Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь изоляционных материалов
Цель работы: Определение основных характеристик изоляционных материалов: относительной диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ. Приобретение навыков измерения параметров электрических цепей с помощью прибора Е7-22.
Общие сведения:
Потери энергии в диэлектрике называются диэлектрическими потерями.
Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:
1) диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;
2) диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью;
3) ионизационные диэлектрические потери;
4) диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.
Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.
Релаксационные диэлектрические потери обусловлены нарушением движения частиц под влиянием сил электрического поля.
В температурной зависимости тангенса угла релаксационных диэлектрических потерь наблюдается максимум при некоторой температуре, характерной для данного вещества. При этой температуре время релаксации диэлектрика примерно совпадает с периодом изменения приложенного электрического поля. Если температура такова, что время релаксации частиц значительно больше полупериода изменения приложенного переменного напряжения, то тепловое движение частиц будет менее интенсивным и потери уменьшатся; если температура такова, что время релаксации частиц значительно меньше полупериода изменения напряжения, то интенсивность теплового движения будет больше, связь между частицами уменьшится, в результате чего потери также снизятся.
К диэлектрическим потерям обусловленным поляризацией, следует отнести также так называемые резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при высоких частотах. Этот вид потерь с особой четкостью наблюдается в некоторых газах при строго определенной частоте и выражается в интенсивном поглощении энергии электрического поля.
Резонансные потери возможны и в твердых веществах, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tgδ характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае температура не влияет на положение максимума.
Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную проводимость. Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tgδ уменьшается с частотой по гиперболическому закону.
Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с температурой по экспоненциальному закону:
РаТ=А·exp (-b/T), (4.1)
где А, b – постоянные материала.
Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа. Ионизационные потери можно вычислить по формуле:
Ра.и=А1·f·(U-Uи)3, (4.2)
где А1- постоянные коэффициент;
f- частота поля;
U- приложенное напряжение;
Uи – напряжение соответствующее началу ионизации.
Ионизационное напряжение Uи зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда.
Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, наблюдаются в слоистых диэлектриках, из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике, в миканитах и т.д.
Тангенс угла диэлектрических потерь имеет очень важное значение как электрическая характеристика диэлектрика. Мощность диэлектрических потерь прямо пропорциональна частоте:
Р= tgδ∙ω·С∙U2, Вт (4.3)
Однако, следует иметь ввиду, что и tgδ и С зависят от частоты, причем большим изменениям может подвергаться величина tgδ. В диапазоне частот, в котором произведение tgδ∙С растет с ростом частоты, рост диэлектрических потерь будет происходить быстрее, чем рост частоты; в диапазоне частот, в котором произведение tgδ∙С уменьшается с ростом частоты, величина диэлектрических потерь может увеличиваться с ростом частоты более медленно.
Как правило, при высоких частотах диэлектрические потери больше, чем при низких, что создает определенные трудности при выборе электроизоляционных материалов для высокочастотной техники. В высокочастотной технике вместо tgδ часто пользуются понятием добротности изоляции, которую обозначают обычно величиной Q, обратной величине tgδ.
Тангенс угла диэлектрических потерь, или добротность, могут характеризовать не только конкретный материал, но и изоляционную конструкцию машины, аппарата или прибора в целом. Величина tgδ для большинства жидких и твердых диэлектриков колеблется в пределах от десятитысячных до десятых долей единицы.
Так же одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость εr. Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду Q0, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же направлении, если бы между электродами находился вакуум.
Относительная диэлектрическая проницаемость вещества не зависит от выбора системы единиц. Для вакуума диэлектрическую проницаемость принимают за единицу, а для любого другого вещества она всегда больше единицы. Относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз емкость конденсатора с данным диэлектриком больше емкости аналогичного вакуумного конденсатора.
Перечень аппаратуры