Что такое 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:

Такая классификация существует издавна, хотя она довольно условна потому, что многие тела обладают другими или комбинированными свойствами.

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 проводника в электрическое поле — благодаря энергии которого начинается перераспределение заряженных частиц и возникают несбалансированные заряды положительных и отрицательных величин на внешней поверхности.

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.

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.

Она внутри диэлектриков бывает двух видов:

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.

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.

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)

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают?

Мы привыкли считать, что потери электрической энергии происходят в проводниках из-за сопротивления. Это верно, но существуют ещё диэлектрические потери. Они хоть и незначительны, но при определённых условиях их влияние может оказаться ощутимым. О потерях энергии в диэлектрической среде первыми обеспокоились энергетики, применявшие в качестве диэлектрика трансформаторное масло.

Что такое диэлектрические потери?

Применение электроизоляционных материалов основано на том, что они препятствуют электрическому току преодолевать некоторое пространство, ограниченное изолятором. Идеальный изолятор должен абсолютно исключить условия для проводимости электрического тока. К сожалению, в природе не существует таких материалов. Таких диэлектриков также не сумели создать в лабораторных условиях.

Теоретически можно обосновать существование идеальных изоляторов, но синтезировать на практике такие вещества не реально, так как даже ничтожно малая доля примесей образует диэлектрическую проницаемость. Иначе говоря, рассеяния энергии в диэлектрической среде будут наблюдаться всегда. Речь может идти об усилиях, направленных на уменьшение таких потерь.

Исходя из того, что часть электроэнергии неизбежно теряется в изоляторе, был введён термин «диэлектрические потери» – необратимый процесс преобразования в теплоту энергии электрического поля, пронизывающего диэлектрическую среду, То есть, это электрическая мощность, направленная на нагревание изоляционного материала, пребывающего в зоне действия электрического поля.

Значение потерь определяется как отношение активной мощности к реактивной. Обычно активная мощность, потребляемая диэлектриком очень мала, по сравнению с реактивной мощностью. Это значит, что искомая величина тоже будет мизерной – сотые доли от единицы. Для вычислений используют величину «тангенс угла», выраженную в процентах.

Электрическую характеристику, выражающую рассеивающее свойство диэлектрика, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. При расчётах принято считать, что диэлектрик является изоляционным материалом конденсатора, меняющего ёмкость и дополняющий до 90º угол сдвига фаз φ, образованный векторами напряжения и тока в цепи. Данный угол обозначают символом δ и называют углом рассеивания, то есть, диэлектрических потерь. Величина, численно равна тангенсу данного угла ( tgδ ), это и есть та самая характеристика диэлектрического нагрева.

tgδ применяется в расчётах для определения величины рассеиваемой мощности по соответствующей формуле. Поэтому его вычисление имеет практическое значение. Введение понятия тангенса угла позволяет вычислять относительные значения диэлектрических потерь. А это позволяет сравнивать по качеству различные изоляторы.

Именно этот показатель или просто угол δ производители трансформаторных масел указывают на упаковке своей продукции. По величине угла ( tg δ ) можно судить о качестве изолятора: чем меньше угол δ, тем высшие диэлектрические свойства проявляет изоляционный материал.

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.

Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрика Рис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются. Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.

Если величина напряжения U_и не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.

Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью. При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным. Это связано с повышением электропроводности, в результате дипольно-релаксационной поляризации.

Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют tg δ > 0,1.

Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.

Виды диэлектрических потерь

В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектриков различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:

Диэлектрические вещества по-разному ведут себя при различных температурах, при постоянном или переменном токе. Максимумы потерь происходят при достижении определённого порога температуры. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ зависит также от приложенного напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тангенса угла от напряжения

Чем измерить?

Рассчитывать потери диэлектриков по формуле не очень удобно. Часто величину tg производители определяют опытным путём и указывают на упаковках или в справочниках.

Существуют специальные измерительные приборы, такие как «ИПИ – 10» (производитель Tettex), «Тангенс – 3М» или измеритель «Ш2», позволяющие с высокой точностью определить уровень рассеивания в диэлектриках либо найти тангенс угла рассеяния. Устройства довольно компактны и просты в работе. С их помощью можно исследовать свойства твёрдых и жидких веществ на предмет диэлектрических потерь.

Источник

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1. ε – относительная диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость – мера способности материала к поляризации. Это величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в данном материале меньше, чем в вакууме. Внутри диэлектрика возникает собственное электрическое поле, направленное противоположно внешнему. Напряженность внешнего поля ослабевает по сравнению с полем тех же зарядов в вакууме в ε раз, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость. Если рассмотреть модель конденсатора с двумя обкладками и вакуумом между ними, то можно оценить емкость этого элемента. При замене вакуума на диэлектрик в результате поляризации его внешним полем произойдет изменение ёмкости данного конденсатора в сторону увеличения. На этом свойстве основано простое определение диэлектрической проницаемости:

где: C₀ – ёмкость конденсатора без диэлектрика;

C_d – ёмкость того же конденсатора с диэлектриком между обкладками.

В зависимости от механизма поляризации, ε может принимать значения от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч. Минимальные значения ε имеют неполярные диэлектрики (ε 10 5 – 10 6 ).

2. tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь;

Диэлектрические потери – потери электрической энергии, обусловленные протеканием токов в диэлектриках. Различают ток сквозной проводимости I_ск.пр, вызванный наличием в диэлектриках небольшого количества легкоподвижных ионов, и поляризационные токи. При электронной и ионной поляризация поляризационный ток называется током смещения I_см, он очень кратковременный и не регистрируется приборами. Токи, связанные с замедленными (релаксационными) видами поляризации, называются токами абсорбции I_абс. В общем случае суммарный ток в диэлектрике определяется как

После установления поляризации суммарный ток будет равен I = I_ск.пр.

Если в постоянном поле поляризационные токи возникают в момент включения и выключения напряжения, и суммарный ток определяется в соответствии с уравнением (3), то в переменном поле поляризационные токи возникают в момент смены полярности напряжения. Вследствие этого потери в диэлектрике в переменном поле могут быть значительными, особенно если полупериод приложенного напряжения приближается ко

времени установления поляризации.

а) б) Рис. 4 Эквивалентная схема конденсатора (а) и векторная диаграмма токов и напряжений (б)

где: ω – круговая частота переменного поля.

Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90 о угол сдвига фаз φмежду током I_Σи напряжением Uв ёмкостной цепи.

Потери в диэлектриках в переменном поле характеризуются тангенсом

угла диэлектрических потерь

Предельные значения тангенса угла диэлектрических потерь материала для высокочастотных применений не должны превышать 0,0001 – 0,0004, а для низкочастотных – 0,01 – 0,02.

Зная значения tgδ для диэлектрика можно легко определить мощность, рассеиваемую в диэлектрике в виде тепла:

3. E_пр – электрическая прочность.Электрической прочностью называется напряженность однородного внешнего электрического поля, приводящая к образованию в диэлектрике канала, обладающего высокой проводимостью (явлению пробоя диэлектрика).

где: U_пр – пробивное напряжение, измеряемое в вольтах или киловольтах;

d – толщина диэлектрика, измеряемая в метрах или милллиметрах.

Удельное объемное сопротивление представляет собой электрическое сопротивление куба материала с ребром 1 м

где: R_V – сопротивление материала, (Ом);

S– площадь сечения образца, (м 2 );

5. ρ_s – удельное поверхностное сопротивление.

Данный параметр характеризует электрическое сопротивление поверхностного слоя диэлектрика в виде квадрата со стороной в 1 м

где: ρ_v – удельное объёмное сопротивление;

d – толщина диэлектрика, (м).

Зависимости ε и tgδ от температуры и частоты.

Диэлектрические параметры материалов в различной степени зависят от температуры и частоты. Большое количество диэлектрических материалов не позволяет охватить особенности всех зависимостей от указанных факторов. Поэтому на графиках, приведенных на рис. 5 – 6 изображены некоторые общие тенденции, характерные для некоторых основных групп.

Рис. 5 Температурные и частотные зависимости относительной диэлектрической проницаемости диэлектриков: где 1 – неполярные линейные полимеры (электронная поляризация); 2 – диэлектрики ионного строения (ионная поляризация); 3 – полярные полимеры (дипольная поляризация).

Источник

Статья по теме: Диэлектрические показатели

Предметная область: полимеры, синтетические волокна, каучук, резина

Такие высокие диэлектрические показатели наряду с высокой теплостойкостью предопределили широкое применение кремнийорганических эластомеров для изготовления обрезиненных проводов и кабелей. В настоящее время производится несколько типов кабелей из этих материалов. >[7, С.369]

Полипропилен имеет высокие физико-механические и диэлектрические показатели (молекулярная масса 60000—200000, темп, пл. 164—170 °С, плотность 920 кг/м3). Он стоек к действию кислот, оснований и масел даже при повышенной температуре. При обычной температуре он ни в чем не растворяется, при температуре выше 80°С растворяется в ароматических углеводородах и хлорированных парафинах.[2, С.305]

В результате реакции поликонденсации ароматических углеводородов с дигалоидалканами в присутствии хлористого алюминия получаются яолиариленалкиловые полимеры. Полимеры этого типа изучены сравнительно мало. Вместе с тем ничтожная упругость их ларов, термическая стойкость,, высокие диэлектрические показатели делают их весьма интересными.[1, С.116]

Особую важность имеет тип катализатора для полимера, предназначенного для изготовления электротехнических материалов (конденсаторные пленки). Для последних целей особенно пригоден полиэфир, синтезированный из терефталевой кислоты и этиленгликоля без применения ионного катализатора переэтерификации, что обусловливает высокие диэлектрические показатели пленок.[3, С.63]

При комнатной температуре полиэтилен нерастворим ни в одном из растворителей, но при температуре выше 70 °С набухает и растворяется в четыреххлористом углероде, трихлорэтилене, толуоле, ксилоле; при охлаждении полимер выпадает из раствора. Он обладает большими химической стойкостью и водостойкостью, имеет высокие физико-механические и диэлектрические показатели.[2, С.304]

Вязкость вазелина определяется по пенеарометру. До перемешивания вязкость должна быть 200—280 усл. ед., а после перемешивания и выдерживания в вакууме — повыситься до 300—320 усл. ед. Если вязкость вазелина ниже требуемой, выдерживание в вакууме и перемешивание продолжают. При достижении необходимой вязкости вазелин выгружают из смесителя на противни и оставляют их для стабилизации на 24 ч. После этого определяют диэлектрические показатели вазелина и расфасовывают продукт.[7, С.151]

Обычно чем больше значение константы /?0, тем выше равновесная степень набухания при ограниченном набухании. Набу-хаиие полимерных изделий приводит не только к увеличению их объема и размеров, искажению формы, но и к резкому снижению прочности. Изменение свойств полимера при набуханнк в значительной степени зависит от природы полимера и растворителя, с которым он соприкасается. Так, действию паров воды и водных растворов кислот, солей и других веществ наиболее подвержены полимеры с полярными функциональными группами, например целлюлоза, белки и др. Равновесное содержание влаги Б полимере (в % к его массе при данной влажности воздуха) минимально у полиолефинов (полиэтилен — 0,1%), более значительно у аминопластов и полиамидов (капрон — до 4%), очень высокое у белков (10% и более). Влажность существенно влияет на свойства полимеров, особенно при высокой температуре, в частности снижает прочность, диэлектрические показатели, прозрачность.[4, С.399]

Ниже приведены диэлектрические показатели полиметилдиме-тилсилазановой пленки, высушенной в течение 24 ч при комнатной, температуре (измерения при 20 и 200 °С):[7, С.244]

Основными особенностями олигоорганосилоксанов являются малое изменение вязкости с температурой, низкая температура застывания (ниже минус 60—минус 70 °С), повышенная термостойкость, химическая инертность (к различным металлам и сплавам, многим органическим полимерам, пластическим массам и эластомерам даже при нагревайии до 150 °С в течение нескольких недель), коррозионно-стойкбсть, высокие диэлектрические показатели. Эти жидкости выдерживают длительное нагревание до 150—200 °С в присутствии кислорода воздуха и до 300 °С и выше в отсутствие кислорода воздуха, а добавление ингибиторов окисления позволяет достигнуть такой же стабильности и в присутствии кислорода воздуха.[7, С.352]

Полиорганосилоксаны химически весьма стабильны: силоксано-вая цепочка сохраняется при многих химических реакциях, а разрушение молекулы при термоокислении, как правило, связано только с отщеплением боковых радикалов. Весьма важно то, что продуктом разложения является полимер (ЗЮг)*, полностью сохраняющий диэлектрические свойства и некоторую прочность, в противоположность продуктам разложения органических полимеров. Так, при 200 СС диэлектрические показатели кремнийорганических полимеров сохраняются в 100 раз дольше, чем у органических.[7, С.371]

При сопоставлении основных классов эпоксидных смол, рассмотренных выше, и полимеров на их основе можно отметить следующее. Простые ДГЭ диана, в молекуле которых ароматические и алифатические звенья сочетаются с полярными эпоксидными, гидроксильными и эфирными группами, характеризуются низкой усадкой при отверждении и хорошей адгезией к различным материалам при комнатной и повышенных температурах. Получаемые полимеры отличаются достаточно высоким сопротивлением ударным нагрузкам, устойчивостью к действию многих агрессивных сред и воды, хорошими диэлектрическими свойствами. Однако их тепло- и атмосферостойкость сравнительно невысоки, особенно в условиях воздействия ультрафиолетового излучения, а диэлектрические показатели заметно ухудшаются при нагревании.[9, С.28]

Источник