STAŁA DIELEKTRYCZNA

Stała dielektryczna ośrodkaε c jest wielkością charakteryzującą wpływ ośrodka na siły oddziaływania pól elektrycznych. Różne środowiska mają różne wartości ε c.

Bezwzględna stała dielektryczna próżni nazywana jest stałą elektryczną ε 0 =8,85 · 10 -12 f/m.

Stosunek bezwzględnej stałej dielektrycznej ośrodka do stałej elektrycznej nazywa się względną stałą dielektryczną

te. względna stała dielektryczna ε jest wartością wskazującą, ile razy bezwzględna stała dielektryczna ośrodka jest większa od stałej elektrycznej. Wielkość ε nie ma wymiaru.

Tabela 1

Względna stała dielektryczna materiałów izolacyjnych

Jak widać z tabeli, dla większości dielektryków ε = 1-10 i w niewielkim stopniu zależy od warunków elektrycznych i temperatury otoczenia .

Istnieje grupa dielektryków tzw ferroelektryki, w którym ε może osiągnąć wartości do 10 000 i ε silnie zależy od pola zewnętrznego i temperatury. Ferroelektryki obejmują tytanian baru, tytanian ołowiu, sól Rochelle itp.

Pytania kontrolne

1. Jaka jest budowa atomu aluminium i miedzi?

2. W jakich jednostkach mierzy się rozmiary atomów i ich cząstek?

3. Jaki ładunek elektryczny mają elektrony?

4. Dlaczego substancje w swoim normalnym stanie są elektrycznie obojętne?

5. Co nazywa się polem elektrycznym i jak jest konwencjonalnie przedstawiane?

6. Od czego zależy siła oddziaływania ładunków elektrycznych?

7. Dlaczego niektóre materiały są przewodnikami, a inne izolatorami?

8. Które materiały zaliczamy do przewodników, a które do izolatorów?

9. Jak naładować swoje ciało dodatnim prądem?

10. Co nazywa się względną stałą dielektryczną?

Stała dielektryczna stała dielektryczna

wartość ε, pokazująca, ile razy siła oddziaływania pomiędzy dwoma ładunkami elektrycznymi w ośrodku jest mniejsza niż w próżni. W ośrodku izotropowym ε jest powiązane z podatnością dielektryczną χ zależnością: ε = 1 + 4π χ. Stała dielektryczna ośrodka anizotropowego jest tensorem. Stała dielektryczna zależy od częstotliwości pola; w silnych polach elektrycznych stała dielektryczna zaczyna zależeć od natężenia pola.

STAŁA DIELEKTRYCZNA

CIĄGŁOŚĆ DIELEKTRYCZNA, bezwymiarowa wielkość e, pokazująca, ile razy siła oddziaływania F pomiędzy ładunkami elektrycznymi w danym ośrodku jest mniejsza od ich siły oddziaływania F o w próżni:
e =F o /F.
Stała dielektryczna pokazuje, ile razy pole jest tłumione przez dielektryk (cm. DIELEKTRYKA), ilościowo charakteryzujący właściwość dielektryka do polaryzacji w polu elektrycznym.
Wartość względnej stałej dielektrycznej substancji, charakteryzująca stopień jej polaryzowalności, jest określona przez mechanizmy polaryzacji (cm. POLARYZACJA). Jednak wartość w dużej mierze zależy od stanu skupienia substancji, ponieważ podczas przejść z jednego stanu do drugiego gęstość substancji, jej lepkość i izotropia znacznie się zmieniają (cm. IZOTROPIA).
Stała dielektryczna gazów
Substancje gazowe charakteryzują się bardzo małymi gęstościami ze względu na duże odległości między cząsteczkami. Z tego powodu polaryzacja wszystkich gazów jest niewielka, a ich stała dielektryczna jest bliska jedności. Polaryzacja gazu może być czysto elektroniczna lub dipolowa, jeśli cząsteczki gazu są polarne, jednak w tym przypadku polaryzacja elektronowa ma pierwszorzędne znaczenie. Polaryzacja różnych gazów jest tym większa, im większy jest promień cząsteczki gazu i jest liczbowo bliska kwadratowi współczynnika załamania światła dla tego gazu.
Zależność gazu od temperatury i ciśnienia określa liczba cząsteczek na jednostkę objętości gazu, która jest proporcjonalna do ciśnienia i odwrotnie proporcjonalna do temperatury bezwzględnej.
Powietrze w normalnych warunkach ma e = 1,0006, a jego współczynnik temperaturowy ma wartość około 2. 10 -6 K -1 .
Stała dielektryczna ciekłych dielektryków
Ciekłe dielektryki mogą składać się z cząsteczek niepolarnych lub polarnych. Wartość e cieczy niepolarnych wyznaczana jest przez polaryzację elektronową, jest więc niewielka, bliska wartości kwadratu załamania światła i zwykle nie przekracza 2,5. Zależność e cieczy niepolarnej od temperatury wiąże się ze spadkiem liczby cząsteczek na jednostkę objętości, tj. ze spadkiem gęstości, a jej współczynnik temperaturowy jest zbliżony do temperaturowego współczynnika rozszerzalności objętościowej cieczy, ale różni się znakiem.
Polaryzacja cieczy zawierających cząsteczki dipolowe jest determinowana jednocześnie przez składniki elektroniczne i relaksacyjne. Ciecze takie mają wyższą stałą dielektryczną, im większa jest wartość momentu elektrycznego dipoli (cm. DIPOL) i im większa liczba cząsteczek na jednostkę objętości. Zależność temperaturowa w przypadku cieczy polarnych jest złożona.
Stała dielektryczna dielektryków stałych
W ciałach stałych może przyjmować różne wartości liczbowe zgodnie z różnorodnością cech strukturalnych stałego dielektryka. W stałych dielektrykach możliwe są wszystkie rodzaje polaryzacji.
Najmniejszą wartość e występują w stałych dielektrykach składających się z cząsteczek niepolarnych i mających jedynie polaryzację elektronową.
Stałe dielektryki, które są kryształami jonowymi o gęstym upakowaniu cząstek, mają polaryzację elektronową i jonową i mają wartości e mieszczące się w szerokim zakresie (e sól kamienna - 6; e korund - 10; e rutyl - 110; e tytanian wapnia - 150).
e różnych szkieł nieorganicznych, zbliżone do struktury dielektryków amorficznych, mieści się w stosunkowo wąskim przedziale od 4 do 20.
Polarne dielektryki organiczne mają polaryzację relaksacyjną dipolową w stanie stałym. Działanie tych materiałów zależy w dużej mierze od temperatury i częstotliwości przyłożonego napięcia, podlegając tym samym prawom, co w przypadku cieczy dipolowych.

słownik encyklopedyczny. 2009 .

Zobacz, co oznacza „stała dielektryczna” w innych słownikach:

Wartość e, pokazująca, ile razy siła oddziaływania pomiędzy dwoma ładunkami elektrycznymi w ośrodku jest mniejsza niż w próżni. W ośrodku izotropowym e jest powiązane z podatnością dielektryczną zależnością: e = 1 + 4szt. Stała dielektryczna… … Wielki słownik encyklopedyczny

Wartość e charakteryzująca polaryzację dielektryków pod wpływem prądu elektrycznego. pole E.D.p. jest zawarte w prawie Coulomba jako wielkość pokazująca, ile razy siła oddziaływania dwóch wolnych ładunków w dielektryku jest mniejsza niż w próżni. Osłabienie... ... Encyklopedia fizyczna

CIĄGŁOŚĆ DIELEKTRYCZNA, Wartość e, pokazująca, ile razy siła oddziaływania dwóch ładunków elektrycznych w ośrodku jest mniejsza niż w próżni. Wartość e jest bardzo zróżnicowana: wodór 1,00026, olej transformatorowy 2,24, ... ... Nowoczesna encyklopedia

- (oznaczenie e), w fizyce jedna z właściwości różnych materiałów (patrz DIELEKTRYKA). Wyraża się to stosunkiem gęstości PRZEPŁYWU ELEKTRYCZNEGO w ośrodku do natężenia POLA ELEKTRYCZNEGO, które go powoduje. Stała dielektryczna próżni... ... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

stała dielektryczna- Wielkość charakteryzująca właściwości dielektryczne substancji, skalar dla substancji izotropowej i tensor dla substancji anizotropowej, której iloczyn przez natężenie pola elektrycznego jest równy przemieszczeniu elektrycznemu. [GOST R 52002 2003]… … Przewodnik tłumacza technicznego

Stała dielektryczna- CIĄGŁOŚĆ DIELEKTRYCZNA, wartość e, pokazująca, ile razy siła oddziaływania dwóch ładunków elektrycznych w ośrodku jest mniejsza niż w próżni. Wartość e jest bardzo zróżnicowana: wodór 1,00026, olej transformatorowy 2,24, ... ... Ilustrowany słownik encyklopedyczny

Stała dielektryczna- wielkość charakteryzująca właściwości dielektryczne substancji, skalar dla substancji izotropowej i tensor dla substancji anizotropowej, której iloczyn przez natężenie pola elektrycznego jest równy przemieszczeniu elektrycznemu... Źródło:... ... Oficjalna terminologia

stała dielektryczna- absolutna stała dielektryczna; przemysł stała dielektryczna Wielkość skalarna charakteryzująca właściwości elektryczne dielektryka równa stosunkowi wielkości przemieszczenia elektrycznego do wielkości natężenia pola elektrycznego ... Politechniczny słownik terminologiczny objaśniający

Bezwzględna stała dielektryczna Względna stała dielektryczna Stała dielektryczna próżni ... Wikipedia

stała dielektryczna- dielektrinė skvarba statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinio srauto tankio tiriamojoje medžiagoje ir elektrinio lauko stiprio santykis. atitikmenys: pol. stała dielektryczna; przenikalność dielektryczna; przenikalność ros. dielektryk... ... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Książki

• Właściwości materiałów. Anizotropia, symetria, struktura. Za. z angielskiego , Newnham R.E. Książka ta poświęcona jest anizotropii i związkowi pomiędzy strukturą materiałów a ich właściwościami. Obejmuje szeroki zakres tematów i jest rodzajem kursu wprowadzającego na temat właściwości fizycznych...

Dielektryḱ penetracja chemiczná pojemność ośrodek - wielkość fizyczna charakteryzująca właściwości ośrodka izolacyjnego (dielektrycznego) i pokazująca zależność indukcji elektrycznej od natężenia pola elektrycznego.

Wyznacza się go na podstawie efektu polaryzacji dielektryków pod wpływem pola elektrycznego (oraz wartości podatności dielektrycznej ośrodka charakteryzującej ten efekt).

Istnieją względne i absolutne stałe dielektryczne.

Względna stała dielektryczna ε jest bezwymiarowa i pokazuje, ile razy siła oddziaływania między dwoma ładunkami elektrycznymi w ośrodku jest mniejsza niż w próżni. Wartość ta dla powietrza i większości innych gazów w normalnych warunkach jest bliska jedności (ze względu na ich małą gęstość). W przypadku większości dielektryków stałych lub ciekłych przenikalność względna waha się od 2 do 8 (dla pola statycznego). Stała dielektryczna wody w polu statycznym jest dość wysoka - około 80. Jej wartości są duże dla substancji z cząsteczkami, które mają duży elektryczny moment dipolowy. Względna stała dielektryczna ferroelektryków wynosi dziesiątki i setki tysięcy.

Absolutna stała dielektryczna w literaturze zagranicznej jest oznaczona literą ε, w literaturze krajowej stosuje się głównie kombinację, gdzie jest stała elektryczna. Bezwzględną stałą dielektryczną stosuje się tylko w Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI), w którym indukcję i natężenie pola elektrycznego mierzy się w różnych jednostkach. W układzie SGS nie ma potrzeby wprowadzania bezwzględnej stałej dielektrycznej. Absolutna stała dielektryczna (podobnie jak stała elektryczna) ma wymiar L −3 M −1 T 4 I². W międzynarodowym układzie jednostek (SI): =F/m.

Należy zauważyć, że stała dielektryczna w dużej mierze zależy od częstotliwości pola elektromagnetycznego. Należy to zawsze brać pod uwagę, ponieważ tabele referencyjne zwykle zawierają dane dotyczące pola statycznego lub niskich częstotliwości do kilku jednostek kHz, bez wskazania tego faktu. Jednocześnie istnieją optyczne metody uzyskiwania względnej stałej dielektrycznej w oparciu o współczynnik załamania światła za pomocą elipsometrów i refraktometrów. Wartość uzyskana metodą optyczną (częstotliwość 10-14 Hz) będzie znacząco różnić się od danych w tabelach.

Rozważmy na przykład przypadek wody. W przypadku pola statycznego (częstotliwość zerowa) względna stała dielektryczna w normalnych warunkach wynosi około 80. Dzieje się tak w przypadku częstotliwości podczerwieni. Zaczynając od około 2 GHz ε R zaczyna spadać. W zakresie optycznym ε R wynosi około 1,8. Jest to całkiem zgodne z faktem, że w zakresie optycznym współczynnik załamania światła wody wynosi 1,33. W wąskim zakresie częstotliwości, zwanym optycznym, absorpcja dielektryczna spada do zera, co faktycznie zapewnia człowiekowi mechanizm widzenia [ źródło nieokreślone 1252 dni] w atmosferze ziemskiej nasyconej parą wodną. Wraz z dalszym wzrostem częstotliwości właściwości ośrodka ponownie się zmieniają. O zachowaniu względnej stałej dielektrycznej wody w zakresie częstotliwości od 0 do 10 12 (obszar podczerwieni) można przeczytać na stronie (w języku angielskim)

Stała dielektryczna dielektryków jest jednym z głównych parametrów przy opracowywaniu kondensatorów elektrycznych. Zastosowanie materiałów o wysokiej stałej dielektrycznej może znacznie zmniejszyć wymiary fizyczne kondensatorów.

Pojemność kondensatorów określa się:

Gdzie ε R- stała dielektryczna substancji pomiędzy płytkami, ε O- stała elektryczna, S- powierzchnia płytek kondensatora, D- odległość między płytami.

Parametr stałej dielektrycznej jest brany pod uwagę przy opracowywaniu płytek drukowanych. Wartość stałej dielektrycznej substancji pomiędzy warstwami w połączeniu z jej grubością wpływa na wartość naturalnej pojemności statycznej warstw mocy, a także znacząco wpływa na impedancję charakterystyczną przewodów na płytce.

OPÓR elektryczny, wielkość fizyczna równa oporowi elektrycznemu ( cm. OPÓR ELEKTRYCZNY) R cylindrycznego przewodnika o jednostkowej długości (l = 1 m) i jednostkowym polu przekroju poprzecznego (S = 1 m 2). r = R S/l. W Si jednostką rezystywności jest om. m. Rezystywność można również wyrazić w omach. cm Rezystywność jest cechą materiału, przez który przepływa prąd i zależy od materiału, z którego jest wykonany. Rezystywność równa r = 1 Ohm. m oznacza, że ​​wykonany z tego materiału przewodnik cylindryczny o długości l = 1 m i polu przekroju poprzecznego S = 1 m 2 ma rezystancję R = 1 om. m. Wartość rezystywności metali ( cm. METALE), które są dobrymi przewodnikami ( cm. PRZEWODNIKI), może mieć wartości rzędu 10 - 8 - 10 - 6 omów. m (na przykład miedź, srebro, żelazo itp.). Rezystywność niektórych stałych dielektryków ( cm. DIELEKTRYKA) może osiągnąć wartość 10 16 -10 18 omów (na przykład szkło kwarcowe, polietylen, elektroporcelana itp.). Wartość rezystywności wielu materiałów (zwłaszcza materiałów półprzewodnikowych ( cm. MATERIAŁY PÓŁPRZEWODNIKOWE)) w znacznym stopniu zależy od stopnia ich oczyszczenia, obecności dodatków stopowych, obróbki cieplnej i mechanicznej itp. Wartość s, będąca odwrotnością rezystywności, nazywana jest przewodnością właściwą: s = 1/r Przewodność właściwa mierzona jest w simensach ( cm. SIEMENS (jednostka przewodności)) na metr S/m. Oporność elektryczna (przewodność) jest wielkością skalarną substancji izotropowej; i tensor - dla substancji anizotropowej. W anizotropowych monokryształach anizotropia przewodności elektrycznej jest konsekwencją anizotropii odwrotnej masy efektywnej ( cm. MASA EFEKTYWNA) elektrony i dziury.

1-6. PRZEWODNOŚĆ ELEKTRYCZNA IZOLACJI

Kiedy izolacja kabla lub drutu zostanie załączona na stałe napięcie U, przepływa przez nią prąd i zmienny w czasie (rys. 1-3). Prąd ten ma stałe składniki - prąd przewodzenia (i ∞) i prąd absorpcji, gdzie γ jest przewodnością odpowiadającą prądowi absorpcji; T to czas, w którym prąd i abs spada do 1/e swojej pierwotnej wartości. Przez nieskończenie długi czas i abs →0 oraz i = i ∞. Przewodność elektryczną dielektryków tłumaczy się obecnością w nich pewnej ilości swobodnie naładowanych cząstek: jonów i elektronów.

Najbardziej charakterystyczną cechą większości materiałów elektroizolacyjnych jest jonowe przewodnictwo elektryczne, które jest możliwe dzięki zanieczyszczeniom nieuchronnie obecnym w izolacji (zanieczyszczenia wilgocią, sole, zasady itp.). W dielektryku o przewodności jonowej ściśle przestrzegane jest prawo Faradaya - proporcjonalność między ilością prądu przechodzącego przez izolację a ilością substancji uwolnionej podczas elektrolizy.

Wraz ze wzrostem temperatury rezystywność materiałów elektroizolacyjnych maleje i jest scharakteryzowana wzorem

gdzie_ρ o, A i B są stałymi dla danego materiału; T - temperatura, °K.

Większa zależność rezystancji izolacji od wilgoci występuje w przypadku materiałów higroskopijnych, głównie włóknistych (papier, przędza bawełniana itp.). Dlatego materiały włókniste są suszone i impregnowane, a także zabezpieczane powłokami odpornymi na wilgoć.

Rezystancja izolacji może zmniejszać się wraz ze wzrostem napięcia z powodu tworzenia się ładunków kosmicznych w materiałach izolacyjnych. Wytworzona w tym przypadku dodatkowa przewodność elektronowa prowadzi do wzrostu przewodności elektrycznej. Istnieje zależność przewodności od napięcia w bardzo silnych polach (prawo Ya. I. Frenkla):

gdzie γ o - przewodnictwo w słabych polach; a jest stałe. Wszystkie materiały elektroizolacyjne charakteryzują się pewnymi wartościami przewodności izolacji G. Idealnie, przewodność materiałów izolacyjnych wynosi zero. W przypadku rzeczywistych materiałów izolacyjnych przewodność na jednostkę długości kabla określa się ze wzoru

W kablach o rezystancji izolacji większej niż 3-10 11 om-m oraz kablach komunikacyjnych, w których straty polaryzacji dielektrycznej są znacznie większe niż straty cieplne, przewodność określa się za pomocą wzoru

Przewodność izolacji w technice komunikacyjnej jest parametrem elektrycznym linii charakteryzującym straty energii w izolacji żył kabla. Zależność wartości przewodności od częstotliwości pokazano na rys. 1-1. Odwrotność przewodności, czyli rezystancja izolacji, to stosunek napięcia stałego przyłożonego do izolacji (w woltach) do napięcia upływu (w amperach), tj.

gdzie R V jest objętościowym oporem izolacji, który liczbowo określa przeszkodę utworzoną przez przepływ prądu przez grubość izolacji; R S - rezystancja powierzchniowa, która określa przeszkodę w przepływie prądu wzdłuż powierzchni izolacji.

Praktyczną oceną jakości stosowanych materiałów izolacyjnych jest właściwy opór objętościowy ρ V wyrażony w om-centymetrach (om*cm). Liczbowo ρ V jest równe rezystancji (w omach) sześcianu o krawędzi 1 cm wykonanej z danego materiału, jeśli prąd przepływa przez dwie przeciwległe ściany sześcianu. Specyficzna rezystancja powierzchniowa ρ S jest liczbowo równa rezystancji powierzchniowej kwadratu (w omach), jeśli do elektrod wyznaczających dwa przeciwne boki tego kwadratu doprowadzony zostanie prąd.

Rezystancję izolacji kabla lub drutu jednożyłowego określa się według wzoru

Właściwości wilgotnościowe dielektryków

Odporność na wilgoć - jest to niezawodność izolacji, gdy znajduje się ona w atmosferze pary wodnej bliskiej nasycenia. Odporność na wilgoć ocenia się na podstawie zmian właściwości elektrycznych, mechanicznych i innych właściwości fizycznych po przebywaniu materiału w atmosferze o dużej i wysokiej wilgotności; na przepuszczalność wilgoci i wody; na wchłanianie wilgoci i wody.

Przepuszczalność wilgoci – zdolność materiału do przepuszczania pary wodnej przy różnicy wilgotności względnej powietrza po obu stronach materiału.

Absorpcja wilgoci - zdolność materiału do pochłaniania wody pod wpływem długotrwałego przebywania w wilgotnej atmosferze bliskiej stanowi nasycenia.

Absorpcja wody - zdolność materiału do wchłaniania wody po długotrwałym zanurzeniu w wodzie.

Odporność tropikalna i tropikalizacja sprzęt – ochrona sprzętu elektrycznego przed wilgocią, pleśnią, gryzoniami.

Właściwości termiczne dielektryków

Aby scharakteryzować właściwości termiczne dielektryków, stosuje się następujące wielkości.

Wytrzymałość cieplna– zdolność materiałów i wyrobów elektroizolacyjnych do wytrzymywania wysokich temperatur i nagłych zmian temperatury bez szkody dla nich. Określone przez temperaturę, w której obserwuje się znaczną zmianę właściwości mechanicznych i elektrycznych, na przykład w organicznych dielektrykach rozpoczyna się odkształcenie przy rozciąganiu lub zginaniu pod obciążeniem.

Przewodność cieplna– proces wymiany ciepła w materiale. Charakteryzuje się doświadczalnie wyznaczonym współczynnikiem przewodzenia ciepła λ t. λ t to ilość ciepła przekazywana w ciągu jednej sekundy przez warstwę materiału o grubości 1 m i powierzchni 1 m 2 przy różnicy temperatur pomiędzy powierzchniami warstwa 1°K. Współczynnik przewodności cieplnej dielektryków zmienia się w szerokim zakresie. Najniższe wartości λ t mają gazy, porowate dielektryki i ciecze (dla powietrza λ t = 0,025 W/(m K), dla wody λ t = 0,58 W/(m K)), dielektryki krystaliczne mają wysokie wartości (dla kwarcu krystalicznego λ t = 12,5 W/(m·K)). Współczynnik przewodzenia ciepła dielektryków zależy od ich budowy (dla topionego kwarcu λ t = 1,25 W/(m·K)) i temperatury.

Rozszerzalność cieplna dielektryki ocenia się na podstawie temperaturowego współczynnika rozszerzalności liniowej: . Materiały o niskiej rozszerzalności cieplnej z reguły mają wyższą odporność na ciepło i odwrotnie. Rozszerzalność cieplna dielektryków organicznych znacznie (dziesiątki i setki razy) przewyższa rozszerzalność dielektryków nieorganicznych. Dlatego stabilność wymiarowa części wykonanych z dielektryków nieorganicznych podczas wahań temperatury jest znacznie wyższa w porównaniu z częściami organicznymi.

1. Prądy absorpcyjne

Prądy absorpcyjne to prądy przemieszczeniowe o różnym typie wolnej polaryzacji. Prądy absorpcyjne przy stałym napięciu płyną w dielektryku aż do ustalenia stanu równowagi, zmieniając swój kierunek przy włączaniu i wyłączaniu napięcia. Przy napięciu przemiennym prądy absorpcyjne płyną przez cały czas, gdy dielektryk znajduje się w polu elektrycznym.

Ogólnie rzecz biorąc, prąd elektryczny J w dielektryku jest sumą prądu przelotowego J sk i prąd absorpcji J ok

j = j sk + J ok.

Prąd absorpcji można określić na podstawie prądu polaryzacji J cm - szybkość zmiany wektora indukcji elektrycznej D

Prąd przelotowy zależy od przeniesienia (ruchu) różnych nośników ładunku w polu elektrycznym.

2. Elektroniczny przewodnictwo elektryczne charakteryzuje się ruchem elektronów pod wpływem pola. Oprócz metali występuje w węglu, tlenkach metali, siarczkach i innych substancjach, a także w wielu półprzewodnikach.

3. jonowy – spowodowane ruchem jonów. Obserwuje się go w roztworach i stopach elektrolitów - soli, kwasów, zasad, a także w wielu dielektrykach. Dzieli się na przewodnictwo wewnętrzne i przewodnictwo zanieczyszczeń. Przewodnictwo wewnętrzne wynika z ruchu jonów powstających podczas dysocjacji Cząsteczki. Ruchowi jonów w polu elektrycznym towarzyszy elektroliza – przeniesienie substancji pomiędzy elektrodami i jej uwolnienie na elektrodach. Ciecze polarne są bardziej zdysocjowane i mają wyższą przewodność elektryczną niż ciecze niepolarne.

W niepolarnych i słabo polarnych ciekłych dielektrykach (oleje mineralne, ciecze silikonowe) o przewodności elektrycznej decydują zanieczyszczenia.

4. Przewodność elektryczna Moliona – spowodowane ruchem naładowanych cząstek tzw mole. Obserwuje się go w układach koloidalnych, emulsjach , zawieszenia . Nazywa się ruch molionów pod wpływem pola elektrycznego elektroforeza. Podczas elektroforezy, w przeciwieństwie do elektrolizy, nie powstają żadne nowe substancje, zmienia się względne stężenie fazy rozproszonej w różnych warstwach cieczy. Przewodnictwo elektroforetyczne obserwuje się na przykład w olejach zawierających zemulgowaną wodę.

Jak wiadomo, otaczające nas powietrze jest mieszaniną kilku gazów, dlatego jest dobrym dielektrykiem. W szczególności dzięki temu w wielu przypadkach można uniknąć konieczności organizowania wokół przewodnika dodatkowych warstw izolacyjnych z dowolnego materiału. Dzisiaj porozmawiamy o przepuszczalności powietrza. Ale może najpierw zacznijmy od zdefiniowania, co dokładnie oznacza termin „dielektryk”.

Wszystkie substancje, w zależności od ich zdolności do przewodzenia prądu elektrycznego, są umownie podzielone na trzy duże grupy: przewodniki, półprzewodniki i dielektryki. Te pierwsze zapewniają minimalny opór ukierunkowanemu przepływowi przez nie naładowanych cząstek. Największą ich grupę stanowią metale (aluminium, miedź, żelazo). Te ostatnie przewodzą prąd w określonych warunkach (krzem, german). Otóż ​​trzeci jest na tyle duży, że prąd przez nie nie przepływa. Uderzającym przykładem jest powietrze.

Co się stanie, gdy substancja wejdzie w strefę działania pola elektrycznego? W przypadku przewodników odpowiedź jest oczywista - powstaje prąd elektryczny (oczywiście w obecności zamkniętego obwodu, który zapewnia „ścieżkę” dla cząstek). Dzieje się tak dlatego, że zmienia się sposób oddziaływania ładunków. Zupełnie inne procesy zachodzą, gdy pole działa na materiał dielektryczny. Badając oddziaływanie cząstek z cząstkami zauważono, że siła oddziaływania zależy nie tylko od wartości liczbowej ładunku, ale także od ośrodka je oddzielającego. Ta ważna cecha nazywana jest „stałą dielektryczną substancji”. W rzeczywistości jest to współczynnik korygujący, ponieważ nie ma wymiaru. Definiuje się ją jako stosunek wartości siły oddziaływania w próżni do wartości w dowolnym ośrodku. Fizyczne znaczenie terminu „stała dielektryczna” jest następujące: wartość ta pokazuje stopień tłumienia pola elektrycznego przez materiał dielektryczny w porównaniu do próżni. Przyczyna tego zjawiska polega na tym, że cząsteczki materiału zużywają energię pola nie na przewodnictwo cząstek, ale na polaryzację.

Wiadomo, że powietrze równa się jedności. Czy to dużo czy mało? Rozwiążmy to. Teraz nie ma potrzeby samodzielnego obliczania wartości liczbowej przepuszczalności dla większości powszechnych substancji, ponieważ wszystkie te dane podano w odpowiednich tabelach. Nawiasem mówiąc, z podobnego stołu wzięto równą jeden. Stała dielektryczna powietrza jest prawie 8 razy mniejsza niż na przykład getinaxu. Znając tę ​​liczbę, a także wartość ładunków i odległość między nimi, można obliczyć siłę ich oddziaływania przy separacji powietrzem lub płytą getinax.

Wzór na siłę jest następujący:

F = (Q1*Q2) / (4* 3,1416* E0*Es*(r*r)),

gdzie Q1 i Q2 to wartości ładunku; E0 - przepuszczalność w próżni (stała równa 8,86 do potęgi -12); Es to stała dielektryczna powietrza („1” lub wartość dla dowolnej innej substancji, zgodnie z tabelą); r jest odległością pomiędzy ładunkami. Wszystkie wymiary brane są zgodnie z systemem SI.

Nie należy mylić dwóch różnych pojęć - „przepuszczalności magnetycznej powietrza” i jej stałej dielektrycznej. Magnetyczny to kolejna cecha każdej substancji, reprezentująca również współczynnik, ale jego znaczenie jest inne - związek i wartości w określonej substancji. We wzorach zastosowano wskaźnik referencyjny – przenikalność magnetyczną dla czystej próżni. Zarówno pierwsza, jak i druga koncepcja służą do wykonywania obliczeń różnych urządzeń elektrycznych.

Stała dielektryczna

Zjawisko polaryzacji ocenia się na podstawie wartości stałej dielektrycznej ε. Parametr ε, który charakteryzuje zdolność materiału do tworzenia pojemności, nazywany jest względną stałą dielektryczną.

Zwykle pomija się słowo „względny”. Należy wziąć pod uwagę, że pojemność elektryczna odcinka izolacyjnego z elektrodami, tj. kondensatora zależy od wymiarów geometrycznych, konfiguracji elektrod i struktury materiału tworzącego dielektryk tego kondensatora.

W próżni ε = 1, a dowolny dielektryk jest zawsze większy od 1. Jeśli C0 - em-

kość, pomiędzy płytkami, których znajduje się próżnia o dowolnym kształcie i rozmiarze, a C jest pojemnością kondensatora o tym samym rozmiarze i kształcie, ale wypełnionego dielektrykiem o stałej dielektrycznej ε, wówczas

Oznaczając przez C0 stałą elektryczną (F/m), równą

С0 = 8,854,10-12,

znajdźmy absolutną stałą dielektryczną

ε’ = ε0 .ε.

Określmy wartości pojemności dla niektórych form dielektryków.

Do kondensatora płytkowego równoległego

С = ε0 ε S/h = 8,854 1О-12 ε S/h.

gdzie S jest polem przekroju elektrody, m2;

h - odległość między elektrodami, m.

Praktyczna wartość stałej dielektrycznej jest bardzo wysoka. Określa nie tylko zdolność materiału do tworzenia pojemności, ale jest także zawarty w szeregu podstawowych równań charakteryzujących procesy fizyczne zachodzące w dielektryku.

Stała dielektryczna gazów, ze względu na ich małą gęstość (ze względu na duże odległości między cząsteczkami), jest niewielka i bliska jedności. Zwykle polaryzacja gazu jest elektronowa lub dipolowa, jeśli cząsteczki są polarne. Im większy promień cząsteczki, tym większe ε gazu. Zmiana liczby cząsteczek gazu na jednostkę objętości gazu (n) wraz ze zmianą temperatury i ciśnienia powoduje zmianę stałej dielektrycznej gazu. Liczba cząsteczek N jest proporcjonalna do ciśnienia i odwrotnie proporcjonalna do temperatury bezwzględnej.

Kiedy zmienia się wilgotność, stała dielektryczna powietrza zmienia się nieznacznie, wprost proporcjonalnie do zmiany wilgotności (w temperaturze pokojowej). W podwyższonych temperaturach wpływ wilgoci znacznie wzrasta. Zależność temperaturową stałej dielektrycznej charakteryzuje się wyrażeniem

T K ε = 1 / ε (dε / dT).

Za pomocą tego wyrażenia można obliczyć względną zmianę stałej dielektrycznej przy zmianie temperatury o 1 0 K - tak zwany współczynnik temperaturowy TC stałej dielektrycznej.

Wartość TC gazu niepolarnego oblicza się ze wzoru

T K ε = (ε -1) / dT.

gdzie T jest temperaturą. DO.

Stała dielektryczna cieczy silnie zależy od ich budowy. Wartości ε cieczy niepolarnych są małe i zbliżone do kwadratu współczynnika załamania światła n 2. Stała dielektryczna cieczy polarnych, które są stosowane jako dielektryki techniczne, waha się od 3,5 do 5, co jest zauważalnie wyższe niż w przypadku cieczy niepolarnych.

Zatem polaryzacja cieczy zawierających cząsteczki dipolowe jest wyznaczana jednocześnie przez polaryzację elektronową i polaryzację dipolowo-relaksacyjną.

Ciecze silnie polarne charakteryzują się dużą wartością ε ze względu na wysoką przewodność. Zależność temperaturowa ε w cieczach dipolowych jest bardziej złożona niż w cieczach obojętnych.

Dlatego ε przy częstotliwości 50 Hz dla chlorowanego bifenylu (savol) szybko rośnie z powodu gwałtownego spadku lepkości cieczy, a dipol

cząsteczki mają czas na zorientowanie się po zmianie temperatury.

Spadek ε następuje na skutek wzmożonego ruchu termicznego cząsteczek, co uniemożliwia ich orientację w kierunku pola elektrycznego.

Dielektryki dzielą się na cztery grupy w zależności od rodzaju polaryzacji:

Pierwsza grupa to jednoskładowe, jednorodne, czyste, bez dodatków, dielektryki, które mają głównie polaryzację elektronową lub gęste upakowanie jonów. Należą do nich niepolarne i słabo polarne stałe dielektryki w stanie krystalicznym lub amorficznym, a także niepolarne i słabo polarne ciecze i gazy.

Druga grupa to dielektryki techniczne o polaryzacji elektronicznej, jonowej i jednocześnie dipolowo-relaksacyjnej. Należą do nich polarne (dipolowe) organiczne substancje półpłynne i stałe, takie jak związki olejowo-kalafoniczne, celuloza, żywice epoksydowe i materiały kompozytowe wykonane z tych substancji.

Trzecia grupa to dielektryki techniczne o polaryzacji jonowej i elektronicznej; dielektryki z polaryzacją relaksacyjną elektroniczną i jonową dzielą się na dwie podgrupy. Pierwsza podgrupa obejmuje głównie substancje krystaliczne z gęstym upakowaniem jonów ε< 3,0.

Do drugiej podgrupy zaliczają się szkła nieorganiczne i materiały zawierające fazę szklistą, a także substancje krystaliczne z luźnym upakowaniem jonów.

Czwarta grupa obejmuje ferroelektryki posiadające polaryzacje spontaniczne, elektroniczne, jonowe, relaksacyjne elektronowo-jonowe, a także migracyjne lub wysokonapięciowe dla materiałów kompozytowych, złożonych i warstwowych.

4.Straty dielektryczne materiałów elektroizolacyjnych. Rodzaje strat dielektrycznych.

Straty dielektryczne to moc rozpraszana w dielektryku pod wpływem pola elektrycznego, powodująca nagrzewanie dielektryka.

Straty w dielektrykach obserwuje się zarówno przy napięciu przemiennym, jak i przy napięciu stałym, ponieważ w materiale wykrywany jest prąd przelotowy spowodowany przewodnością. Przy stałym napięciu, gdy nie ma okresowej polaryzacji, jakość materiału charakteryzuje się, jak wskazano powyżej, wartościami objętości właściwej i rezystancji powierzchniowej. Przy napięciu przemiennym konieczne jest zastosowanie innej cechy jakości materiału, ponieważ w tym przypadku oprócz prądu przelotowego powstają dodatkowe przyczyny, które powodują straty w dielektryku.

Straty dielektryczne w materiale elektroizolacyjnym można scharakteryzować na podstawie strat mocy na jednostkę objętości lub strat specyficznych; Częściej do oceny zdolności dielektryka do rozpraszania mocy w polu elektrycznym stosuje się kąt strat dielektrycznych, a także tangens tego kąta.

Ryż. 3-1. Zależność ładunku od napięcia dla dielektryka liniowego bez strat (a), ze stratami (b)

Kąt strat dielektrycznych to kąt, który uzupełnia do 90° kąt przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i napięciem w obwodzie pojemnościowym. Dla idealnego dielektryka wektor prądu w takim obwodzie będzie wyprzedził wektor napięcia o 90°, natomiast kąt strat dielektrycznych będzie wynosił zero. Im większa jest moc rozproszona w dielektryku, która zamienia się w ciepło, tym mniejszy jest kąt przesunięcia fazowego i tym większy jest kąt i jego funkcja tg.

Z teorii prądów przemiennych wiadomo, że moc czynna

Ra = interfejs użytkownika cos (3-1)

Wyraźmy moce obwodów szeregowych i równoległych za pomocą pojemności Cs i Cp oraz kąta , który jest dopełnieniem kąta do 90°.

Dla obwodu sekwencyjnego, używając wyrażenia (3-1) i odpowiedniego diagramu wektorowego, mamy

Pa = (3-2)

tg = C s r s (3-3)

Do obwodu równoległego

P a =UI a =U 2 C p tg (3-4)

tg = (3-5)

Przyrównując wyrażenia (3-2) i (3-4) oraz (3-3) i (3-5) znajdujemy zależności pomiędzy Cp i Cs oraz pomiędzy rp i rs

C p = C s /1+tg 2 (3-6)

r p = r s (1+ 1/ tg 2 ) (3-7)

W przypadku dielektryków wysokiej jakości można pominąć wartość tg2 w porównaniu z jednością we wzorze (3-8) i uwzględnić Cp Cs C. Wyrażenia na moc rozproszoną w dielektryku będą w tym przypadku takie same dla obu obwodów:

P i U 2 C tg (3-8)

gdzie Ra jest mocą czynną, W; U - napięcie, V; - częstotliwość kątowa, s-1; C - pojemność, F.

Rezystancja rr w obwodzie równoległym, jak wynika z wyrażenia (3-7), jest wielokrotnie większa od rezystancji rs. Wyrażenie na właściwe straty dielektryczne, czyli moc wydzielaną na jednostkę objętości dielektryka, ma postać:

(3-9)

gdzie p – straty właściwe, W/m3; =2 – częstotliwość kątowa, s-1, E – natężenie pola elektrycznego, V/m.

Rzeczywiście pojemność między przeciwległymi ścianami sześcianu o boku 1 m będzie wynosić

C1 = 0 r, reaktywny składnik przewodnictwa

(3-10)

składnik aktywny

Po określeniu jakąś metodą przy określonej częstotliwości parametrów zastępczego obwodu badanego dielektryka (Cp i rr lub Cs i rs), ogólnie rzecz biorąc, nie można uznać uzyskanych wartości pojemności i rezystancji za nieodłączne od danego kondensatora i wykorzystać te dane do obliczenia kąta strat przy innej częstotliwości. Takie obliczenie można wykonać tylko wtedy, gdy obwód zastępczy ma określoną podstawę fizyczną. Tak więc, na przykład, jeśli dla danego dielektryka wiadomo, że straty w nim są określone jedynie przez straty z przewodnictwa elektrycznego w szerokim zakresie częstotliwości, to kąt strat kondensatora z takim dielektrykiem można obliczyć dla dowolnej częstotliwości leżącego w tym zakresie

tg =1/Crp (3-12)

gdzie C i rp to stała pojemność i rezystancja mierzona przy danej częstotliwości.

Straty w takim kondensatorze, jak łatwo zauważyć, nie zależą od częstotliwości:

Pa=U2/rp (3-13)

wręcz przeciwnie, jeśli o stratach w kondensatorze decyduje głównie rezystancja przewodów zasilających, a także rezystancja samych elektrod (na przykład cienka warstwa srebra), wówczas moc rozproszona w takim kondensatorze będzie wzrost proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości:

Pa=U2 C tg =U2 C Crs=U2 2C2rs (3-14)

Z tego ostatniego wyrażenia możemy wyciągnąć bardzo ważny wniosek praktyczny: kondensatory przeznaczone do pracy przy wysokich częstotliwościach powinny mieć możliwie najniższą rezystancję zarówno elektrod, jak i przewodów łączących i styków przejściowych.

Straty dielektryczne, ze względu na ich charakterystykę i charakter fizyczny, można podzielić na cztery główne typy:

1) straty dielektryczne spowodowane polaryzacją;

2) straty dielektryczne spowodowane przewodnością elektryczną;

straty dielektryczne jonizacji;

straty dielektryczne spowodowane niejednorodnością strukturalną.

Straty dielektryczne spowodowane polaryzacją są szczególnie wyraźnie widoczne w substancjach o polaryzacji relaksacyjnej: w dielektrykach o strukturze dipolowej i w dielektrykach o strukturze jonowej z luźnym upakowaniem jonów.

Relaksacyjne straty dielektryczne powstają na skutek zakłócenia ruchu termicznego cząstek pod wpływem sił pola elektrycznego.

Straty dielektryczne obserwowane w ferroelektrykach są związane ze zjawiskiem polaryzacji spontanicznej. Dlatego straty w ferroelektrykach są znaczne w temperaturach poniżej punktu Curie, gdy obserwuje się spontaniczną polaryzację. W temperaturach powyżej punktu Curie straty w ferroelektrykach maleją. Starzeniu elektrycznemu ferroelektryka towarzyszy nieznaczny spadek strat w czasie.

Straty dielektryczne spowodowane polaryzacją obejmują także tzw. straty rezonansowe, które pojawiają się w dielektrykach przy wysokich częstotliwościach. Ten rodzaj strat obserwuje się szczególnie wyraźnie w niektórych gazach przy ściśle określonej częstotliwości i wyraża się w intensywnej absorpcji energii pola elektrycznego.

Straty rezonansowe są również możliwe w ciałach stałych, jeśli częstotliwość drgań wymuszonych wywołanych polem elektrycznym pokrywa się z częstotliwością drgań własnych cząstek ciała stałego. Obecność maksimum w zależności częstotliwościowej tg jest również charakterystyczna dla mechanizmu strat rezonansowych, jednak w tym przypadku temperatura nie ma wpływu na położenie maksimum.

Straty dielektryczne spowodowane przez przewodnictwo elektryczne występują w dielektrykach, które mają zauważalną przewodność objętościową lub powierzchniową.

Styczną straty dielektrycznej w tym przypadku można obliczyć za pomocą wzoru

Straty dielektryczne tego typu nie zależą od częstotliwości pola; tg maleje wraz z częstotliwością zgodnie z prawem hiperbolicznym.

Straty dielektryczne spowodowane przewodnością elektryczną rosną wraz z temperaturą zgodnie z prawem wykładniczym

PaT=Aexp(-b/T) (3-16)

gdzie A, b są stałymi materiałowymi. Wzór (3-16) można w przybliżeniu przepisać w następujący sposób:

PaT=Pa0exp(t) (3-17)

gdzie PaT - straty w temperaturze t, °C; Pa0 - straty w temperaturze 0°C; - stała materiałowa.

Styczna straty dielektrycznej zmienia się wraz z temperaturą zgodnie z tym samym prawem, które zostało użyte do przybliżenia zależności Pa od temperatury, ponieważ zmianę pojemności w temperaturze można pominąć.

Straty dielektryczne jonizacji są charakterystyczne dla dielektryków i stanu gazowego; Straty jonizacyjne objawiają się nierównomiernym polem elektrycznym o natężeniu przekraczającym wartość odpowiadającą początkowi jonizacji danego gazu. Straty jonizacyjne można obliczyć za pomocą wzoru

Pa.u=A1f(U-Ui)3 (3-18)

gdzie A1 jest stałym współczynnikiem; f - częstotliwość pola; U - przyłożone napięcie; Ui to napięcie odpowiadające początkowi jonizacji.

Wzór (3-18) obowiązuje dla U > Ui i liniowej zależności tg od E. Napięcie jonizacji Ui zależy od ciśnienia, pod jakim znajduje się gaz, gdyż rozwój jonizacji uderzeniowej cząsteczek jest powiązany ze średnią swobodną droga nośników ładunku.

Straty dielektryczne spowodowane niejednorodnością strukturalną obserwuje się w dielektrykach warstwowych, z impregnowanego papieru i tkaniny, w wypełnionych tworzywach sztucznych, w porowatej ceramice w mikanicie, micaleksie itp.

Ze względu na różnorodność budowy niejednorodnych dielektryków oraz charakterystykę zawartych w nich składników, nie ma ogólnego wzoru na obliczanie tego typu strat dielektrycznych.