РОЗДІЛ 8

ПОЛЯРИЗАЦІЯ ДІЕЛЕКТРИКІВ

8.1.Види поляризації діелектриків

Поляризація діелектриків полягає у зсуві центрів позитивних і негативних зарядів молекули і перетворенні її в диполь, орієнтований в напрямку зовнішнього електричного поля. Таким чином, тверді діелектрики набувають наведений електричний момент. Процес цей є зворотнім. За формою взаємодії і виду зарядів поляризація діелектриків поділяється на електронну, іонну і іонно-релаксаційну.

Електронна поляризація діелектриків обумовлена зсувом орбіт електронів атома в напрямку до анода, а позитивно зарядженого ядра - до катода, внаслідок чого утворюється диполь – частинка, у якої центри позитивного й негативного заряду рознесені і вона орієнтується в напрямку силових ліній зовнішнього електричного поля. Розвивається за час ~ 10^-15c.

Іонна поляризація діелектриків обумовлена зсувом іонів у вузлах кристалічних решіток відносно положення рівноваги на малу відстань і має пружний (коливальний) характер.

Іонно-релаксаційна поляризація діелектриків полягає в утворенні об'ємних зарядів усередині діелектрика за рахунок переміщення слабко зв'язаних іонів у сусідні вузли, що приводить до утворення місць з підвищеною концентрацією іонів. Іонно-релаксаційна поляризація діелектриків спостерігається в діелектриках з домішками, у фарфорі, склі. Відмінність іонно-релаксаційної поляризації від іонної полягає в непружньому характері переміщення іонів, тобто ефект є незворотним.

Іонна й іонно-релаксаційна поляризація відбуваються повільніше, ніж електронна: (10^-13¸10^-10)с. Усі ці види поляризації мають назву оріентаційних. Поляризація обумовлює утворення диполя і дипольного моменту в результаті зміщення зарядів g під дією поля: . У результаті з'являється сумарний електричний (дипольний) момент. Вектор зсуву , напруженість електричного поля і поляризація зв'язані співвідношенням:

, (8.1)

де e₀ – діелектрична постійна; e _r – відносна діелектрична проникність.

Вираз (8.1) діє тільки при низьких частотах, де період напруги живлення Т=2π/ω перевищує час встановлення поляризації. У загальному випадку зв’язок між величинами D і E визначається формулою: D = ε_оε’_r∙E, де ε’_r – комплексна відносна діелектрична проникність.

У твердих діелектриках через їх високу густину відбувається не поворот молекул, а дипольних груп атомів у структурі молекули без порушення внутрішньо молекулярних зв'язків із зовнішнім проявом властивостей біполярної поляризації. Це характерно для органічних діелектриків, до складу яких входить клітковина (гідроксильні групи ОН, смоли, полівінілхлориди та ін.). Усі ці види поляризації обумовлені зміщенням зв'язаних зарядів.

Міграційна поляризація обумовлена рухом у поле Е вільних зарядів (іонів). Існує в неоднорідних діелектриках і спостерігається в ізоляції конструкцій високої напруги, де звичайно використовуються неоднорідні діелектричні матеріали або комбінації діелектриків.

Характерним прикладом міграційної поляризації є процеси в двошаровому діелектрику з параметрами: відносними діелектричними проникностями , , питомими провідностями , і товщинами і (Рис.8.1).

Рис.8.1.-Схема заміщення двошарового діелектрика.

Параметри двошарової ізоляції визначаються:

- опором витоку шарів: , , (S – площа електродів; d₁, d₂ – товщини першого і другого шарів діелектрика);

- ємністю шарів: , , S ₁ = S ₂. (8.2)

Схема 2 повинна бути еквівалентна першій у сталому режимі при підключенні до неоднорідної ізоляції джерела постійної напруги.

R = R ₁ + R ₂ – опір витоку, що характеризує провідність двошарового діелектрика в сталому режимі;

– геометрична ємність діелектрика.

Величини r і ΔС визначають через параметри шарів діелектрика:

; . (8.3)

Останні дві формули отримані з умови рівності повних опорів діелектрику в обох схемах заміщення. Зі схеми 2 випливає залежність ємності неоднорідного діелектрика від частоти w:

, (8.4)

де – постійна часу.

Залежність графічно має вигляд на (рис.8.2).

Рис.8.2.- Залежність ємності неоднорідного діелектрика від частоти напруги живлення

Звідки випливає, що ємність С_г неоднорідного діелектрика залежить від частоти, тобто виявляється нерівність:

, або . (8.5)

Ця нерівність є умовою неоднорідності діелектрика, або умовою виникнення міграційної поляризації. При цьому на межі шарів накопичуються заряди абсорбції і на шарах встановлюється напруга:

; . (8.6)

На ємностях шарів С ₁, С ₂ накопичуються заряди:

; . (8.7)

На межі розділу шарів результуючийзаряд дорівнює:

, (8.8)

Тут – середньоквадратична ємність діелектрика.

Отже якщо то на межі розділу шарів накопичується заряд абсорбції. За інтенсивністю нагромадження заряду абсорбції оцінюють ступень неоднорідності ізоляції.

Питання для самоконтролю