Краткие сведения из теории. Диэлектрик при воздействии на него электрического поля способен поляризоваться, т

 

Диэлектрик при воздействии на него электрического поля способен поляризоваться, т. е. создавать внутри своего объема электрический дипольный момент. В зависимости от структуры материала эта способность проявляется по-разному. Мера поляризуемости материала – диэлектрическая проницаемость.

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости С.

Заряд конденсатора, Кл,

(1.1)

 

где U – приложенное к конденсатору напряжение, В.

Заряд диэлектрика с электродами складывается из двух составляющих:

(1.2)

где Q₀ – заряд, который присутствует на электродах, если их разделяет
вакуум;

Q_д – заряд, обусловленный поляризацией диэлектрика.

Относительная диэлектрическая проницаемость e определяется отношением заряда Q_д, полученного при некотором напряжении на конденсаторе с данным диэлектриком, к заряду Q₀, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

(1.3)

Из формулы (1.3) следует, что для любого вещества e > 1 (e = 1 только в случае вакуума). Для материалов разной структуры e принимает различные значения: для газообразных и неполярных твердых диэлектриков e £ 2,5;
полярных – e > 7; диэлектриков доменной структуры e равна сотням тысяч.

Образец материала с нанесенными электродами может быть представлен в виде эквивалентной схемы, содержащей в себе идеальный конденсатор и сопротивление. Применяются параллельная и последовательная схемы замещения конденсатора.

Если напряжение и ток синусоидальны, то их соотношения в цепи изоб-ражаются векторными диаграммами. Эквивалентные схемы конденсаторов и их векторные диаграммы приведены на рис. 1.1, где – для схемы, изображенной на рис. 1.1, а; – рис. 1.1, в. Для
последовательной эквивалентной схемы параллельной – , где d – угол диэлектрических потерь. Соотношения между параметрами схем выражаются следующим образом:

 

(1.4)

(1.5)

 

Для малых углов значения d и tg d определяются по формулам:

 

(1.6)

(1.7)

 

В диэлектриках различают два вида поляризации. К первому виду относится поляризация, которая проходит в диэлектрике под воздействием электрического поля практически мгновенно без рассеяния энергии, т. е. без выделения тепла. Такую поляризацию называют ионной, или электронной. Ко второму виду относятся электронно-, ионно-, дипольно-релаксационная и спонтанная поляризация, которая не совершается мгновенно, а нарастает и убывает медленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. его нагреванием.

 

а	б
в	г

 

Рис. 1.1. Схемы замещения конденсатора:
а – параллельная; в – последовательная;
б, г – векторные диаграммы параллельной и последовательной схем

 

Диэлектрическими потерями называют часть энергии электрического поля, рассеиваемой в диэлектрике в единицу времени в виде тепловой энергии. Чаще всего количественно потери оцениваются мощностью или тангенсом угла диэлектрических потерь. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Чем больше потери энергии, тем больше активная составляющая тока I_а и угол диэлектрических потерь. Чем меньше tg d, тем выше качество диэлектрика. В идеальном диэлектрике вектор тока опережает вектор напряжения на 90°, d = 0°. Чем меньше tg d и зависимость диэлектрика от частоты, тем при более высоких значениях частоты используется диэлектрик. Наименьшими потерями обладают неполярные твердые и жидкие диэлектрики, а также ионные диэ-лектрики c плотной упаковкой ионов.

Зависимость e и tg d диэлектриков от температуры окружающей среды влияет на стабильность таких показателей, как емкость, мощность диэлектрических потерь, и отражается на частотном диапазоне их применения.

Зависимость e от температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости, град^–1:

 

. (1.8)

 

Для разных видов поляризации зависимость (1.8) носит различный характер: у твердых диэлектриков с электронной поляризацией с увеличением температуры она уменьшается, с ионной, ионно-релаксационной и дипольно-релаксационной – увеличивается.

Большие диэлектрические потери (tg d), например, в электроизоляционном материале, вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению, при использовании в деталях колебательного контура они увеличивают активное сопротивление этого контура, и следовательно, величину его затухания, которые в свою очередь вызывают увеличение полосы пропускания.

Зависимость tg d от температуры у твердых диэлектриков объясняется в основном электропроводностью: с повышением температуры увеличиваются потери, связанные с возрастающей интенсивностью передвижения частиц вещества.

При существенном разбросе значений температуры в твердых диэлектриках неоднородной структуры, например в конденсаторной пропитанной бумаге, в температурной зависимости возникают два максимума – первый (при низких значениях температуры) характеризует потери самой бумаги, второй (при более высоких значениях температуры) обусловлен потерями на поляризацию пропитывающего компаунда.