- •Министерство образования российской федерации государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования таганрогский государственный радиотехнический университе
- •Введение
- •1. Общие сведения о строении и классификации материалов
- •2. Диэлектрики
- •2.1. Характеристики диэлектриков в постоянных электрических полях
- •2.2. Уравнение Клаузиуса-Моссоти
- •2.3. Диэлектрическая проницаемость сложных диэлектриков
- •2.4. Деполяризующий фактор
- •2.5. Токи абсорбции
- •3. Электропроводность диэлектриков
- •3.1. Виды электропроводности диэлектриков
- •3.2. Электропроводность газов
- •3.3. Электропроводность жидкостей
- •3.4. Электропроводность твердых диэлектриков
- •3.5. Поверхностная электропроводность диэлектриков
- •4. Свойства диэлектриков в переменных полях
- •4.1. Комплексная диэлектрическая проницаемость,
- •Тангенс угла потерь
- •4.2. Виды поляризации диэлектриков
- •Ионная поляризация
- •Электронно-релаксационная поляризация
- •Ионно-релаксационная поляризация
- •Дипольно-релаксационная поляризация
- •Структурная поляризация
- •Резонансные виды поляризации
- •5. Диэлектрические потери и пробой диэлектриков
- •5.1. Виды диэлектрических потерь
- •5.2. Пробои диэлектриков
- •6. Органические диэлектрики
- •6.1. Основы строения и классификация органических диэлектриков
- •6.2. Неполярные высокочастотные полимеры
- •7. Полярные низкочастотные полимеры
- •8. Полярные низкочастотные полимеры
- •8.1. Термореактивные смолы
- •8.2. Низкочастотные термореактивные композиционные пластмассы
- •8.3. Пенопласты и поропласты
- •8.4. Волокнистые электроизоляционные материалы
- •9. Каучуковые материалы
- •10. Кремнийорганические полимеры и диэлектрики на их основе
- •11. Электроизоляционные лаки, эмали, клеи, компаунды
- •12. Неорганические диэлектрики
- •12.1. Слюда и материалы на её основе
- •12.2. Неорганические стёкла
- •13. Радиотехническая керамика
- •Литература
2.2. Уравнение Клаузиуса-Моссоти
В зависимости от строения все диэлектрики делятся на нейтральные и полярные. Диэлектрики, в молекулах которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются нейтральными, если они не совпадают – полярными.
Например, у полиэтилена структурная формула имеет вид
n
Здесь n – индекс полимеризации, показывающий сколько молекул мономера входит в молекулу полимера. Формула симметрична, поэтому электрический момент m=0. У полихлорвинила структурная формула имеет вид:
m=ql
Здесь электрический момент m≠0. Между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью элементарных частиц вещества существует определенное соотношение, называемое уравнением Клаузиуса-Моссоти. Для неполярных газов и жидкостей
где n – число молекул в единице объема αЭ - электрическая поляризуемость одной молекулы. Для полярных газов и с определенным приближением для полярных жидкостей
где αД - дипольная поляризуемость одной молекулы. Уравнение Клаузиуса-Моссоти используется для аналитического определения зависимости ε то температуры. Для твердых диэлектриков из-за близкого расположения молекул уравнение Клаузиуса-Моссоти не справедливо.
2.3. Диэлектрическая проницаемость сложных диэлектриков
Диэлектрическая проницаемость слоистого диэлектрика или смеси разных диэлектриков определяется по формуле Лихтенекера
εХ= Q1*ε1Х+Q2*ε2Х
где ε , ε1 и ε2 - общая диэлектрическая проницаемость и проницаемость компонентов,
Q1 и Q2 – объемные концентрации компонентов (Q1+Q2=1)
X – константа, характеризующая распределение компонентов в пространстве, Х = -1 ÷ +1
При параллельном включении компонентов (рис. 2) Х = 1 и
ε = Q1 ε1 + Q2 ε2
При последовательном включении компонент (рис. 3) Х = -1
Когда компоненты распределены хаотически,
ε=
Формула Лихтенекера справедлива, когда ε1 и ε2 не сильно различаются. При большом различии ε1 и ε2 используются другие формулы.
2.4. Деполяризующий фактор
При помещении диэлектрика в электрическое поле с электрической индукцией D он поляризуется. При этом заряды элементарных диполей во внутренних слоях диэлектрика взаимно компенсируют друг друга, а заряды на внешних поверхностях не скомпенсированы. Они создают электрическую индукцию полюсов Dd (деполяризующее поле), тогда индукция внутри диэлектрика
Dвн= D-Dd
Направление Dd противоположно направлению D.
Величина индукции поверхностных зарядов Dd зависит от формы образца и от внешнего поля D. Влияние формы и направления внешнего поля на внутреннее поле в диэлектрике оценивается с помощью деполяризующего фактора
γ = γXi + γYj+γZk
Деполяризующее поле Dd = − γ P
Знак “ – “ связан с тем, что заряды на поверхности диэлектрика вызывают приток на обкладки зарядов противоположного знака.
Если поле перпендикулярно поверхности плоского конденсатора,
γX = γY = 0, а γZ =1 . Тогда DBH = D + P и, как показано ранее,
ε = 1+
При полушарообразной форме электродов конденсатора
ε = 1+zш
а при полуцилиндрической форме электродов
ε = 1+zц
где zш=1/3, zц=1/2
Таким образом, только у плоского конденсатора емкость за счет диэлектрика изменилась в ε раз. При других формах обкладок емкость увеличивается в меньшее количество раз.