Зависимость диэлектрической проницаемости различных типов твердых диэлектриков от температуры и частоты

Содержание

1. Зависимость диэлектрической проницаемости различных типов твердых диэлектриков от температуры и частоты……………………………………..2

Поляризация диэлектриков…………………………………………………….2

Электронная поляризация……………………………………………………...3

Ионная поляризация…………………………………………………………….4

  Дипольно-релаксационная поляризация…………………………………….5

  Электронно-релаксационная поляризация………………………………….8

2. Важнейшие виды лакотканей. ………………………………………………10

Классы нагревостойкости лакотканей………………………………………12

3. Сравнение свойств алюминия со свойствами меди………………………...14

Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Зависимость диэлектрической проницаемости различных типов твердых диэлектриков от температуры и частоты.

 

Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур. Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

При наложении электрического напряжения в диэлектрике, представляющем сложную электрическую систему, протекают разнообразные электрические процессы, связанные с его поляризацией, электрической проводимостью. В случае очень большого напряжения может произойти разрушение диэлектрика, называемое пробоем. Эти процессы определяют свойства диэлектриков, а, следовательно, надежность их работы в радиоустройствах. 

Поляризация диэлектриков

Поляризация – ограниченное смещение, связанных зарядов или ориентация дипольных молекул под действием внешнего электрического поля, при этом внутри диэлектрика создается собственное поле, направленное в сторону строго противоположную внешнему полю.

Основные виды поляризации

Величина заряда, накопленная в конденсаторе со сложным диэлектриком, обусловлена суммой различных механизмов поляризации, присущих данному диэлектрику.

Поэтому эквивалентной схемой замещения диэлектрика, в которой проявляются различные виды поляризации, служит ряд емкостей, включенных параллельно источнику питания (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Эквивалентная схема замещения диэлектрика с различными видами поляризации

Заряд   и емкость   соответствуют собственному полю электродов, если между ними нет диэлектрика (вакуум).

– электронная поляризация;

– ионная поляризация;

– электронно-релаксационная поляризация;

– ионно-релаксационная поляризация;

– дипольно-релаксационная поляризация;

– миграционная поляризация;

– спонтанная поляризация (самопроизвольная);

– обобщенное сопротивление изоляции диэлектрика сквозному току утечки.

Электронная поляризация

Электронная поляризация представляет упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время установления электронной поляризации очень маленькое и составляет  с.

Величина   примерно равна квадрату показателя преломления света   в данной среде:                                               ,

где   – справочная величина, установленная для каждого материала.

Смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов, как явление, не зависит от температуры нагрева диэлектрика. Однако, с повышением температуры в связи с температурным расширением плотность материала уменьшается, число частиц в единице объема уменьшается и способность к поляризации также уменьшается (рис. 1.2). 

Рисунок 1.2 – Температурная зависимость   для электронной поляризации.

Наиболее резкие изменения диэлектрической проницаемости от температуры характерны диэлектрикам (твердым и жидким) при достижении температуры фазового перехода (из твердого в жидкое, рис. 1.2; из жидкого в газообразное).                    Температурная зависимость   характеризуется температурным коэффициентом  :  , 1/К

Электронная поляризация в чистом виде наблюдается в нейтральных диэлектриках.

Очень важно знать поведение диэлектрика и изменение диэлектрической проницаемости в переменных полях с изменяющейся частотой. Для электронной поляризации характерным является то, что диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты изменения поля (см. рис. 1.3). Это объясняется тем, что время установления поляризации очень мало.

Рисунок 1.3 – Частотная зависимость   для диэлектриков с чисто электронной поляризацией

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков, и не связана с рассеиванием энергии.

Ионная поляризация

Ионная поляризация характерна для твердых диэлектриков с ионным строением, и обуславливается упругим смещением ионов на расстояния меньшие постоянной решетки.

Наблюдается в веществах кристаллического строения с плотной упаковкой ионов. Время установления поляризации мало и составляет  с.

С увеличением температуры поляризация возрастает, поскольку температурное расширение, удаляя ионы, друг от друга ослабляет действующие между ними упругие силы, т.е. для ионных соединений характерен положительный температурный коэффициент  . Для диэлектрика с ионным строением имеет смысл рассматривать температурную зависимость   в пределах твердого состояния (см. рис. 1.4). При расплавлении ионные соединения становятся проводниками второго рода.

Рисунок 1.4 – Температурная зависимость   для диэлектриков с ионной поляризацией

Материалы с ионным строением с плотной упаковкой ионов отличаются тем, что их диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты изменения поля, так как время установления поляризации очень мало.

Ионная поляризация не сопровождается затратами энергии и поэтому в схеме замещения отсутствует активный элемент – резистор.

Дипольно-релаксационная поляризация

Дипольно-релаксационная поляризация связана с ориентацией дипольных молекул, т.е. полярных молекул под действием электрического поля. Она возможна, если молекулярные силы не препятствуют ориентации диполей вдоль поля. Материалы с дипольно-релаксационной поляризацией характеризуются временем релаксации  , которое фактически является временем саморазряда конденсатора.

Время релаксации  – это время в течение, которого ориентация дипольных молекул после снятия электрического поля уменьшается в е раз, т.е. в 2,7 раза по сравнению с первоначальным значением (см. рис. 7.12). Время релаксации является внутренним параметром диэлектрика с дипольно-релаксационной поляризацией, которое существенно зависит от плотности вещества или вязкости вещества. При более высокой температуре вязкость вещества уменьшается и время релаксации уменьшается.

 

Рисунок 1.5 – Процесс заряда и разряда конденсатора. Графический способ определения времени   методом касательной

C увеличением температуры: с одной стороны молекулярные  силы ослабевают и это усиливает поляризацию, а с другой стороны постепенно начинает нарастать тепловое хаотическое движение. Оно разрушает поляризацию.

В результате температурной зависимости   наблюдается максимум (см. рис. 1.6).

Рисунок 1.6 – Температурная зависимость   для диэлектриков с дипольно-релаксационной поляризацией для разных фиксированных частот   и  .

Максимум   для дипольно-релаксационной поляризации наблюдается тогда, когда время релаксации   будет равно полупериоду действующего поля:

,

где   – частота изменения электрического поля, Гц.

С повышением частоты максимум   в температурной зависимости смещается в область высоких температур, так как большая частота требует меньшего времени релаксации, а меньшее время релаксации может быть получено при более высокой температуре.

Частотная зависимость   у диэлектриков с дипольно-релаксационной поляризацией существенно отличается от частотной зависимости   диэлектриков с электронной и ионной поляризацией. В данном случае   определяется суммарным действием дипольно-релаксационной и электронной поляризаций (см. рис 1.7).

Рисунок 1.7 – Частотная зависимость   для диэлектриков с дипольно- релаксационной поляризацией.

По мере увеличения частоты дипольные молекулы могут не успевать ориентироваться за изменением электрического поля. В этом случае величина диэлектрической проницаемости снижается до уровня электронной поляризации, которая по максимуму не превосходит 2,5. Этому случаю соответствует определенная граничная частота  , которую можно найти из выражения:

.

С повышением температуры, например, с   до   граничная частота увеличивается, так как при большей температуре вязкость вещества уменьшается и время релаксации также уменьшается. В соответствии с приведенным ранее условием   четко видно, что граничная частота должна быть больше.

Данный вид поляризации сопровождается значительными потерями, поэтому в схеме замещения последовательно с емкостью   включается активный элемент – резистор.

Электронно-релаксационная поляризация

Электронно-релаксационная поляризация отличается от электронной и ионной поляризаций и возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или "дырок".

Электронно-релаксационная поляризация характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления света  , большим внутренним полем и электронной электропроводностью. Например: диоксид титана, загрязненный примесями   (ниобий),  (кальций),  (барий); некоторые соединения на основе оксидов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута.

Зависимость   для сегнетоэлектриков используется в создании варикондов, т.е. специальных конденсаторов, величина электрической емкости которых зависит от величины приложенного напряжения.

В температурной зависимости   может наблюдается один или несколько максимумов. Для них характерно наличие точки Кюри (см. рис. 1.8).

Рисунок 1.8 – Температурная зависимость   для сегнетоэлектриков

При подходе к температуре, соответствующей точки Кюри, по мере нагрева материала в нем происходит перестроение кристаллической структуры и это усиливает поляризацию. Однако постепенно усиливается тепловое хаотическое движение. При достижении температуры, соответствующей точки Кюри, преобладающим фактором является тепловое хаотическое движение. Оно разрушает поляризацию и диэлектрическая проницаемость   резко уменьшается.

Это явление используется в создании специальных терморезисторов с положительным температурным коэффициентом сопротивления, которые называются позисторами. Температурная зависимость электрического сопротивления   позисторов приближается к релейной, т.е. при достижении температуры срабатывания их величина электрического сопротивления увеличивается на несколько порядков, что может быть использовано для самоограничения тока в электрической цепи (см. рис. 1.9).

Рисунок 1.9 – Температурная зависимость электрического сопротивления терморезисторов-позисторов на базе сегнетоэлектриков

Эти позисторы могут быть использованы в качестве датчиков температуры для защиты электрических машин, аппаратов и др. от чрезмерного перегрева, а также могут быть использованы в качестве специальных нагревательных элементов с эффектом самоограничения тока при достижении температуры срабатывания.

Для сегнетоэлектриков характерно явление гистерезиса, учитывая нелинейную зависимость D(E). Петля гистерезиса и характерные точки на ней показаны на рис. 1.10.

Рисунок 1.10– Петля гистерезиса и характерные точки на ней, полученная при воздействии на сегнетоэлектрик переменного электрического поля

 – максимальное значение электрической индукции (условно со знаком "+") и соответствующее ей максимальное значение напряженности электрического поля  ;

 – остаточная электрическая индукция при напряженности электрического поля  ;

 – коэрцитивная сила или значение напряженности электрического поля противоположного направления, необходимого для уменьшения остаточной электрической индукции   до нуля.

В виду наличия гистерезиса для сегнетоэлектриков характерны большие потери при работе их в переменных полях. Диэлектрические потери, с учетом масштабных коэффициентов, пропорциональны площади петли гистерезиса.

Сегнетоэлектрики относятся к активным диэлектрикам, состоянием которых можно управлять электрическим полем.

 

2 Важнейшие виды  лакотканей. Классы нагревостойкости лакотканей.

 

Лакоткань – это гибкий эластичный материал, представляющий собой ткань, пропитанную лаком. По виду применения ткани различаются: черные и светлые хлопчатобумажные лакоткани, светлые шелковые лакоткани, светлые и черные стеклоткани, кремнийорганические лакоткани.

Черная хлопчатобумажная лакоткань отличается более высокими электроизоляционными свойствами и повышенной влагостойкостью.

Шелковые лакоткани отличаются от хлопчатобумажных меньшей толщиной (до 0,004 мм) и применяются в тех случаях, когда при малой толщине необходима повышенная электрическая плотность.

Кремнийорганические лакоткани характеризуются малой зависимостью электроизоляционных свойств от температуры и влаги и могут долго работать при температуре до  , в то время как для хлопчатобумажных лакотканей допускается температура не выше  , а для стеклотканей не выше  .

Массовое применение для изоляции электрических машин, аппаратов, кабельных и других изделий получили следующие лакоткани: 
хлопчатобумажные, марок ЛХМ, ЛХМС, обладают относительно повышенной стойкостью к действию органических растворителей, но, как и все хлопчатобумажные ткани, имеют относительно высокую толщину;

шелковые — МШМ, ЛШМС, значительно тоньше по сравнению с хлопчатобумажными, что позволяет уменьшить габариты изделия, обладают высокими электрическими характеристиками, но значительно дороже; 
капроновые — ЛКМ, ЛКМС — лакоткани повышенной гибкости, но с более значительной усадкой при нагреве;

стеклолакоткани марок ЛСМ, ЛСБ (С—на основе стеклоткани, Б — пропитаны битумно-масляно-алкидными лаками) обладают характеристиками, соответствующими материалам пропитки.

Ткани марок ЛСП, ЛСК (пропитанные, соответственно, полиэфирно-эпоксидными и кремнийорганическими лаками). Первые имеют повышенную электрическую прочность, устойчивы к органическим растворителям, класс нагревостойкости F. Вторые — устойчивы к влажной среде, обладают стабильными электрическими характеристиками при изменении температуры, класс Н, но лаковая пленка неустойчива к органическим растворителям.

Стеклолакоткани марок ЛСЛ, ЛСЭ, ЛСКР — резиностеклолакоткани (соответственно латексная, эскапоновая, кремнийорганическая, резиновая) имеют повышенную эластичность, но латексная и эскапоновая лакоткани обладают склонностью к ускоренному старению и имеют пониженную водостойкость, класс нагревостойкости Е. Класс нагревостойкости стеклолакотканей зависит от пропитывающего состава и колеблется от А до Н.

Особую группу составляют липкие и самосклеивающиеся стеклолакоткани и резиностеклолакоткани (ЛСЭПЛ, ЛСКЛ, ЛСТР и др.). Они с одной или с двух сторон покрыты липким слоем, способным к самосклеиванию. Эти материалы в электрооборудовании нередко используются вместо слюдяных изделий (микалент).

 

 

 

 

 

 

Классы нагревостойкости

Нагревостойкость — одно из самых важных качеств электроизоляционных материалов, так как она определяет допустимую нагрузку электрических машин и аппаратов. При повышении температуры многие из этих материалов начинают обугливаться и становятся проводниками. Все материалы от длительного воздействия повышенных температур задолго до обугливания приобретают хрупкость, легко разрушаются и теряют свои изолирующие свойства. Этот процесс называется тепловым старением. Способность электроизоляционных материалов выдержать без вреда для них воздействие повышенной температуры, а также резкие смены температуры называется нагревостойкостью.

Нагревостойкость изоляции является основным требованием, определяющим надежность работы и срок службы электрической машины, который нормально составляет 15—20 лет. Электроизоляционные материалы по нагревостойкости делят на семь классов:

Ниже перечислены материалы, относящиеся к каждому из этих классов: класс Y — текстильные и бумажные материалы, изготовленные из хлопка, натурального шелка, целлюлозы и полиамидов (ленты, бумага, картон, фибра), древесина и пластмассы с органическими наполнителями;

класс А — материалы класса Y, пропитанные изоляционным составом или погруженные в жидкие диэлектрики (натуральные смолы, масляные, асфальтовые, эфирцеллюлозные лаки, трансформаторное масло, термопластичные компаунды); лакоткани, изоляционные ленты, лакобумаги, электрокартон, гетинакс, текстолит, пропитанное дерево, древесные слоистые пластики, некоторые синтетические пленки, изоляция проводов (ПБД, ПЭВЛО, ПЭЛШО и др.) из хлопчатобумажной ткани, шелка и лавсана, эмалевая изоляция проводов (ПЭЛ ПЭМ ПЭЛР и ПЭВД и др.);

класс Е — синтетические пленки и волокна, некоторые лакоткани на основе синтетических лаков, термореактивные синтетические смолы и компаунды (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые, изоляция проводов типов ПЛД, ПЭПЛО из лавсана, эмалевая изоляция проводов типов ПЭВТЛ, ПЭТВ и др. на основе полиуретановых и полиамидных смол);

класс В — материалы на основе слюды (миканиты, микаленты, слюдиниты, слю-допласты), стекловолокна (стеклоткани, стеклолакоткани), асбестовых волокон (пряжа, бумага, ткани) с бумажной, тканевой или органической подложкой; пленкостеклопласт «Изофлекс»; пластмассы с неорганическим наполнителем; слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов; термореактивные синтетические компаунды; эмалевая изоляция проводов типов ПЭТВ, ПЭТВП и др. на основе полиэфирных лаков и термопластических смол. Пропитывающими составами служат битумно-масляно-смоляные лаки на основе природных и синтетических смол;

класс F — материалы, указанные в классе В, из слюды, стекловолокна, асбеста, но без подложки или с неорганической подложкой; пленкостеклопласт «Имидофлекс», стекловолокнистая и асбестовая изоляция проводов типов ПСД, ПСДТ, а также эмалевая изоляция проводов типов ПЭТ-155, ПЭТП-155 на основе капрона. Пропитывающими составами служат термостойкие синтетические лаки и смолы;

класс Н — указанные в классе В материалы из слюды, стекловолокна и асбеста без подложки или с неорганической подложкой, кремнийорганические эластомеры, стекловолокнистая и асбестовая изоляция проводов типов ПСДК, ПСДКТ, эмалевая изоляция проводов типов ПЭТ-200, ПЭТП-200 и др. на основе кремнийорганических лаков; пропитывающими составами служат кремнийорганические лаки и смолы;

класс С — слюда, стекло, стекловолокнистые материалы, электротехническая керамика, кварц, шифер, асбестоцемент, материалы из слюды без подложки или со стекловолокнистой подложкой, полиимидные и полифторэтиленовые пленки. Связующим составом служат кремнийорганические и элементоорганические лаки и смолы. 

 

 

 

 

 

3 Сравнение свойств алюминия со свойствами меди

 

Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотности обеспечивается большая проводимость на единицу массы, т.е. при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных, несмотря на большее поперечное сечение. К тому же по сравнению с медью алюминий намного больше распространен в природе и характеризуется меньшей стоимостью. Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии с образованием окисных и сульфидных пленок. Скорость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления окисной пленки с металлом невелика. Вследствие окисления медь не пригодна для слаботочных контактов. При высокой температуре в электрической дуге окись меди диссоциирует, обнажая металлическую поверхность. Металлическое отслаивание и термическое разложение вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах. Недостатками алюминия являются его низкая механическая прочность и значительная подверженность электромиграции, что приводит к увеличению сопротивления или даже к разрыву межсоединений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1. Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы: Учебник для электротехн. и энерг. спец. вузов / Н.П.Богородицкий, В.В.Пасынков, Б.М.Тареев. - 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - 304 с.
2. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 1991. - 448 с. 
3. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применение в электронике. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.
4. Ю.В.Целебровский, С.М.Коробейников Электротехнические материалы для электроустановок. Раздел 2 Электроизоляционные материалы: Конспект лекций.
5. Н.А.Черненко, Ю.В.Целебровкий Тесты по курсу “Электротехническое материаловедение”.
6. Неизвестный И.Г., Придачин Н.Б. Физика поверхности полупроводников: В 2-х ч. : Лекции /Новосиб. гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 1994. - Ч. 1. - 184 с.