Определение тангенса угла диэлектрических потерь, емкости и диэлектрической проницаемости при частоте 50 Гц

 

Цель работы - изучение мостового метода измерения тангенса угла диэлектрических потерь, емкости изолирующих устройств, а также способа определения диэлектрической проницаемости материалов при частоте 50 Гц. Диэлектрические потери - электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Основными электрическими процессами, возникающими в диэлектрике под воздействием электрического поля, являются процессы поляризации, электропроводности и пробоя диэлектрика.

Поляризация представляет собой обратимое смещение связанных заряженных частиц, входящих в состав диэлектрика. Поляризационные процессы смещения связанных зарядов до момента установления равновесного состояния протекают за определенный отрезок времени, создавая поляризационные токи (токи смещения).

Поляризация может проходить быстро, практически без выделения энергии. Такой вид поляризации называется деформационным. Токи смещения при этом виде поляризации протекают столь быстро, что их трудно зафиксировать. Если процесс поляризации происходит медленно, сопровождаясь выделением энергии, то такой вид поляризации называется релаксационным, а токи смещения в этом случае называют токами абсорбции.

При постоянном напряжении процесс поляризации, а значит, и токи абсорбции существуют только в моменты включения и выключения напряжения. При переменном напряжении токи абсорбции протекают в течение всего времени приложения напряжения.

Поляризация, не вызывающая диэлектрических потерь, бывает электронная и ионная. При электронной поляризации происходит смещение электронов на очень малые расстояния в пределах данных атомов и ионов. Ионная поляризация наиболее характерная для ионных кристаллов. Ее. сущность в смещении ионов электрическим полем: положительных в сторону отрицательного электрода, отрицательного – в сторону положительного.

Поляризация, вызывающая потери бывает дипольная, ионно-релаксационная, миграционная, доменная, высоковольтная, остаточная.

Диэлектрическая проницаемость является одним из основных показателей свойств диэлектрических материалов. Например: Воск – 7,8, Вода – 81, Керосин – 2, Масло – 5, Парафин – 2, Эбонит – 2,6, Фарфор – 6, Слюда – 6, Стекло – 6

Виды поляризации:

1. Электронная поляризация – представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов.

 

материал	Н2	СН4	Полиэтилен высокого давления (С2Н4)n	Фторопласт – 4 (С2F4)n
ε	1,00027	1,0095	2,3	1,9 – 2,2

 

2. Ионная поляризация – обуславливается смещением упруго связанных ионов.

3. Дипольно-релаксационная поляризация отличается от электронной и ионной тем, что она связана с тепловым движением частиц.

4. Ионно-релаксационная поляризация - слабо связанные ионы вещества под воздействие внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля.

5. Электронно-релаксационная поляризация – возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных «дефектных» электронов или «дырок».

6. Структурная поляризация – понимается как дополнительный механизм поляризации, проявляющейся в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей.

7. Самопроизвольная (спонтанная) поляризация – нелинейно зависит от величины напряженности электрического поля и характеризуется явно выраженным максимумом при некоторой определенной температуре, сопровождается значительным рассеиванием энергии, т.е. выделением тепла.

 

материал	бензол	толуол	сован	совтол	петраформ
ε	2,218	2,294	5,0	3,2	2,163

 

Потери в материалах с мгновенными видами поляризации будут значительно меньше, т.к. при замедленных видах поляризации большая часть энергии тратится на нагрев, т.е. выделение тепла.

Любой включенный в электрическую цепь диэлектрик с нанесенными на него электродами можно рассматривать как конденсатор определенной емкости. Накапливаемый на его обкладках заряд Q складывается из двух составляющих: Q₀ - заряд, который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум; Q_д - заряд, обусловленный поляризацией диэлектрика, фактически разделяющего электроды. Таким образом, Q = Q₀ + Q_д. Отношение Q/Q₀ называется относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

e =Q/Q₀,

В одном диэлектрике могут одновременно существовать несколько различных механизмов поляризации. Любой механизм деформационной поляризации дает только накопление заряда, следовательно, в электрических схемах замещения диэлектрика такой механизм поляризации можно представить в виде емкости.

Если конденсатор подключить к источнику постоянного напряжения, то на его электродах появятся электрические заряды с противоположными знаками (рис. 4.1). Эти заряды создадут в диэлектрике электрическое поле. Под действием сил этого поля электроны атомов сместятся относительно своих ядер в сторону положительного элекрода-анода. Смещенные электроны образуют с положительными зарядами ядер атомов пары связанных друг с другом электри-

 

 

Рис. 4.1 Диэлектрик в электрическом поле.

 

ческих зарядов. Такие пары-заряды, расположенные на расстоянии l друг от друга, называются упругими электрическими диполями. Образованные электрическим полем в диэлектрике диполи располагаются в виде цепочек. Итак, под действием электрического поля, созданного в диэлектрике, приложенным к нему напряжением, атомы становятся электрическими диполями в результате смещения в них электронов. Образование таких диполей происходит мгновенно при приложении электрического напряжения, и эти диполи исчезают, если конденсатор отключить от источника напряжения. Поэтому они получили название упругих диполей, а сам процесс их образования называется электронной поляризацией.

Молекулы, в составе которых имеются твердые диполи, а это диэлектрики, молекулы которых состоят из положительных и отрицательных ионов, называются полярными или дипольными, молекулы, не имеющие твердых диполей, называются нейтральными.

Диэлектрики, состоящие из полярных молекул, называются полярными, а диэлектрики, состоящие из нейтральных молекул, - нейтральными.

На поверхности диэлектрика, обращенной к электроду, с течением времени накапливаются электрические заряды: у положительного электрода – отрицательные, а у отрицательного – положительные. Этот процесс накопления объемных зарядов – ионов в слое диэлектрика у поверхности электронов называется объемно-зарядной поляризацией. Под действие сил электрического поля в диэлектрике происходит процесс поляризации. Чем интенсивнее поляризуется диэлектрик, тем больше электрическая емкость конденсатора, в котором применен данный диэлектрик

Поскольку электронная поляризация диэлектриков происходит мгновенно (10^-15С), то диэлектрическая проницаемость нейтрального диэлектрика не зависит от f переменного тока.

У полярного диэлектрика ε уменьшается с ростом частоты переменного поля в связи с тем, что все большее количество полярных молекул не успевает совершить свой поворот под действием сил внешнего электрического поля (частота f1 на рис. 4.2).

До температуры t₁, имеет место только электронная поляризации. Начиная с температуры t₁ развивается процесс дипольной поляризации, следовательно ε возрастает. При температуре t₂ под действием тепловой энергии диполи частично теряют ориентацию, вследствие их усиливающегося беспорядочного теплового движения, следовательно ε уменьшается.

 

 

Рис. 4.2 Зависимость ε от частоты: 1) нейтральный диэлектрик, 2) полярный диэлектрик.

 

 

 

Рис. 4.3 Зависимость ε от температуры: 1) нейтральный диэлектрик.

2) полярный

 

При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю, в возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля. Поэтому сегнетоэлектрики имеют аномально большие значения диэлектрической проницаемости (для сегнетовой соли, например, ε_max@10⁴).

Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика имеется определенная температура, выше которой его необычные свойства исчезают и он становится обычным диэлектриком. Эта температуры называется точкой Кюри. Как правило сегнетоэлектрики имеют только одну точку Кюри; исключение составляют лишь сегнетова соль (-18 и +24^оС) и изоморфные с нею соединения. В сегнетоэлектриках вблизи точки Кюри наблюдается также резкое возрастание теплоемкости вещества.

В сегнетоэлектриках наблюдается явление электрического старения, выражающиеся в уменьшении диэлектрической проницаемости со временем. Возможная причина этого явления – перегруппировка доменов. Особенно резкое изменение диэлектрической проницаемости со временем наблюдается в сегнетоэлектриках при температурах, близких к точке Кюри. Нагревание сегнетоэлектрика до температуры выше точки Кюри и последующее охлаждение возвращает диэлектрическую проницаемость к прежнему значению. Такое же восстановление диэлектрической проницаемости можно осуществить, воздействую на сегнетоэлектрик электрическим полем повышенной напряженности.

В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса («запаздывания»). Как видно из рис.4.2, с увеличением напряженности Е внешнего электрического поля поляризованность Р растет, достигая насыщения (кривая 1). Уменьшение Р с уменьшением Е происходит по кривой 2, и при Е=0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность Р_о, т.е. сегнетоэлектрик остается поляризованным в отсутствии внешнего электрического поля. Чтобы уничтожить остаточную поляризованность, надо приложить электрическое поле обратного направления (-Е_с). Величина Е_с называется коэрцитивной силой. Если далее Е изменять, то Р изменяется по кривой 3 петли гистерезиса.

Интенсивному изучению сегнетоэлектриков послужило открытие академиком Б.М. Вулом аномальных диэлектрических свойств титаната бария. Титанат бария из-за его химической устойчивости и высокой механической прочности, а также из-за сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале нашел большое научно-техническое применение (например, в качестве генератора и приемника ультразвуковых волн). В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков, не считая их твердых растворов. Сегнетоэлектрики широко применяются также в качестве материалов, обладающих большими значениями ε (например, в конденсаторах).

Любой механизм релаксационной поляризации дает накопление заряда и сопровождается выделением определенного количества энергии. Такой вид поляризации в схемах замещения должен быть представлен последовательным соединением емкости и активного сопротивления. Всякий реальный диэлектрик обладает определенным количеством свободных зарядов (это, как правило, ионы примесей). Под воздействием электрического поля эти заряды начинают двигаться. Ток, создаваемый при этом, называется сквозным. При постоянном напряжении этот ток определяет потери электрической мощности в диэлектрике.

При переменном напряжении потери электрической мощности определяются не только сквозным током. В этом случае для характеристики диэлект-рических потерь используют тангенс угла, дополняющего до 90° угол между током и напряжением в диэлектрике. Поясним это графически. На рис. 4.4 представлена сокращенная схема замещения диэлектрика.

 

 

Рис. 4.4. Диэлектрик в электрическом поле: С₀ - ёмкость между электродами, если бы их разделял вакуум; С_абс - ёмкость, определяющая накопление заряда от всех видов поляризации; r_абс - активное сопротивление, определяющее потери активной мощности от всех видов поляризации; r_скв - активное сопротивление, определяющее потери активной мощности от сквозной электропроводности.

а - положение электродов;

б - схема замещения;

в - векторная диаграмма

 

Как видно из векторной диаграммы, tgd определяется отношением активной и емкостной составляющих тока, протекающего через диэлектрик.

При переменном напряжении tgd отражает все виды потерь в диэлектрике: потери, вызванные сквозным током; потери, обусловленные замедленными видами поляризации; потери, сопровождающие ионизацию газовых включений; потери, связанные с повышенной электропроводностью в проводящих и полупроводящих включениях. Потери активной мощности в диэлектрике пропорциональны величине tgd.

P = U²wC tgd.

Величина тангенса диэлектрических потерь материала не зависит от геометрической формы электрического поля и формы образца, являясь одной из основных характеристик диэлектриков. По величине tgd могут оцениваться не только свойства отдельных изоляционных материалов, но и изолирующие устройства в целом.

Рассмотрим зависимость tgδ от внешних факторов для полиэтилена: При повышенной температуре полиэтилен заметно окисляется на воздухе, что сопровождается повышением tgδ и снижением механической прочности. Для полиэтилена tgδ=(2¸5)10^-4 при частоте10⁶ Гц. Поливинилхлорид имеет относительно низкие электрические параметры, его tgδ отличается большой стабильностью при изменениях частоты. Для поливинилхлорида tgδ при частоте 50 Гц равен 0,1.

Значения tgδ эпоксидных полимеров для диановых 0,004 - 0,05 при 25^оС, циклоалифатических 0,004 при 25^оС; 0,004-0,005 при 100^оС.

Численной характеристикой способности изоляционного материала поляризоваться является диэлектрическая проницаемость материала. Величина e испытуемого образца при известных геометрических размерах может быть определена по его измеренной емкости.

Молекулы, в составе которых имеются твердые диполи, а это диэлектрики, молекулы которых состоят из положительных и отрицательных ионов, называются полярными или дипольными, молекулы, не имеющие твердых диполей, называются нейтральными.

Величина диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков при приближении к температуре точки Кюри резко возрастает, за температурой точки Кюри – резко падает.

При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю, возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля. Поэтому сегнетоэлектрик имеют аномально большие значения диэлектрической проницаемости (для сегнетовой соли, например, ε_max@10⁴).

Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика имеется определенная температура, выше которой его необычные свойства исчезают и он становится обычным диэлектриком. Эта температуры называется точкой Кюри. Как правило сегнетоэлектрики имеют только одну точку Кюри; исключение составляют лишь сегнетова соль (-18 и +24 ^оС) и изоморфные с нею соединения. В сегнетоэлектриках вблизи точки Кюри наблюдается также резкое возрастание теплоемкости вещества.

В сегнетоэлектриках наблюдается явление электрического старения, выражающиеся в уменьшении диэлектрической проницаемости со временем. Возможная причина этого явления – перегруппировка доменов. Особенно резкое изменение диэлектрической проницаемости со временем наблюдается в сегнетоэлектриках при температурах, близких к точке Кюри. Нагревание сегнетоэлектрика до температуры выше точки Кюри и последующее охлаждение возвращает диэлектрическую проницаемость к прежнему значению. Такое же восстановление диэлектрической проницаемости можно осуществить, воздействуя на сегнетоэлектрик электрическим полем повышенной напряженности.

В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса («запаздывания»). С увеличением напряженности Е внешнего электрического поля поляризованность Р растет, достигая насыщения. Уменьшение Р с уменьшением Е происходит по другой кривой, и при Е=0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность Р_о, т.е. сегнетоэлектрик остается поляризованным в отсутствии внешнего электрического поля. Чтобы уничтожить остаточную поляризованность, надо приложить электрическое поле обратного направления (-Е_с). Величина Е_с называется коэрцитивной силой. Если далее Е изменять, то Р изменяется по кривой петли гистерезиса.

Интенсивному изучению сегнетоэлектриков послужило открытие академиком Б.М.Вулом аномальных диэлектрических свойств титаната бария. Титанат бария из-за его химической устойчивости и высокой механической прочности, а также из-за сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале нашел большое научно-техническое применение (например, в качестве генератора и приемника ультразвуковых волн). В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков, не считая их твердых растворов. Сегнетоэлектрики широко применяются также в качестве материалов, обладающих большими значениями Е (например, в конденсаторах).

Потери активной мощности в единице объема диэлектрика пропорциональны произведению относительного значения диэлектрической проницаемости на тангенс угла диэлектрических потерь: К = e_rtgd.

Величины e и tgd не являются постоянными для данного диэлектрика. При изменении условий работы диэлектрика (температуры диэлектрика, частоты и величины воздействующего напряжения и т.д.) e и tgd могут меняться. Сравнение диэлектриков по результатам замеров этих характеристик возможно только в том случае, если измерения проводились в одних и тех же условиях. В справочниках значения e и tgd даются обычно при температуре 20 ^оС.