполярных жидкостей.
Так поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями.
Сильнополярные жидкости, характеризуются высоким значением ε из-за их большой проводимости. Температурная зависимость ε в дипольных жидкостях имеет более сложный характер, чем нейтральные жидкости.
Поэтому ε на частоте 50 Гц для хлорированного дифенила (савол) быстро возрастает из-за резкого падения вязкости жидкости, а дипольные
молекулы успевают ориентироваться вслед за изменением температуры.
Уменьшение ε происходит вследствие усиления теплового движения молекул, препятствующего их ориентации в направлении электрического поля.
Диэлектрики по виду поляризации делятся на четыре группы:
Первая группа – однокомпозиционные, однородные, чистые без добавок, диэлектрики, у которых в основном электронная поляризация или плотная упаковка ионов. К ним относятся неполярные и слабополярные твердые диэлектрики в кристаллическом или аморфном состоянии, а также неполярные и слабополярные жидкости и газы.
Вторая группа – технические диэлектрики с электронной, ионной и одновременно с дипольно-релаксационной поляризациями. К ним относятся полярные (дипольные) органические полужидкие и твердые вещества, например масляно-канифольные компаунды, целлюлоза, эпоксидные смолы и композиционные материалы, составленные из этих веществ.
Третья группа – технические диэлектрики с ионной и электронной поляризациями; диэлектрики с электронной, ионной релаксационными поляризациями делится на две подгруппы. К первой подгруппе относятся в основном кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов ε < 3,0.
Ко второй подгруппе относятся неорганические стекла и материалы, содержащие стекловидную фазу, а также кристаллические вещества с неплотной упаковкой ионов.
Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, имеющие спонтанную, электронную, ионную, электронно-ионно-релаксационные поляризации, а также миграционную или высоковольтную для композиционных, сложных и слоистых материалов.
4.Диэлектрические потери электроизоляционных материалов. Виды диэлектрических потерь.
Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.
Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указывалось выше, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.
Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.
Рис. 3-1. Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), c потерями (б)
Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлектрических потерь будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига и тем больше угол и его функция tg .
Из теории переменных токов известно, что активная мощность
Ра = UI cos (3-1)
Выразим мощности для последовательной и параллельной схем через емкости Cs и Сp и угол , который является дополнением угла до 90°.
Для последовательной схемы, используя выражение (3-1) и соответствующую векторную диаграмму, имеем
P a = 
(3-2)
tg = C s r s (3-3)
Для параллельной схемы
P a =UI a =U 2 C p tg (3-4)
tg = (3-5)
Приравнивая друг к другу выражения (3-2) и (3-4), а также (3-3) и (3-5) находим соотношения между Сp и Cs и между rp и rs
C p =C s /1+tg 2 (3-6)
r p = r s (1+ 1/ tg 2 ) (3-7)
Для высококачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg2 по сравнению с единицей в формуле (3-8) и считать Ср Cs С. Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут одинаковы для обеих схем:
P a U 2 C tg (3-8)
где Ра - активная мощность, Вт; U - напряжение, В; - угловая частота, с-1; С - емкость, Ф.
Сопротивление rр в параллельной схеме, как следует из выражения (3-7), во много раз больше сопротивления rs.Выражение для удельных диэлектрических потерь, т. е. мощности, рассеиваемой в единице объема диэлектрика, имеет вид:
(3-9)
где р - удельные потери, Вт/м3; =2 - угловая частота, с-1, Е -напряженность электрического поля, В/м.
Действительно, емкость между противоположными гранями куба со стороной 1 м будет
С1 = 0 r , реактивная составляющая удельной проводимости
(3-10)
a активная составляющая
Определив каким-либо методом при некоторой частоте параметры эквивалентной схемы исследуемого диэлектрика (Ср и rр или Cs и rs), l общем случае нельзя считать полученные значения емкости и сопротивления присущими данному конденсатору и пользоваться этими данными для расчета угла потерь при другой частоте. Такой расчет может быть сделан только в том случае, если эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование. Так, например, если известно для данного диэлектрика, 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
tg =1/ Crp (3-12)
где С и rp - постоянные емкость и сопротивление, измеренные приданной частоте.
Потери в таком конденсаторе, как легко видеть, не зависят от частоты:
Pa=U2/ rp (3-13)
наоборот если потери в конденсаторе обусловливаются главным образом сопротивлением подводящих проводов, а также сопротивлением самих электродов (например, тонкий слой серебра), то рассеиваемая мощность в таком конденсаторе будет возрастать пропорционально квадрату частоты:
Pa=U2 C tg =U2 C Crs=U2 2C2rs (3-14)
Из последнего выражения можно сделать весьма важный практический вывод: конденсаторы, предназначенные для работы на высокой частоте, должны иметь по возможности малое сопротивление как электродов, так и соединительных проводов и переходных контактов.
Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:
1) диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;
2) диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью;
ионизационные диэлектрические потери;
диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.
Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.
Релаксационные диэлектрические потери обусловлены нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля.
Диэлектрические потери, наблюдаемые в сегнетоэлектриках, связаны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому потери в сегнетоэлектриках значительны при температурах ниже точки Кюри, когда наблюдается спонтанная поляризация. При температурах выше точки Кюри потери в сегнетоэлектриках уменьшаются. Электрическое старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым уменьшением потерь.
К диэлектрическим потерям, обусловленным поляризацией, следует отнести также так называемые резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при высоких частотах. Этот вид потерь с особой четкостью наблюдается в некоторых газах при строго определенной частоте и выражается в интенсивном поглощении энергии электрического поля.
Резонансные потери возможны и в твердых веществах, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tg характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае температура не влияет на положение максимума.
Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную проводимость.
Тангенс угла диэлектрических потерь в этом случае можно вычислить по формуле
Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tg уменьшается с частотой по гиперболическому закону.
Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с температурой по экспоненциальному закону
PaT=Aexp(-b/T) (3-16)
где А,b - постоянные материала. Приближенно формулу (3-16) можно переписать так:
PaT=Pa0exp( t) (3-17)
где PaT - потери при температуре t, °С; Ра0 - потери при температуре 0°С; - постоянная материала.
Тангенс диэлектрических потерь в зависимости от температуры изменяется по тому же закону, который использован для аппроксимации температурной зависимости Ра, так как температурным изменением емкости можно пренебречь.
Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам и газообразном состоянии; Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа. Ионизационные потери можно вычислить по формуле
Pa.и=A1f(U-Uи)3 (3-18)
где А1 - постоянный коэффициент; f - частота поля; U - приложенное напряжение; Uи - напряжение, соответствующее началу ионизации.
Формула (3-18) справедлива при U > Uи и линейной зависимости tg от Е. Ионизационное напряжение Uи зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда.
Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, наблюдаются в слоистых диэлектриках, из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике в миканитах, микалексе и т. д.
Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и особенностей содержащихся в них компонентов не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь этого вида.
