3.2. Параметры диэлектриков

Для полной характеристики свойств диэлектриков используются электрические, механические, тепловые, физические параметры.

3.2.1. Электрические параметры

1. Относительная диэлектрическая проницаемость (). Значение  вакуума равно единице, а всякого диэлектрического материала – больше единицы. Если С₀ – емкость вакуумного конденсатора произвольной формы и размеров, то емкость того же конденсатора с диэлектриком С=∙С₀.

Значения емкости C конденсаторов наиболее важных конфигураций приведены ниже. Для плоского конденсатора , гдеS – площадь обкладок; h – толщина диэлектрика. Для цилиндрического конденсатора

,

(3.6)

где L – длина цилиндра; r₁ – радиус внутреннего цилиндра; r₂ – радиус внешнего цилиндра. При r₂–r₁»r₁

,

(3.7)

Для систем параллельных проводов вводят понятие удельной (погонной) емкости, т.е. емкости, отнесенной к единице длины , гдеС – емкость изоляции участка кабеля длиной L. Для одножильного кабеля удельная емкость (нФ/м) между жилой радиусом r₁ и металлическим экраном с внутренним радиусом r₂

(3.8)

При r₂–r₁<<r₁: _.

Для двух параллельных круглых проводов радиусом r при расстоянии h между осями проводов при условии 2r<<h [9]:

(3.9)

Для двух параллельных проводников прямоугольного сечения, расположенных на коммутационной плате (рис. 3.2), взаимная емкость (Ф/м) на единицу длины составляет:

при b/d1: ;

где;₁ и ₂ – диэлектрические проницаемости окружающей среды и платы соответственно. Внутри указанной области отношения b/d обе эти формулы обеспечивают точность, достаточную только для оценочных расчетов.

2. Удельное объемное сопротивление _V, измеряемое в ом-метрах (Омм). Сопротивление участка изоляции с поперечным сечением S и толщиной h

,

(3.10)

Сопротивление участка изоляции коаксиального кабеля длиной L

,

(3.11)

При r₂–r₁<<r₁: _.

3.Удельное поверхностное сопротивление _S. Характеризует свойство электроизоляционного материала создавать в изготовленной из него изоляции поверхностное сопротивление. Поверхностное сопротивление между двумя электродами с параллельными обращенными друг к другу прямыми кромками (рис. 3.3) [8] равно

,

(3.12)

Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата (любого размера) на поверхности данного материала, если ток подводится к электродам, образующим две противоположные стороны этого квадрата. Единицей измерения _S является ом на квадрат (Ом/) 8.

4.Тангенс угла диэлектрических потерь tg – количественная мера потерь в диэлектрике. Определение tg следует из векторной диаграммы, показанной на рис. 3.4, где  – угол сдвига фаз между током и напряжением в реальном конденсаторе, . Тангенс угла диэлектрических потерь определяется как отношение активной составляющей тока к реактивной составляющей: .

Добротность изоляционного материала есть величина, обратная тангенсу угла потерь

,

(3.13)

Значение tg для лучших диэлектриков, используемых в технике высоких частот и высоких напряжений, составляет тысячные, и даже десятитысячные доли единиц; для материалов более низкого качества, применяемых в менее ответственных случаях, tg может быть много больше 5.

Практическое значение tg как одного из важнейших диэлектрических параметров материала состоит в том, что он определяет потери мощности на переменном токе частотой f:

,

(3.14)

где U – постоянное напряжение на участке изоляции; J – сквозной ток утечки через изоляцию.

5. Электрическая прочность (В/м, или кВ/м, или МВ/м) – способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в полях большой напряженности:

(3.15)

где U_ПР – напряжение пробоя; d – толщина диэлектрика.

Вбольшинстве случаев при возрастанииd электрическая прочность уменьшается (рис. 3.5), так как U_ПР возрастает с увеличением толщины не линейно, а медленнее. Однако при переходе к особо тонким слоям (лаковые пленки, напыленные пленки диэлектрика) начинают сказываться неизбежные неоднородности материала и Е_ПР снижается [5]. У неоднородных тонких материалов (бумага, лакоткань и т.д.) Е_ПР уменьшается с увеличением площади электродов, что объясняется ростом вероятности попаданий под электроды слабых мест диэлектрика.

Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение изоляции U_РАБ должно быть существенно меньше пробивного напряжения U_ПР. Отношение U_ПР/U_РАБ называют коэффициентом запаса электрической прочности изоляции

(3.16)