Описание измерительной установки

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

 

    Цель работы – получение первоначальных представлений о механизмах поляризации и диэлектрических потерь, освоение методики определения диэлектрической проницаемости e ′ и тангенса угла диэлектрических по­терь tg d диэлектриков, анализ основных факторов, влияющих на данные параметры.

Основные положения

 

Электроизоляционные материалы образуют самый многочисленный класс ЭТМ. Все виды этих материалов описать невозможно. Можно лишь дать представление об основах рациональной классификации материалов и общие для тех или иных групп особенности.

Диэлектрическими называются материалы, основным свойством, которых является способность к поляризации и в которых могут существовать электростатические поля. Отличительной чертой этих материалов является практически полное отсутствие свободных электронов.

  Поляризацией называется процесс ограниченного смеще­ния или ориентации связанных электрических зарядов в ди­электрике под действием электрического поля. Этот процесс происходит во всем объеме и сопровождается выделением зарядов на поверхности материала у электро­дов, помещенных на образец диэлектрика (рис. 1). При наложении поля разноименные заряды в атомах (молекулах) диэлектрика несколько смещаются друг от друга, образуя диполи c электрическим (дипольным) моментом.

                      а).                                              б).

 

                        Рис. 1. Электрическое поле в конденсаторе

                            а- без диэлектрика; б – с диэлектриком

Дипольный момент p_i определяется  формулой

p_i = q_i·l_i,

где q_i – заряд i-го носителя, l_i – расстояние между зарядами.

Поляризованный ди­электрик характеризуется дипольным моментом единицы объема – поляризованностью Р

                                             ,

где р_i – дипольный момент i-той частицы (атома, молекулы);  ΔV – единичный объем диэлектрика;

.Поляризованность зависит от напряженности поля Е и способности вещества поляризоваться, характеризуемой величиной электрической восприимчивости вещества c

Р= e ₀ c Е,                                          

где e ₀ = 8,85×10^-12 Ф/м – электрическая посто­янная.

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля и самопроизвольную (спонтанную, существующую в отсутствии поля).

Связи между атомами в молекуле диэлектрика могут быть полярными и неполярными, соответственно, существует разделение диэлектриков на полярные и неполярные материалы. Молекулы неполярного диэлектрика не обладают дипольным моментом в отсутствие электрического поля, а полярные обладают. К неполярным диэлектрикам относятся полиэтилен ПЭ, политетрафторэтилен (фторопласт) ПТФЭ, полипропилен ПП и др., к  полярным – полиэтилентерефталат (лавсан) ПЭТФ, поливинилхлорид ПВХ, поливинилбутираль ПВБ и др.

В зависимости от специфики структуры материала ему могут быть присущи различные виды поляризации (как один, так и несколько).

Под воздействием внешнего электрического поля происходит:

-  упругое смещение электронных оболочек (электронная поляризация);

- упругое смещение ионов кристаллической решетки (ионная поляризация);

- ориентация дипольных момен­тов полярных групп и молекул по направлению поля (дипольная или дипольно-релаксационная поляризация)4

- перемещение (миграция) зарядов в полупроводящих включениях до их границ и накопления этих заря­дов на границе раздела (миграционная поляризация).

Поляризацию вещества численно характеризуют вектором электричес­кого смещения D

D=e_aE=e₀eE,

где e_а и e – абсолютная и относительная диэлектрические проницаемости вещества, соответственно.

Между c, Р и e′ существует связь

e =1+Р/(e₀Е) =1+c.

Мерой поляризации диэлектриков является относительная диэлектрическая проницаемость. Относительную диэлектрическую проницаемость e можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком С к емкости того же конденсатора, но без диэлектрика, а с вакуумом С₀

e = С / С₀.

Относительная диэлектрическая проницаемость газов близка к единице (ε_{воздуха} = 1,006), относительная диэлектрическая проницаемость жидкостей зависит от их полярности и меняется от 2 до 10 (у высоко полярных жидкостей может достигать 30), e′ твердых веществ колеблется от 2 до 10⁵ и более (керамика).

Электронная поляризация. Представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. На рис.2 приведена схема атомов водорода в отсутствии внешнего поля (а) и при его воздействии (б). Поскольку все тела состоят из атомов (ионов), то данный вид поляризации присутствует у всех диэлектриков.

                                    а).                       б).

 

Рис. 2. Схема электронной поляризации между пластинами конденсатора

а. поле отсутствует; б. поле приложено

 

Электронная поляризация относится к быстрым видам поляризации, время ее уста­новления t составляет  10 ^-15 с, то есть электронная поляризация устанавливается практически мгновенно. В диапазоне частот 0÷10 ¹⁴ Гц диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты. Данный вид поляризации не сопровождается потерями энергии вплоть до резонансных частот (10 ¹⁴ –10 ¹⁵ Гц). Величина относительной диэлектрической проницаемости e вещества с чисто электронной поляризацией лежит в пределах 2,0 – 2,5 и численно равна квадрату показателя преломления света.

Исключительно электронную поляризацию имеют неполярные вещества:

- газообразные (водород, кислород, азот);

- жидкие (нефтяные масла, октол,);

-твердые (полиэтилен ПЭ, полипропилен ПП, полистирол ПС, политетрафторэтилен ПТФЭ, парафин,...).

Неполярные диэлектрики имеют низкие диэлектрические потери и применяются как высокочастотные (ВЧ) материалы.

Электронная поляризация присуща всем без исключения диэлектрикам, но часто на электронную поляризацию на­кладываются другие ее виды.

Ионная поляризация. Наблюдается у веществ, имеющих ионную структуру: в кристаллах и неорганических материалах (слюда, керамика). Ионная поляри­зация представляет собой упругое смещение ионов в узлах кристаллической решетки. Типичный пример -  NaCI, состоящий из положительных ионов Na⁺ и отрицательных CI^-  (рис.3).  

Рис. 3. Схема ионной поляризации кристалла NaCI

 

Поскольку размеры ионов по размерам больше электронов, время ее установления несколько больше, чем электронной (t ионной поляризации составляет 10^-12–10^-13с). Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты так же отсутствует вплоть до резонансных частот ― 10 ¹⁰ –10 ¹³ Гц. Значения относительной диэлектрической проницаемость вещества с ионной поляризацией  обычно лежит в пределах 4–30, а в ряде керамических материалов могут быть больше.  Как и при электронной поляризации, вплоть до резонансных частот диэлектрическая прони­цаемость не зависит от частоты и не связана с по­терями энергии.

Дипольная поляризация (ориентационная, дипольно-релаксационная). Имеет место в полярных диэлектриках, молекулы которых имеют несиммет­ричное строение и обладают дипольным моментом. При этом виде поляризации дипольные молекулы (диполи), находящиеся в хаотическом тепловом дви­жении, частично ориентируются под действием внешнего электрического поля (рис.4).

Рис. 4. Схема дипольной поляризации

 

Дипольная ориентация происходит относительно медленно (время ее установления состав­ляет 10 ^-8 –10 ^-6 с и более). Она сопровождается потерями энергии, которая затрачивается на преодоление внутреннего трения в материале при повороте диполей.

В области частот 10⁶–10 ⁸ Гц период изменения поля соизмерим со временем установления поляризации, диполи не успевают ориентироваться и диэлектрическая поляризация резко снижается до значений, характерных для электронной поляризации.

К полярным диэлектрикам относятся:

- поляр­ные газы (НСl, HBr, СО₂ и др.);

-полярные жидкости (вода, совол, совтол, касторовое масло и др.);

-твердые вещества, например, полярные полимеры (поливинилхлорид ПВХ, полиэтилентерефталат (лавсан) ПЭТФ, полиметилметакрилат ПММА, целлюлоза (бумага, картон) и др.).

В случае полимеров  поляризация обусловлена поворотом не самой моле­кулы, а имеющихся в ней по­лярных радикалов (ОН, Cl, NH₃ и др.) по отношению к непод­вижной молекуле. Этот вид по­ляризации обычно называют дипольно-радикальной или дипольно-ориентационной.

Величина относительной диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков обычно составляет 3–9, но иногда достигает и нескольких десятков (например, для воды e′= 81, спиртов 20-30).

Миграционная поляризация (междуслоевая, структурная). Наблюдается в некоторых диэлектриках неоднородной структуры, при наличии макроскопических включений, примесей (особенно полупроводящих). В случае диэлектрика с полупроводящими включениями этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накоплении зарядов на грани­цах раздела. Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже ча­сы. Поэтому она обычно наблюдается лишь при низких частотах.

Миграционная поляризация присуща слоистым пластикам, миканитам, а так же в приэлектродных слоях.

Диэлектрические потери. Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при действии на него переменного электромагнитного поля. Диэлектрические потери могут быть обусловлены как токами проводимости (потери проводимости), так и запаздыванием поляризации при изменении поля (релаксационные, миграционные и резонансные потери). Кроме того, в сильных электрических полях при наличии в диэлектрике воздушных включений наблюдаются дополнительные потери энергии (ионизационные потери).

В постоянном электрическом поле потери энергии обусловлены только током проводимости и определяются по формулам

,

где R_из – сопротивление изоляции, постоянное напряжение, приложенное к диэлектрику, I_скв – ток сквозной проводимости (ток утечки) в изоляции.

В переменном электрическом поле потери энергии определяются более сложными закономерностями. Они складываются из следующих составляющих:

- потери от проводимости, обусловленные сквозным током, протекающим через диэлектрик;

- потери от дипольной поляризации, вызванные внутренним трением в диэлектрике (полярные диэлектрики);

- потери от ионизации воздушных включений (ионизация воздуха в порах и зазорах в материале).

Замедленные виды поляризации (дипольно-релаксационная и миграционная) идут с большими затратами энергии внешнего электрического поля, при этом величины e¢ и tgd материала существенно зависят от частоты поля и температуры.

Тангенс угла диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в материале характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь. На рис.5 приведены векторные диаграммы токов и напряжений  в проводнике (а), идеальном (б) и реальном диэлектриках (в), находящихся в переменном электрическом поле.

.

Рис. 5. Векторные диаграммы токов и напряжений в проводнике (а),

 идеальном диэлектрике (б) и реальном диэлектрике (в),

находящихся в переменном электрическом поле

 

Конденсатор с идеальным диэлектриком (без потерь) в переменном поле имеет чисто реактивный (емкостной) ток, так что на векторной диаграмме ток через конденсатор опережает напряжение U на угол p/2 (рис.5б). В ре­альном конденсаторе ток и напряжение сдвинуты по фазе на угол j. Полный ток I можно разложить на активную I _а = I sin d и реактивную I_c = I cos d составляющие (рис.5в). Угол d, дополняющий до 90° угол сдвига фаз j между током и напряжением в емкостной цепи с реальным диэлектриком, называют углом диэлектрических потерь. Тангенс угла d  (tg d) определяет рассеиваемую в диэлектрике мощность при переменном электромагнитном поле.

  Таким образом, в случае воздействия переменного электрического поля диэлек­трик характеризуется двумя основными параметрами:

- относительной диэлектрической проницаемостью  e (определяет его способность к поляризации);

-  тангенсом угла диэлектрических потерь tgd.

   При этом                            e = С / C _0,

где С – емкость конденсатора с диэлектриком, С_о – емкость конденсатора без диэлектрика (между обкладками – вакуум);

tg d = I _а / I_C,

где I_а и I_Cактивный и реактивный ток, соответственно.

    Влияние частоты электрического поля на диэлектрические параметры.   Диэлектрические характеристики определяется структурой материала, а, следовательно, типом поляризации в веществе. Обобщенные зависимости e¢ и tg d от частоты для диэлектриков, имеющих, миграционную, дипольно-релаксационную, ионную и электронную поляризации, схематически изображены на рис. 6.

 

Рис.6. Обобщенная зависимость диэлектрической проницаемости вещества от частоты поляризующего поля (на нижнем графике вместо e¢¢ должно быть tg d )

 

В случае электронной поляризации частота не влияет на величину диэлектрической проницаемости до 10¹⁵ Гц (рис.7а).

В случае ионной поляризации частота поля не влияет вплоть до 10¹² Гц.

Рис.7. Влияние частоты электромагнитного поля на диэлектрическую проницаемость неполярного (а) и полярного (б) диэлектриков

 

Для замедленных видов поляризации (дипольной и миграционной) влияние частоты и температуры на диэлектрические параметры оказывается более сложным. Под действием внешнего переменного электрического поля происходит ориентация полярных групп, а тепловое хаотическое движение молекул оказывает наоборот разориентирующее действие.

После отключения электрического поля ориентация дипольных молекул постепенно ослабевает из-за теплового движе­ния по экспоненциальному закону. Таким образом, происходит релаксация (от латинского relaxtio—ослабление), воз­врат к исходному состоянию вещества. Математически этот процесс релаксации выражается функцией

N_τ = N_oexp (- τ / t ₀),

где N ₀  и N _t, — число ориентированных диполей в начальный (в момент отключения поля) и текущий моменты времени; τ — время, прошедшее с момента снятия поля; t₀ — постоянная времени релаксации. 

Если принять τ = t₀, то получим

N_τ = N ₀ / e.

Таким образом, время релаксации t₀ – это время, за кото­рое число ориентированных диполей уменьшается в е раз.

Время релаксации существенно зависит от температуры (чем выше температура, тем меньше силы молекулярного сопро­тивления повороту диполей, тем меньше время релаксации). Учет механизма релаксации, свойственного дипольной поляризации, часто отражается в широко распространенном названии этого вида поляризации – дипольно-релаксационная поляризация.

При низких частотах, менее 1/t₀, процесс поляризации успевает следовать за изменением направления электрического поля и величина e' не зависит от частоты до f′= 10⁶ – 10⁸Гц (рис. 6, 7б). В случае высоких частот дипольные молекулы не успе­вают поворачиваться при быстрых изменениях направления поля, дипольная поляризация ослабевает и e' снижается (рис.6, 7а) до значения e'_эл, обусловленного электронной поляризацией, имеющей место во всех веществах.

Влияние температуры на диэлектрические параметры. Для диэлектриков с электронной поляризацией (неполярные материалы) зависимость относительной диэлектрической проницаемости от темпера­туры определяется только изменением плотности вещества. При нагревании вещество расширяется, уменьшается число ато­мов (ионов) в единице объема и, соответственно, число электронов в единице объема, поляризация ослабевает. Кривая зависимости e' от температуры подобна кривой из­менения   плотности (рис.8а.). При переходе через точку плавления наблюдается скачек e'.

Рис.8. Зависимости относительной диэлектрической проницаемости неполярного (а) и полярного (б) диэлектриков от температуры

 

Для материалов с ионным типом поляризации с повышением температуры расстояния между ионами увеличиваются вследствие теплового расширения материала. В большинстве случаев это сопровождается ослаблением хи­мических сил упругой связи, поэтому поляризуемость ионов возрастает, т. е. они легче смещаются под действием элек­трического поля. В связи с этим величина e' ионных диэлектриков ­обычно растет с температурой.

На рис. 8б приведены характерные кривые зависимости e' от температуры полярного диэлектрика (дипольно-релаксационная поляризация), измеренные на разных частотах (f₁<f₂<f₃). При нагревании материала расстояние между молекулами увеличивается и диполи (радикалы) обретают дополнительную возможность для разворота, что обусловливает рост e'. В области высоких температур (выше температуры максимума)  дальнейшей ориентации диполей ме­шает усиливающееся тепловое движение. Поскольку тепловое движение атомов является хаотичным, с его интенсификацией  e' начинает сни­жаться с ростом температуры.

Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры и частоты. Как отмечалось выше, замедленные виды поляризации протекают с затратой энергии внешнего электрического поля, которая расходуется на преодоление межмолекулярного трения. Поэтому частота поля и температура существенно влияют и на величину tgd полярных диэлектриков.

  Дипольно-релаксационные потери при повышении температуры проходят через максимум. При очень низких темпе­ратурах, когда вязкость вещества велика, диполи неподвижны, потерь нет; при очень высоких температурах вязкость мала и диполи враща­ются, не испытывая трения. В общем случае на температурной зависимости может наблюдаться несколько макси­мумов. Например, на кривой tgd=f(T) для бумаги, про­питанной масляно-канифольным компаундом, наблюдаются два максимума - при низких температурах это максимум, свойственный самой бумаге, при более высоких - компаунда.

Если в диэлектрике имеют место два механизма потерь (на проводимость и дипольную поляризацию), то суммарная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры может быть получена сложением кривых, описывающих потери проводимости и дипольные по­тери.

Рост температуры всегда приводит к росту tg d за счет увеличения потерь проводимости (рис. 9а). Максимум на суммарной кривой потерь часто не фиксируется, так как он маскируется высокими потерями проводимости.

 

 

1 2 3

1 2     3

Рис. 9. Зависимость tg d диэлектрика от температуры (а) и частоты (б)

1—общие (суммарные) потери; 2— потери про­водимости; 3 — дипольные потери

 

В случае диэлек­трических потерь, обусловленных сквозной         проводимостью, по мере увеличения частоты  tgd   снижается  по гиперболи­ческому закону (рис. 9б). Активная мощность потерь в этом случае не зависит от частоты. Потери, вызванные дипольной поляризацией, на первом этапе с ростом частоты увеличивается, так как диполи чаще должны ориентироваться по полю и на это будет за­трачиваться все большая энергия. Но это происходит лишь до определенной частоты, соответствующей максимуму tgd, после которой диполи уже не успевают следовать за пере­менным напряжением и потери в диэлектрике уменьшаются.

  Максимум в частотной зависимости tgd характерен также и для резонансного механизма потерь, однако в последнем случае температура не влияет на положение максимума.

Схемы замещения конденсатора. Для расчета электрических цепей (получения количественной информации о процессах, протекающих в тех или иных элементах конструкции) применяют эквивалентные схемы замещения реальных элементов. В зависимости от требуемой точности разработаны и продолжают разрабатываться множество схем замещения одного и того же реального элемента. Конденсатор можно представить в виде схемы замещения, содержащей емкость С и активные сопротивления R или r, эквивалентные теряемой мощности в реальном конденсаторе.  Две основные схемы замещения: последовательная  и параллельная (рис. 10).

 

Рис.10. Схемы замещения, эквивалентные конденсатору с диэлектриком с потерями

 

При последовательной эквивалентной схеме замещения конденсатора

                                                                               

а при параллельной                                              

Если температура диэлектрика постоянная и частота задана, то можно использовать как  последовательную схему замещения, так и параллельную.

Последовательная и па­раллельная эквивалентные схемы дают различную за­висимость tg d от частоты w. При последовательной схеме tg d увеличи­вается по мере роста частоты прямо пропорционально w. В случае па­раллельной схемы tg d уменьшается с увеличением частоты обратно про­порционально w. Поэтому параллельную схему целесообразно использо­вать, если потери в реальном диэлектрике обусловлены сквозной проводи­мостью диэлектрика. Если же энергия рассеивается в подводящих прово­дах, следует применять последовательную схему замещения.

   Методы оценки e ' и tg d. Для определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь электроизоляционных материалов применяют различные методы измерения. Основными из них являются: мостовые, резонансные и волновые. При невысоких частотах (10 ^-2 –10 ⁵ Гц) обычно используют мостовые методы, на высоких (10 ⁵ –10⁸ Гц) – резонансные, в диапазо­не СВЧ (10 ⁹ –10 ¹⁰ Гц) – волноводные и резонансные методы.

Описание измерительной установки

   В работе используется мостовой метод измерения и двухэлектродная измерительная ячейка.

 

Подготовка к измерению

Для подготовки прибора к работе необходимо выполнить следующее:

1. Включить измерительный прибор.

2. После самотестирования прибора нажать кнопку «MENU».

3. Далее выбрать пункт «SETTING», а затем «RECALL».

4. Затем нажать цифру «1» и кнопку «ENTER».

5. Выйти из меню настроек кнопкой «EXIT».

6. Кнопкой «Mode» выбрать режим измерения C/D, что означает измерение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь.

7. Кнопкой «CIRCUIT» выбрать параллельную эквивалентную схему замещения (PARALL).

8. Для изменения частоты напряжения нажать кнопку «FREQ» и написать значение частоты (в кГц), после чего нажать кнопку «ENTER».

       

 

Порядок выполнения работы

     Ознакомиться с исследуемыми диэлектриками. Измерить толщину образцов h, диаметр электрода.

Измерить емкость образцов С и tgd  диэлектрических материалов на постоянной частоте, указанной преподавателем. Данные занести в таблицу 1.

Рассчитать относительную диэлектрическую проницаемость e, используя формулу емкости плоского конденсатора

,

 где h – толщина диэлектрика; S – площадь электрода.

 

                                                                                                       Таблица №1

Наименование материала	f, Гц	Результаты измерений				e
		С, Ф	tgd	h, м	d, м

 

 

   Построить графики зависимостей e', tgd от частоты для исследованных образцов.

 

Содержание отчета

Отчет должен включать:

1. Цель работы.

2. Принципиальную схему установки.

3. Расчетные формулы, использованные при вычислении относительной диэлектрической проницаемости e¢.

4. Примеры численных расчетов.

5. Таблицы с экспериментальными и расчетными данными.

6. Графики зависимостей e =f(f), tgd =f(f).

7. Выводы по работе, содержащие анализ полученных экспериментальных данных по следующей схеме:

- сопоставление полученных значений e¢, tgd, e¢¢ для исследуемых материалов различной природы с указанием характерных для них видов поляризации;

- объяснение зависимостей e¢ =f(f), tgd =f(f).

Контрольные вопросы

 

1. Что такое поляризация диэлектриков?

2. Что такое поляризованность диэлектрика?

3. Что относится к «быстрым» видам поляризации?

4. Каковы отличительные признаки электронной поляризации?

5. В каких случаях в диэлектрике проявляется дипольно-релаксационная поляризация?

6. Каковы отличительные признаки ионной поляризации?

7. У каких диэлектриков ε может достигать нескольких тысяч?

8. В каких случаях в диэлектрике проявляется миграционная поляризация?

9. Что характеризует тангенс угла диэлектрических потерь?

10.  Каков порядок величин ε и tgδ неполярных полимеров?

11.  Каков порядок величин ε и tgδ полярных полимеров?

12.  В каком случае используется последовательная эквивалентная схема замещения для реального диэлектрика?

13.  В каком случае используется параллельная эквивалентная схема замещения для реального диэлектрика?

14. Как зависит параметр ε полярного полимера от температуры?

15.  Как зависит параметр ε неполярного полимера от температуры?

16.  Как зависит параметр ε полярного полимера от частоты?

17.  Как зависит параметр ε неполярного полимера от частоты?

18.  Объяснить характер зависимости tgδ от температуры.

19.  Объяснить характер зависимости tgδ от частоты.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: