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-р елаксацион ная 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 проводимостью и т.д.

Самопроизволь ная (спонта нная) 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 д иэлектриков 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 эквивава лентные 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.