ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2 ДОСЛІДЖЕННЯ ЯВИЩА ПОЛЯРИЗАЦІЇ ТА ВТРАТ В ДІЕЛЕКТРИЧНИХ МАТЕРІАЛАХ


Мета роботи: провести комп’ютерне моделювання та дослідити вплив температури на явище поляризації та величину діелектричних втрат в діелектриках. Ознайомитись з методикою визначення їх відносної діелектричної проникності.

2.1 Основні теоретичні відомості

Для будь-якого діелектрика характерним процесом, що виникає при дії на нього електричного поля, є поляризація – обмежений зсув зв'язаних зарядів або орієнтація дипольних молекул.

Про явища, зумовлені поляризацією діелектрика, можна судити за значенням діелектричної проникливості, а також кута діелектричних утрат, якщо поляризація діелектрика супроводжується розсіюванням енергії, що викликає нагрівання діелектрика. У нагріванні технічного діелектрика можуть брати участь нечисленні вільні заряди, які зумовлюють виникнення під впливом електричного поля малого наскрізного струму.

Під впливом електричного поля зв'язані електричні заряди діелектрика зміщаються в напрямку діючих на них сил і тим більше, чим вища напруженість поля. При знятті електричного поля заряди повертаються в початковий стан. У полярних діелектриках, що містять дипольні молекули, вплив електричного поля викликає орієнтацію диполів, при відсутності поля диполі знаходяться в тепловому русі.

Більшість діелектриків характеризується лінійною залежністю електричного зміщення від напруженості електричного поля, створеного в діелектрику. Особливу групу складають діелектрики, у яких зі зміною напруженості поля електричне зміщення залежить нелінійно. Такі діелектрики називаються сегнетоелектриками. Назва “сегнетоелектрик” пов'язана з тим, що нелінійність поляризації вперше була виявлена в сегнетовій солі.

Будь-який діелектрик з нанесеними на нього електродами і включений в електричне коло, можна уявити як конденсатор певної ємності (рис. 2, а).

Заряд конденсатора визначається:

де С – ємність конденсатора;
U – прикладена до нього напруга.

Рисунок 2.1 – Діелектрик складної сполуки з різними механізмами поляризації в електричному полі (а) та еквівалентна схема його заміщення (б)

Заряд конденсатора Q при заданому значенні прикладеної напруги складається з двох складових: Q0 – заряду, коли між пластинами конденсатора є вакуум, і Qд – заряду конденсатора з діелектриком:

Однією з найважливіших характеристик діелектрика є відносна діелектрична проникність.

Ця величина являє собою відношення заряду, отриманого при деякій напрузі на конденсаторі, що містить даний діелектрик, до заряду конденсатора тих же розмірів, якби між пластинами був вакуум:

З виразу (2.3) випливає, що відносна діелектрична проникність будь-якої речовини більше одиниці і дорівнює одиниці тільки у випадку вакууму.

Співвідношення (2.1), наведене вище, може бути подане у вигляді:

де С0 – ємність конденсатора, коли між його пластинами є вакуум.

З формули (2.4) видно, що діелектричну проникність речовини e можна визначити як відношення ємності конденсатора з даним діелектриком до ємності конденсатора тих же розмірів, діелектриком якого є вакуум.

Поляризація діелектриків залежно від агрегатного стану і структури поділяється на два основних види.

До першого виду відносять поляризацію, що відбувається в діелектрику під впливом електричного поля практично миттєво, пружно, без розсіювання енергії, тобто без виділення тепла. Другий вид поляризації не відбувається миттєво, а наростає й убуває уповільнено і супроводжується розсіюванням енергії в діелектрику, тобто його нагріванням. Такий вид поляризації називають релаксаційною поляризацією.

До першого виду поляризації відносять електронну та іонну, інші механізми належать до релаксаційної поляризації. Особливим механізмом поляризації є резонансна, що спостерігається в діелектриках при світлових частотах, а тому малоістотна для практичної електротехніки.

Ємність конденсатора з діелектриком і накопичений у ньому електричний заряд обумовлюються сумою різних механізмів поляризації. Вони можуть спостерігатися в різних діелектриках, кілька механізмів одночасно може існувати в одному й тому самому матеріалі.

Еквівалентна схема заміщення діелектрика, у якому існують різні механізми поляризації, містить ряд ємностей, включених паралельно джерелу напруги U, як це показано на рис. 2.1, б.

Ємність С0 і заряд Q0 відповідають власному полю конденсатора, якщо між його пластинами є вакуум. Величини Се і Qе відповідають електронній поляризації.

Електронна поляризація являє собою пружне зміщення і деформацію електронних оболонок атомів. Час встановлення електронної поляризації (10-15 с). Електронна поляризація спостерігається в усіх видах діелектриків і не пов'язана з втратою енергії.

Іонна поляризація (Сі і Qі) характерна для твердих тіл з іонною структурою й обумовлена пружним зміщенням зв'язаних іонів. Час встановлення іонної поляризації (10-13 с).

Дипольно-релаксаційна поляризація (Сд-р, Qд-р, rд-р) відрізняється від електронної та іонної тим, що вона пов'язана з орієнтацією дипольних молекул, що перебувають в хаотичному русі, під дією електричного поля. Дипольна поляризація характерна для полярних газів і рідин. Цей вид поляризації може спостерігатися також і у твердих полярних органічних речовинах, але в цьому випадку поляризація зумовлена вже не поворотом самої молекули, а поворотом наявних у ній радикалів відносно молекули. Прикладом речовини з цим видом поляризації є целюлоза, полярність якої пояснюється наявністю гідроксильних груп ОН.

У кристалах з молекулярними ґратками і слабкими вандерваальсовими зв'язками можлива орієнтація і більш великих часток.

Іонно-релаксаційна поляризація (Сі-р, Qі-р, rі-р) спостерігається в неорганічних речовинах з нещільним упакуванням іонів. У цьому випадку слабко зв'язані іони речовини під дією зовнішнього електричного поля орієнтуються в напрямку поля. З підвищенням температури іонно-релаксаційна поляризація помітно підсилюється.

Електронно-релаксаційна поляризація (Се-р, Qе-р, rе-р) відрізняється від електронної та іонної і виникає за рахунок збуджених тепловою енергією надлишкових (дефектних) електронів або дірок.

Міграційна поляризація (См, Qм, rм) характерна для твердих тіл неоднорідної структури при макроскопічних неоднорідностях і наявності домішок. Ця поляризація виявляється при низьких частотах і пов'язана зі значним розсіюванням електричної енергії. Причинами такої поляризації є провідні і напівпровідні включення в технічних діелектриках, наявність шарів з різною провідністю та інші.

При внесенні неоднорідних матеріалів в електричне поле вільні електрони й іони провідних і напівпровідних включень переміщаються в межах кожного включення, утворюючи великі поляризовані області.

На рис. 2.1 штриховими лініями показані також Ссп, Qcn і rсп, що їх відносять до механізму самовільної (спонтанної) поляризації. Цей вид поляризації характерний для сегнетоелектриків. У речовинах з самовільною поляризацією є окремі області (домени), що мають діелектричний момент при відсутності зовнішнього поля. Орієнтація електричних моментів у різних доменах різна. Накладення зовнішнього поля сприяє переважній орієнтації електричних моментів доменів у напрямку поля, що дає ефект дуже сильної поляризації. На відміну від інших видів поляризації при деякому значенні напруженості зовнішнього поля настає насичення і не приводить до зростання інтенсивності поляризації. Тому діелектрична проникність при спонтанній поляризації залежить від напруженості електричного поля. У температурній залежності спостерігається один або кілька максимумів. У змінних електричних полях матеріали з самовільною поляризацією характеризуються значним розсіюванням енергії.

Залежно від виду поляризації всі діелектрики діляться на кілька груп. До першої групи можна віднести діелектрики, яким характерна в основному, тільки електронна поляризація, наприклад, неполярні і слабополярні тверді речовини в кристалічному і аморфному станах (парафін, сірка, полістирол), а також неполярні і слабополярні рідини і гази (бензол, водень і ін.).

До другої групи належать діелектрики, що мають одночасно електронну і дипольно-релаксаційну поляризацію. До них належать полярні (дипольні) органічні, напіврідкі і тверді речовини (масляно-каніфольні компаунди, епоксидні смоли, целюлоза, деякі хлоровані вуглеводні та інші).

Третю групу складають тверді неорганічні діелектрики з електронною, іонною та іонно-електронно-релаксаційними поляризаціями. У цій групі доцільно виділити дві підгрупи матеріалів через істотне розходження їхніх електричних характеристик:

  • діелектрики з електронною та іонною поляризаціями,
  • діелектрики з електронною, іонною й релаксаційними поляризаціями.

До першої переважно відносять кристалічні речовини з щільним упакуванням іонів (кварц, слюда, кам'яна сіль, корунд, рутил). До другої належать неорганічне скло, матеріали, що містять склоподібну фазу (порцеляна, мікалекс), та кристалічні діелектрики з нещільним упакуванням іонів у ґратках.

Четверту групу складають сегнетоелектрики, що характеризуються спонтанною, електронною, іонною та електронно-іонно-релаксаційною поляризаціями: сегнетова сіль, метатитанат барію та інші.

Наведена вище класифікація діелектриків дозволяє визначати їх основні електричні властивості.

Діелектричні втрати – важливий параметр діелектрика. Діелектричні втрати призводять до нагрівання діелектрика, а зміна температури – призводить до старіння матеріалу, що, звісно, у свою чергу, призводить до скорочення терміну служби обладнання.

Діелектричні втрати за їх особливостями і фізичною природою можна розділити на чотири основних види:

  • діелектричні втрати, обумовлені поляризацією;
  • діелектричні втрати наскрізної електропровідності;
  • іонізаційні діелектричні втрати;
  • діелектричні втрати, обумовлені неоднорідністю структури.

Перший вид – особливо чітко спостерігається у речовинах, що мають релаксаційну поляризацію: в діелектриках дипольної та іонної структури з нещільним упакуванням іонів. Релаксаційні діелектричні втрати викликають порушення теплового руху частинок під впливом електричного поля. Це порушення призводить до розсіювання енергії і нагрівання діелектрика.

Діелектричні втрати в сегнетоелектриках пов’язані з явищем спонтанної поляризації. Втрати в сегнетоелектриках є значними при температурі, нижчій точки Кюрі; при температурі, більшій точки Кюрі, втрати в сегнетоелектриках зменшуються. Резонансні втрати теж обумовлені поляризацією, проявляються в деяких газах при чітко визначеній частоті.

Другий вид – характерний для діелектриків, що мають змінну електропровідність (об’ємну чи поверхневу). Діелектричні втрати зростають з підвищенням температури за експоненціальним законом.

де А, b – постійні матеріалу.

Наближений вираз:

де РТ – втрати при певній температурі t0С;
P0 – втрати при t0 = 00С;
α – постійна матеріалу.

Третій вид – властивий діелектрикам у газоподібному стані. Іонізаційні втрати проявляються в неоднорідних електричних полях при напруженостях, що перевищують значенням початку іонізації даного газу.

Іонізаційні втрати обчислюються за формулою:

де А1 – постійний коефіцієнт;
f – частота електричного поля;
U – прикладена напруга;
U0 – напруга, що відповідає початку іонізації.

Формула справедлива при U>U0 і лінійній залежності tg δ від Е. U0 залежить від тиску, оскільки розвиток ударної іонізації молекул залежить від довжини вільного пробігу носіїв заряду. Таким чином, із збільшенням тиску газу величина напруги початку іонізації зростає.

Четвертий вид – спостерігається у діелектриках із просоченого паперу і тканини, у пластмасах з наповнювачем, в пористій кераміці та слюді.

Оскільки структура неоднорідних діелектриків і їх компонентів є досить різною, то не існує загальної формули розрахунку діелектричних втрат у цьому випадку.

Якщо напруженість поля менше напруженості, необхідної для початку ударної іонізації молекул газу, то діелектричні втрати в газах дуже малі, і гази у цьому випадку розглядаються як ідеальний діелектрик.

На рис. 2.2 наведена залежність tgd = f (U) для газової ізоляції.

Рисунок 2.2 – Іонізаційна характеристика ізоляції

При напрузі U0 відбувається початок іонізації газу, а при напрузі U1 газ уже іонізований і енергія на процес іонізації не витрачається.

На лініях електропередачі високої напруги втрати на іонізацію повітря біля поверхні провідників понижують коефіцієнт її корисної дії. У неполярних рідинах електричні втрати зумовлені лише електропровідністю, якщо рідина не має домішок з дипольними молекулами (наприклад, очищене нафтове конденсаторне масло).

Полярні рідини (наприклад, совол) від умов температури, частоти можуть мати досить великі діелектричні втрати, пов’язані з дипольно-релаксаційною поляризацією, крім втрат, зумовлених електропровідністю.

У техніці використовуються рідкі діелектрики, що являють собою суміші неполярних і полярних речовин (наприклад, масляно-каніфольні компаунди).

При підвищенні частоти ω максимум tg δ зміщується в область більш високої температури: більша частота потребує меншого часу релаксації, необхідного для отримання максимуму кута втрат δ, а для зменшення часу релаксації необхідне зниження в’язкості, тобто підвищення температури.

Час релаксації – час, за який впорядкованість зорієнтованих електричним полем диполів після зняття поля зменшується за рахунок наявності теплового руху в е » 2,7 раза від початкового значення.

На рис. 2.3 показані області, що характеризують:

1 – якщо в’язкість речовини велика, (при малих t0), то молекули не встигають зорієнтуватися при змінні поля і дипольно-релаксаційна поляризація зникає – tg δ малий (початок кривих);

2 – при середніх в’язкостях дипольні втрати можуть бути суттєві і при деякому значенні в’язкості мають максимум;

3 – дипольні втрати будуть такими малими, коли орієнтація молекул відбувається без тертя (мінімум кривої);

4 – подальший ріст tg δ з підвищенням t0 пояснюється ростом електропровідності (за рахунок діелектричних втрат наскрізної електропровідності).

Рисунок 2.3 – Залежність tg δ від t ○С при різних частотах для масляно-каніфольного компаунда

Діелектричні втрати в твердих діелектриках розглядають залежно від їх структури. За структурою тверді діелектрики поділяються на 4 групи:

  • діелектрики молекулярної структури;
  • діелектрики іонної структури;
  • сегнетоелектрики;
  • діелектрики неоднорідної структури.

Діелектричні  втрати  в  діелектриках  молекулярної  структури.

Якщо молекули – неполярні, а речовини не мають домішок, то діелектричні втрати дуже-дуже малі (сіра, парафін, неполярні полімери – поліетилен, політетрафторетилен, полістирол і інші). Тому ці речовини використовуються як якісні високочастотні діелектрики.

Діелектрики молекулярної структури з полярними молекулами головним чином є органічними речовинами (речовини на базі целюлози – папір, картон та інші); полярні полімери (полілетилметакрилат, органічне скло); поліаміди (капрон та інші); поліуретани, каучукові матеріали (ебоніт); фенолоформальдегідні смоли (бекаліт та інші); ефіри целюлози (ацетил-целюлоза та інші) і низка інших матеріалів.

Усі вони завдяки дипольно-релаксаційній поляризації мають великі діелектричні втрати (рис. 2.4), які суттєво залежать від температури (при деяких температурах визначаються максимум і мінімум втрат, ріст втрат після мінімуму пояснюється збільшенням втрат наскрізної провідності).

Рисунок 2.4 – Залежність tg δ від температури для висушеного паперу

Діелектричні  втрати твердих речовин іонної структури. У речовинах кристалічної структури зі щільним упакуванням іонів при відсутності домішок діелектричні втрати досить малі. При підвищених температурах в таких речовинах з’являються втрати від наскрізної електропровідності, наприклад, у кам’яній солі та інших.

Речовини з кристалічною структурою з нещільним упакуванням іонів характеризуються релаксаційною поляризацією, що викликає підвищені діелектричні втрати. Для більшості видів електрокераміки кількість іонів релаксаційної поляризації безперервно зростає з ростом температури, максимум tg δ відсутній (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Температурна залежність tg δ титанової кераміки при f = 50 Гц

Діелектричні втрати в аморфних речовинах іонної структури (неорганічне скло) пов’язані з поляризацією та наявністю електропровідності.

Втрати мало залежать від t0 і зростають прямо пропорційно частоті. Такі втрати зумовлені релаксаційною поляризацією і суттєво виражені в технічному склі. Термічна обробка помітно впливає на кут діелектричних втрат скла у зв’язку зі зміною його структури.

Діелектричні втрати в сегнетоелектриках. Їх особливість – наявність самовільної поляризації, що з’являється в певному температурному інтервалі до точки Кюрі.

Діелектричні втрати в сегнетоелектриках мало змінюються з температурою в області спонтанної поляризації і різко падають при температурі t○ С, більшій точки Кюрі, коли сегнетоелектричні властивості втрачаються.

Діелектричні втрати у твердих речовинах неоднорідної структури.

Це матеріали, до складу яких входять не менше двох компонентів, механічно пов’язаних між собою, наприклад, кераміка. У складі кераміки розрізняють кристалічну, скловидну фазу і газові включення у закритих порах. Газові включення приводять до збільшення діелектричних втрат при високих напруженостях поля внаслідок розвитку іонізації.

Просочений папір також слід віднести до діелектриків з неоднорідною структурою. Його діелектричні втрати визначаються електричними властивостями обох компонентів, їх кількісним співвідношенням і залишковими повітряними включеннями.

На рис. 2.6 показана залежність tg d від t○С для конденсаторного паперу. Вона має два максимуми: перший (при низьких температурах) характеризує дипольно-радикальні втрати самого паперу (целюлози), другий (при більш високій температурі), обумовлений дипольно-релаксаційними втратами просочувального компаунда.

У сучасній електроізоляційній техніці неоднорідні діелектрики мають досить широке використання.

Рисунок 2.6 – Залежність tg δ від t0 С для конденсаторного паперу, просоченого компаундом (80% каніфолі, 20% трансформаторного масла)

2.2 Послідовність виконання роботи

2.2.1 Активізувати комп’ютерну програму “Лабораторна робота № 2” (“Дослідження явища поляризації та втрат в діелектричних матеріалах”).

2.2.2 Увімкнути віртуальні “Міст змінного струму Р5079” та “Вимірювач температури” (рис. 2.7).

2.2.3 Помістити площинний конденсатор зі зразком досліджуваного діелектрика в термостат. Для цього необхідно “мишкою” активізувати позицію “Папір конденсаторний” в таблиці “Вибір діелектрика”.

2.2.4 Увімкнути “Термостат”.

2.2.5 Виміряти величини електричної ємності С та тангенса кута діелектричних втрат tg δ досліджуваного зразка діелектрика залежно від температури to C. Температуру змінювати в інтервалі від 20 °C до 120 °C через кожні 10 oC.

2.2.6 Результати вимірювань занести до таблиці 2.1.

2.2.7 Вимкнути “Термостат”.

Рисунок 2.7 – Схема дослідної установки

2.2.8 Повторити пп. 2.2.3–2.2.6 для зразків інших діелектриків:

  • полівінілхлориду;
  • поліетілену;
  • слюди мусковіт;
  • кераміки стеатитової.

Результати вимірювань занести до таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Дані дослідів та розрахунків

2.3 Обробка експериментальних даних

2.3.1 За формулами, наведеними в таблиці 2.2, розрахувати відносні діелектричні проникності ε для різних зразків досліджуваних діелектричних матеріалів. Результати розрахунків занести до табл. 2.1 Параметри зразків наведені в табл. 2.2.

2.3.2 За результатами вимірювань побудувати в одній системі координат функціональні залежності ємності С конденсатора від температури С = f (to) з кожним із досліджуваних діелектриків.

2.3.3 За результатами розрахунків п. 2.3.1 побудувати в одній системі координат функціональні залежності відносної діелектричної проникності від температури ε = f (to).

Таблиця 2.2 – Результати розрахунків

2.3.4 За результатами вимірювань побудувати в одній системі координат функціональні залежності тангенса кута діелектричних втрат у досліджуваних діелектриках від температури tg δ = f (to).

2.3.5 Зробити висновки.

2.4 Зміст звіту

2.4.1 Назва та мета лабораторної роботи.

2.4.2 Порядок виконання лабораторної роботи.

2.4.3 Таблиці з виміряними та розрахованими даними.

2.4.4 Графіки залежностей.

2.4.5 Результати розрахунків.

2.4.6 Висновки за результатами виконаної роботи.

2.4.7 Список використаної літератури.

2.5 Контрольні питання

2.5.1 Назвіть діелектричні матеріали, які використовують при виготовленні елементної бази електронної апаратури.

2.5.2 Дайте означення поляризації діелектриків.

2.5.3 Назвіть види поляризації.

2.5.4 Що таке діелектрична проникність?

2.5.5 Дайте означення втрат в діелектриках.

2.5.6 Що таке тангенс кута діелектричних втрат?

2.5.7 Дайте означення конденсатора.