Основные теоретические положения. Если представить себе конденсатор, между пластинами которого находится диэлектрик, то емкость такого конденсатора Сд будет превышать емкость конденсатора

Если представить себе конденсатор, между пластинами которого находится диэлектрик, то емкость такого конденсатора С_д будет превышать емкость конденсатора, между пластинами которого – вакуум, в e раз:

e = С_д / С_о (1)

Величина e называется относительной диэлектрической проницаемостью.

Предположим, что конденсатор емкостью С_д не подключен к источнику тока, и заряды с обкладок не стекают (Q=const), тогда увеличение емкости С_д в e раз (С_д= e × С_о) при Q=const эквивалентно уменьшению в e раз разности потенциалов между обкладками конденсатора U (так как С=Q/U). Следовательно, при введении диэлектрика между обкладками конденсатора электрическое поле внутри него уменьшается, несмотря на постоянство заряда Q на обкладках. Это объясняется тем, что на поверхности диэлектрика индуцируются заряды, противоположные по знаку заряду прилегающего электрода (рис.1). Именно эти заряды и нейтрализуют часть полного заряда Q на обкладках конденсатора.

Рис. 1. Образование на поверхности диэлектрика зарядов, противоположных по знаку заряду прилегающего электрода

Таким образом, в диэлектрике, помещенном в электрическое поле, происходит пространственное разделение зарядов, то есть возникает электрический момент, процесс образования которого называется поляризацией. Величина e характеризует при этом способность различных материалов к поляризации в электрическом поле.

Значение емкости конденсатора и накопленный в нем электрический заряд определяется рядом механизмов поляризации: электронной упругой поляризацией, ионной упругой поляризацией, дипольно-релаксационной, ионно-релаксационной и миграционной поляризацией (подробно о механизмах поляризации диэлектриков см. [2]).

В зависимости от механизмов поляризации, диэлектрики подразделяются на несколько групп:

1. Неполярные диэлектрики – обладают только электронной поляризацией и, следовательно, имеют наименьшее значение диэлектрической проницаемости. К ним относятся парафин, сера, полиэтилен, полистирол, фторопласт (e находится в пределах от 1,8 до 3). Все неполярные материалы характеризуются малыми диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот, высокой электрической прочностью и весьма высоким удельным сопротивлением.

2. Полярные диэлектрики имеют одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. Основные представители: кремнийорганические соединения, фенол-формальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, капрон, органические стекла, поливинилхлорид (винипласт) (рис. 2).

Рис. 2. Строение молекулы поливинилхлорида

У полярных полимеров из-за асимметрии строения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная поляризация, поэтому они обладают пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с неполярными диэлектриками, особенно на высоких частотах.

Полярные полимеры, по сравнению с неполярными, характеризуются в несколько раз большим значением e и заметно меньшим удельным объемным сопротивлением. Поэтому они используются в основном как изоляционные и конструкционные материалы в диапазоне низких частот.

К числу сильнополярных диэлектриков относятся гетинакс (получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной фенол-формальдегидной смолой) и текстолит (стеклотекстолит) (получают прессовкой пропитанной хлопчатобумажной ткани или стеклоткани), так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладают полярными свойствами.

3. Ионные соединения – это твердые неорганические диэлектрики с ионной, электронной, ионно- и электронно-релаксационными механизмами поляризации. К ним относятся кварц, слюда, корунд (Al₂O₃), неорганические стекла, многие виды керамики, рутил (TiO₂). Диэлектрическая проницаемость большинства стекол лежит в диапазоне 4 - 20 (диэлектрическая проницаемость корунда e= 10, для рутила e= 100 -120).

Date: 2015-07-25; view: 428; Нарушение авторских прав