Министерство высшего и среднего специального образования

PCФCР

КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ

АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени А. Н. ТУПОЛЕВА

Кафедра материаловедения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТИ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Методические указания к лабораторной работе № 2 Казань 1982

УЖ 621.315.5/6

Определение емкости, диэлектрической проницаемости и танген­са угла диэлектрических потерь диэлектриков: Методические указания к лабораторной работе "№ 2 /Составитель Э.Р.Галимов. - Казань: КАИ, 1982. - 16 с.

Приводятся данные о поляризации диэлектриков и диэлектричес­кой проницаемости, о диэлектрических потерях в диэлектриках и ви­дах потерь; исследуется влияние температуры и частоты приложенно­го поля на характер изменения диэлектрических характеристик; да­ется описание лабораторной установки для определения диэлектри­ческих характеристик при переменном напряжении; приводится методика проведения испытаний.

Ил. - 8. Табл. - . Библиогр. - .

Рецензенты д-р хим.наук В.А.Воскресенский, канд.техн.наук В.А.Харламов

Цель работы: изучение явления поляризации в диэлектриках, воздействия частоты приложенного электрического поля и температу­ры на величины диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь.

Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость

При воздействии на диэлектрик электрического поля в нем про­текает процесс поляризации - ограниченное смещение связанных за­рядов или ориентация вдоль поля дипольных молекул и возникновение дипольного момента. Состояние диэлектрика при этом оценивается ко­личественно с помощью вектора электрического смещения , который связан с напряженностью электрического поля соотношением

где - абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества, Ф/м;

абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, ф/м;

- относительная диэлектрическая проницаемость вещества.

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет со­бой отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емко­сти конденсатора тех же размеров и при том же напряжении, диэлек­триком которого является вакуум. Относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице толь­ко в случае вакуума.

В зависимости от строения, состава и структуры диэлектрика различают два основных вида поляризации.3

Первый вид поляризации совершается в диэлектрике мгновенно я без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла. Второй вид поляризации нарастает и убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляриза­ции называется релаксационной поляризацией.

К мгновенной поляризации относятся электронная и ионная; остальные механизмы относятся к релаксационной поляризации (дипально-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная, миграционная и самопроизвольная).

Технический диэлектрик сложного состава и его структура могут одновременно обладать несколькими видами поляризации.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов. Образование упругих ди­полей происходит мгновенно. Время установления электронной поляризации ничтожно мало и составляет Величина смещения электронов невелика, что обусловливает низкую относительную проницаемость веществ Такую поляризацию в чистом

виде имеют неполярные вещества, например, неполярные жидкости: бен­зол, нефтяное масло; неполярные твердые диэлектрики: сера, парафин, полиэтилен, фторопласт - 4 и т.д.

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектри­ков и не связана с потерей энергии, но в некоторых случаях на нее накладываются другие виды поляризации.

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением (каменная соль, керамика) и обусловливается смещением упруго связанных ионов под действием внешнего электрического поля. Время установления ионной поляризаций Диэлектрическая проницаемость лежит в широких пределах.

Дипольно-релаксационная поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым дви­жением частиц. Дипольнне молекулы, находящиеся в хаотическом теп­ловом движении, поворачиваются и ориентируются в направлении дей­ствующего поля, создавая эффект поляризации диэлектрика. Поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопро­тивления, что является причиной потери энергии. Дипольная поляри­зация свойственна полярным газам, жидкостям и твердым органичес­ким веществам. Время установления дипольной поляризации

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических

4

веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабо связанные ионы веще­ства под воздействием внешнего электрического поля среди хаоти­ческих тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля; Такие ионы в тепловом движении могут перемещаться на расстояния, значительно превышающие упругие смещения.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Такой вид поляризации наблюдается для диэлектриков с высо­ким показателем преломления, электронной проводимостью, ряда сое­динений на основе окислов металлов переменной валентности (титан, висмут, ниобий).

Миграционная (структурная) поляризация - дополнительный ме­ханизм поляризации, характерна для твердых тел неоднородной струк­туры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей (гетинаксы, текстолита, слюда и др.). Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических ди­электриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует в сегнетоэлектриках. В веществах с самопроизвольной поляризацией име­ются отдельные области (домены), в которых даже без приложения электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение зарядов в пределах доменов, при этом ориентации электрических моментов в доменах различны. Наложение электрического поля способствует пре­имущественной ориентации электрических моментов доменов в направ­лении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. Время ус­тановления спонтанной поляризации Зависимость ди­электрической проницаемости от температуры для веществ с самопро­извольной поляризацией (некоторые виды керамики) имеет резко выраженный максимум при определенной температуре, которая называ­ется температурой (точкой) Кюри. В области температур выше точки Кюри спонтанная поляризация исчезает и теряются сегнетоэлектрические свойства материала и в отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает на­сыщение и исчезает зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля.

Классификация диэлектриков по виду поляризации

По особенностям поляризации все диэлектрики можно подразде­лить на несколько групп.

5

К первой группе относятся диэлектрики, обладающие только элек­тронной поляризацией, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях С парафин «сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и др.).

Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновре­менно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями - поляр­ные органические, полужидкие и твердые вещества(эпоксидные смолы, целлюлоза и т.п.).

Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляриза­цией (слюда, каменная соль, фарфор и т.п.).

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризую­щиеся спонтанной, электронной, ионной и алектронно-ионно-релаксационной поляризациями (сегнетова соль и т.д.).