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:

Р_аТ=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:

Р_а.и=А₁·f·(U-U_и)³, (4.2)

где А₁- постоянные коэффициент;

f- частота поля;

U- приложенное напряжение;

U_и – напряжение соответствующее началу ионизации.

Ионизационное напряжение U_и 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 ε_r. 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.