ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые вещества обладают разнообразным составом и строением; в них возможны все виды ди­электрических потерь.

Для удобства рассмотрения диэлектрических потерь в твердых веществах последние можно подразделить на четыре группы: ди­электрики молекулярной структуры, ионной структуры, сегнето-электрики и диэлектрики неоднородной структуры.

Диэлектрические потери в диэлектриках молекулярной струк­туры зависят от вида молекул.

Диэлектрики с неполярными молекулами, не имеющие приме­сей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями. К та­ким диэлектрикам относятся: церезин, неполярные полимеры — полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и др. Указанные вещества в связи с их весьма малыми потерями применяются в ка­честве высокочастотных диэлектриков.

Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молеку­лами представляют собой главным образом органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат материалы на основе целлюлозы (бумага, картон), полярные полимеры: полиметил-метакрилат (органическое стекло), полиамиды (капрон) и полиуре­таны, каучуковые материалы (эбонит), фенолформальдегидные смолы (бакелит), зфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза), и другие матери­алы. Эти вещества из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями, которые существенно зависят от температуры; при некоторых температурах обнаружива­ются максимум и минимум потерь; возрастание потерь после ми­нимума объясняется увеличением потерь от сквозной электропро­водности.

У бумажных диэлектриков даже в высушенном состоянии наблю­дается максимум tg б при низких температурах (рис. 3-6).

Диэлектрические потери твердых веществ ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке.

В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектри­ческие потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от сквозной электропроводности. К веществам этого типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современ­ном производстве электротехнической керамики, например корунд (А12О3), входящий в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чистые кристаллы ко­торой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажа­ющие решетку, резко (на два-три порядка) увеличивают диэлектри­ческие потери.

К диэлектрикам кристаллической структуры с неплотной упа-козкой ионов относя1ся кристаллические вещества, характеризуемые релаксационной поляризацией, вызывающей повышенные ди электрические потери. К этим веществам относятся: муллит, вхо­дящий в состав изоляторного фарфора, кордиерит — компонент ке­рамики с малым температурным коэффициентом расширение, (3-глинозем, получающийся при обжиге глиноземистых изделий, •у-глинозем, циркон, входящий в состав огнеупорной керамики, и др. (подробнее см. стр. 174).

Так как для большинства видов электрокерамики число ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возра­стает с температурой, то максимум tg б отсутствует и температур­ная зависимость tg 6 подобно температурной зависимости удельной проводимости в первом приближении имеет экспоненциальный ха­рактер (рис. 3-7).

Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной струк­туры — неорганических стеклах — связаны с явлением поляриза­ции и электропроводности.

Рассматривая механизм диэлектрических потерь в стеклах, сле­дует различать:

а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте (tg б не зависит от частоты);

б) потери, заметно возрастающие с температурой по закону экс­поненциальной функции и мало зависящие от частоты (tg б умень­шается с возрастанием частоты).

Потери первого вида обусловливаются релаксационной поляриза­цией и сильно выражены во всех технических стеклах. Чисто квар­цевое стекло обладает весьма малыми релаксационными потерями. Введение в плавленый кварц небольшого количества оксидов вы­зывает заметное возрастание диэлектрических потерь из-за наруше­ния структуры стекла.

Термическая обработка — отжиг или закалка — заметно влияет на угол диэлектрических потерь стекла в связи с изменением его

структуры.

Чем большую сквоз­ную электропровод­ность имеет стекло, тем при более низкой температуре наблюдается возрастание тангенса угла потерь,)

Тангенс угла диэлектрических- потерь для стекол разного со­става уменьшается с ростом удельного сопротивления (рис. 3-8).

Тангенс угла диэлектрических потерь алюмооксида очень мал и почти не зависит от температуры, напротив, tg б электротехниче­ского фарфора велик и резко зависит от температуры, (рис. 3-9).

Диэлектрические потери в неорганических стеклах определяются входящими в стекло оксидами. Наличие в стекле щелочных оксидов (Na2O, K2O) при отсутствии тяжелых оксидов (ВаО, РЬО) вызывает значительное повышение диэлектрических потерь стекла. Введение тяжелых оксидов уменьшает tg б щелочных стекол.

Диэлектрические потери в сенгетоэлектриках выше, чем у обыч­ных диэлектриков. Особенностью сегнетоэлектриков, как указывалось ранее, является наличие в них самопроизвольной поляризации, проявляющейся в определенном температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с температурой в области самопроизвольной поляри­зации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда само­произвольная поляризация исчезает.

На рис. 3-10 представлены температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости двух керамических сегнетоэлектриков, имеющих разный состав и соответ­ственно этому разные точки Кюри.

Диэлектрические потери в твердых веществах неоднородной струк­туры. К твердым веществам этого типа, используемым в качестве ди­электриков, принадлежат материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов, механически смешанных друг с другом. К неоднородным диэлектрикам относится прежде всего керамика. Любой керамический материал представляет собой сложную много­фазную систему. В составе керамики различают кристаллическую фазу, стекловидную и газовую (газы в закрытых порах).

Диэлектрические потери в керамике определяются видом кри­сталлической и стекловидной фаз и количественного соотношения между ними. Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлект­рических потерь при высоких напряженностях поля вследствие раз­вития ионизации (см. стр. 50).

Потери в керамике могут оказаться повышенными, если в про­цессе производства в керамическом изделии образуются полупро­водящие включения с электронной электропроводностью. Увеличе­ние потерь в керамике происходит также за счет адсорбированной влаги при наличии открытой пористости

Пропитанную бумагу следует также отнести к диэлектрикам неоднородной структуры. Такая бумага, кроме волокон целлюлозы, содержит пропитывающее вещество того или иного состава. Ди­электрические потери пропитанной бумаги определяются электри­ческими свойствами обоих компонентов, их количественным соот­ношением и остаточными воздушными включениями.

Зависимость tg б от температуры для бумаги, пропитанной мас-ляно-канифольным компаундом (рис. 3-12), имеет два максимума: первый (при низких температурах) характеризует дипольно-радика-льные потери самой бумаги (целлюлозы), второй (при более высокой температуре) обусловлен дипольно-релаксационными потерями про­питывающего компаунда.

В электроизоляционной технике применяется большое количество композиционных материалов. В одних случаях это определяется тре­бованиями механической прочности (волокнистая основа), в других — удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (напол­нители в пластмассах и резинах), в третьих — использованием ценных отходов (слюдяные материалы и т. д.).

Вопрос 10

Поиск по сайту: