1

DIELEKTRYKI

cz.1

WŁASNOŚCI OGÓLNE

DIELEKTRYKI GAZOWE

-

+

-

+

-

+

BUDOWA I WŁASNOŚCI DIELEKTRYKÓW

DIELEKTRYKI TO MATERIAŁY, KTÓRE PRZY BRAKU ZEWNĘ-

TRZNYCH CZYNNIKÓW JONIZUJĄCYCH NIE ZAWIERAJĄ W SWOJEJ
STRUKTURZE ŁADUNKÓW SWOBODNYCH.

W ATOMACH I CZĄSTECZKACH TYCH SUBSTANCJI WYSTĘPUJĄ

BARDZO SILNE WIĄZANIA.

POD WPŁYWEM POLA ELEKTRYCZNEGO ŁADUNKI ELEKTRYCZNE

W DIELEKTRYKACH ULEGAJĄ NIEWIELKIM, SPRĘśYSTYM
PRZESUNIĘCIOM WZGLĘDEM SIEBIE. WIĄZANIA NIE ZOSTAJĄ
ZERWANE. W WYNIKU PRZESUNIĘĆ DOCHODZI DO ZJAWISKA
POLARYZACJI DIELEKTRYKA W POLU ELEKTRYCZNYM.

+

+
+
+
+
+
+

_

_
_
_
_
_
_

1

2

3

1,2 – OKŁADZINY

KONDENSATORA

3 -

DIELEKTRYK

Dielektryk niespolaryzowany

i spolaryzowany

niespolaryzowany

spolaryzowany

4

INDUKCJA ELEKTRYCZNA

[ ]

s

A

q

dA

D

n

1

i

i

E

⋅

=

⋅

=

Φ

∫

∑

=

PRAWO GAUSSA : jeżeli dowolne ładunki elektryczne zamknięte
zostaną w hipotetycznej powierzchni A, to między strumieniem
indukcji elektrycznej a ładunkiem zamkniętym w tej powierzchni
zachodzi następujący związek

5

PRAWO GAUSSA cd.

Między indukcją elektryczną a polem elektrycznym

zachodzi związek

[

]

2

w

0

m

/

s

A

E

E

D

⋅

⋅

ε

⋅

ε

=

⋅

ε

=

ε

0

–

przenikalność próżni (8,86 ·10

-12

As/Vm)

ε

w

–

przenikalność względna

ε

–

przenikalność bezwzględna ośrodka

6

Linie sił pola elektrycznego
i ekwipotencjalne

Pole stałe

Ładunek punktowy

Dipol

2

7

TRWAŁE DIPOLE ELEKTRYCZNE

p

1

p

2

p=p

1

+ p

2

= 0

B

- -

A

+

A

+

B

- -

A

+

A

+

CO

2

H

2

O

p

1

p

2

p# 0

Cząsteczka symetryczna

trwały dipol

elektryczny –
-posiada trwały
elektryczny moment
dipolowy

Cząsteczka niesymetryczna

C

H

H

H

H

metan CH

4

H

C

H

Cl

H

chlorek
metanu CH

3

Cl

C

Cl

Cl

Cl

Cl

czterochlorek
węgla CCl

4

C

Cl

H

Cl

Cl

chloroform CHCl

3

8

DIPOL ELEKTRYCZNY W JEDNORODNYM

ZEWNĘTRZNYM POLU ELEKTRYCZNYM

F’

F’’

F=qE

E

F’’

F=qE

F’

Θ

⋅

⋅

=

Θ

⋅

⋅

=

⋅

=

τ

sin

E

p

sin

l

F

l

F

''

+q

-q

Θ

τ

- moment obracający

l

l

q

p

⋅

=

p

elektryczny moment dipolowy

9

DIPOL ELEKTRYCZNY W JEDNORODNYM

ZEWNĘTRZNYM POLU ELEKTRYCZNYM

F=qE

E

F=qE

0

=

τ

+q

-q

Θ

=0

l

10

WEKTOR POLARYZACJI ELEKTRYCZNEJ

[

]

2

n

1

i

i

0

V

m

/

s

A

V

p

lim

P

⋅

=

∑

=

→

E

P

e

0

⋅

η

⋅

ε

=

(

)

[

]

2

w

0

e

0

0

m

/

s

A

E

E

1

P

E

D

⋅

⋅

ε

⋅

ε

=

η

+

ε

=

+

⋅

ε

=

Wektor polaryzacji elektrycznej

pi - moment dipolowy i-tej cząsteczki

η

e

– podatność elektryczna ośrodka

ε

w

,

η

e

– są tensorami w ośrodku anizotropowym (D,E i P mają wtedy

różne kierunki) a w izotropowych są skalarami (D,E i P mają wtedy takie
same kierunki)

Wektor indukcji elektrycznej

p

i

p

1

p

2

11

POLARYZACJA DIELEKTRYKÓW

SPRĘśYSTA (INDUKOWANA):

- ELEKTRONOWA

-ATOMOWA

-JONOWA

POLARYZACJA TEGO TYPU ZACHODZI BARDZO SZYBKO, W CZASIE
RZĘDU 10

-15

– 10

-13

s. JEST BEZSTRATNA, BO CAŁA ENERGIA Z NIĄ

ZWIĄZANA JEST MAGAZYNOWANA W POLU EL.
PO ZANIKU POLA USTĘPUJE.

RELAKSACYJNA:

-DIPOLOWA

-JONOWA

-SPONTANICZNA

POLARYZACJA TEGO TYPU ZACHODZI DUśO WOLNIEJ.
JEST ZWIĄZANA ZE STRATAMI. CZĘŚĆ ENERGII Z NIĄ ZWIĄZANA

JEST MAGAZYNOWANA W POLU EL. A CZĘŚĆ JEST TRACONA.
PO ZANIKU POLA USTĘPUJE.

12

POLARYZACJE SPRĘśYSTE

ELEKTRONOWA

E= 0

E# 0

q-

q+

l

p=q

·l

Powstaje

indukowany
dipol
elektryczny

o momencie
dipolowym p :

3

13

ATOMOWA

E= 0

E# 0

Cl-

H+

l

p=q

·l

Cl-

H+

l

p=q

(l+a)

a

Powstaje dodatkowy
moment dipolowy p=qa

14

JONOWA INDUKOWANA

E= 0

E# 0

Powstaje moment dipolowy p

15

POLARYZACJE RELAKSACYJNE

DIPOLOWA

E= 0

E# 0

16

JONOWA RELAKSACYJNA

E= 0

E# 0

17

SPONTANICZNA

E= 0

E# 0

Polaryzacja dielektryka jest sumą wszystkich rodzajów
polaryzacji występujących w materiale

P = P

el

+ P

i

+ P

d

+…+

Podatność elektryczna jest wypadkową wszystkich
podatności

ηηηη

=

ηηηη

el

+

ηηηη

i

+

ηηηη

d

+…+

18

PODSTAWOWE PARAMETRY

ELEKTRYCZNE DIELEKTRYKÓW

1. PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA

2. REZYSTYWNOŚĆ

3. STRATY DIELEKTRYCZNE

4. WYTRZYMAŁOŚĆ ELEKTRYCZNA

4

19

Ez

U

l

Eo

Qo

Eo=U/l

+

-

U

Eo=U/l

+

-

PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA

Eo

Ew

[ ]

F

l

S

U

Q

C

0

0

0

⋅

ε

=

=

[ ]

F

l

S

U

Q

C

w

0

⋅

ε

⋅

ε

=

=

0

C

C

>

0

Q

Q

>

1

Q

Q

C

C

w

0

w

0

0

0

>

ε

=

ε

ε

⋅

ε

=

=

Q

bo

20

Przenikalność elektryczna względna jest zależna od:
- stanu skupienia dielektryka,
- rodzaju występujących polaryzacji,
- temperatury,
- częstotliwości zmiennego pola el.

21

Wpływ temperatury

Zależność przenikalności
elektrycznej oleju
syntetycznego od
temperatury

Niska temperatura –
duża lepkość,
co utrudnia
obrót dipoli

Wzrost temperatury–
lepkość maleje,
obrót dipoli jest łatwiejszy

Dalszy wzrost temperatury–
lepkość mała, duża
intensywność ruchów
cieplnych, co utrudnia
obrót dipoli

22

T

ε

w

T

ε

w

T

ε

w

5000

-20

o budowie jonowej krystalicznej

o budowie amorficznej

soli Seignette’a

Zależność przenikalności elektrycznej
dielektryków stałych od temperatury

23

Zależność przenikalności elektrycznej od częstotliwości

24

REZYSTYWNOŚĆ SKROŚNA I POWIERZCHNIOWA

Przewodzenie w dielektrykach jest związane z ruchem jonów.
Ich liczebność i ruchliwość jest zależna od:
- natężenia pola elektrycznego i jego czasu oddziaływania,
- temperatury,
- zawilgocenia,
- promieniowania jonizującego,
- ilości i rodzaju zanieczyszczeń.

Pod wpływem napięcia niewielkie ilości ładunków tworzą prąd
elektryczny – nazywany prądem upływu

I

u

=I

s

+I

p

I

u

I

s

- prąd skrośny

I

p

- prąd powierzchniowy

W dielektryku występują dwa rodzaje rezystywności:

-

ρρρρ

s

– rezystywność skrośna (we wszystkich rodz. diel.),

-

ρρρρ

p

– rezystywność powierzchniowa (tylko w diel. stałych).

5

25

+

_

dielektryk

prąd

powierzchniowy

Ip

prąd

skrośny

Is

Rezystywność skrośna
zależy od
- temperatury,
- zanieczyszczenia,
- zawilgocenia.

Rezystywność powierzchniowa
zależy od
- budowy dielektryka,
- zanieczyszczenia,
- zawilgocenia.

26

Pomiar rezystywności skrośnej dielektryków

pA

V

I

s

a

S

1

2

3

1 (S)

2

S

a

R

s

s

⋅

ρ

=

[

]

m

a

S

R

s

s

⋅

Ω

⋅

=

ρ

s

s

I

U

R

=

Rezystancja skrośna

Rezystywność skrośna

a - grubość dielektryka
S – pole elektrody 1

1,2,3 - elektrody

27

Pomiar rezystywności powierzchniowej dielektryków

l

a

R

p

p

⋅

ρ

=

[

]

Ω

=

⋅

Ω

⋅

=

ρ

m

/

m

a

l

R

p

p

p

p

I

U

R

=

Rezystancja powierzchniowa

Rezystywność powierzchniowa

pA

V

I

p

1

2

3

1

2

a

l

a – odległość
między elektrodami
l – długość elektrod

28

STRATNOŚĆ DIELEKTRYCZNA

Straty w dielektrykach są spowodowane :

- prądami upływu,

- polaryzacją relaksacyjną,

- wyładowaniami niezupełnymi,

-niejednorodną strukturą dielektryku (polaryzacja

Maxwella-Wagnera).

29

I

u

I

a

U

U,I

t

t

ust

t

końc

I

c

WŁĄCZENIE DIELEKTRYKA DO ŹRÓDŁA NAPIĘCIA STAŁEGO

I= Ic+Ia+Iu

Ic - prąd ładowania, związany z polaryzacją sprężystą (energia potencjalna

zostaje zmagazynowana w polu elektrycznym i całkowicie odzyskiwana po
rozładowaniu kondensatora)

Straty mocy w dielektryku:

P=UI

u

=U

2

/R

s

Ia - prąd absorbcyjny związany z polaryzacją relaksacyjną (część energii jest

tracona na obrót dipoli)

Iu - prąd upływu związany z konduktywnością skrośną

I – prąd wypadkowy I= Ic+Ia+Iu

30

I

U

I

u

R

u

I

a

R

a

C

a

I

c

C

c

U

I

I

u

I

ab

I

ac

I

c

ϕ

δ

WŁĄCZENIE DIELEKTRYKA DO ŹRÓDŁA

NAPIĘCIA SINUSOIDALNIE ZMIENNEGO

I

a

δδδδ

- kąt stratności dielektrycznej

tg

δδδδ

- współczynnik stratności dielektrycznej

δ

=90°-

ϕ

I

cz

=I

u

+ I

ac

I

b

=I

c

+ I

ab

6

31

I

b

I

cz

I

U

R

C

U

I

I

cz

I

b

ϕ

δ

I

cz

=I

u

+ I

ac

I

b

=I

c

+ I

ab

Q

P

U

I

U

I

I

I

tg

b

cz

b

cz

=

⋅

⋅

=

=

δ

2

U

C

tg

Q

tg

P

⋅

⋅

ω

⋅

δ

=

⋅

δ

=

C

U

C

/

1

1

U

U

X

U

U

I

Q

2

2

b

ω

⋅

=

ω

⋅

=

⋅

=

⋅

=

32

S

a

R

s

ρ

=

s

f

2

1

tg

ρ

⋅

ε

⋅

⋅

π

⋅

=

δ

a

S

C

⋅

ε

=

R

C

f

2

1

C

U

R

U

I

I

tg

b

c

⋅

⋅

⋅

π

⋅

=

⋅

ω

⋅

=

=

δ

33

Zależność tg

δδδδ

od częstotliwości i temperatury

Dielektryki o cząstkach niepolarnych

s

f

2

1

tg

ρ

⋅

ε

⋅

⋅

π

⋅

=

δ

34

Dielektryki o cząstkach polarnych

mała częstotliwość zmian
pola – mniej obrotów dipoli,
mniejsze straty

duża częstotliwość zmian
pola – polaryzacja nie
nadąża za tymi zmianami,
mniejsze straty

niska temperatura – duża
lepkość, co utrudnia obrot
dipoli, mniejsze straty

wyższa temperatura
– zmniejszona
lepkość, co ułatwia
obrót dipoli,
większe straty

wysoka temperatura
powoduje znaczne
zmniejszenie
rezystywności dielektryka,
rośnie prąd upływu,
straty wzrastają

wyższa temperatura –
lepkość bardzo mała, co
powoduje, że są bardzo
małe opory dla obrotów
dipoli, straty maleją

35

MOSTEK SCHERINGA (prosty)

4

2

3

X

Z

Z

Z

Z

=

UMOśLIWIA POMIAR : R, C,

εεεε

w

, tg

δδδδ

,

badany
obiekt

kondensator
wzorcowy

elementy
regulacyjne

x

x

x

C

1

j

R

Z

ω

−

=

2

2

C

1

j

Z

ω

−

=

3

3

R

Z

=

4

4

4

4

4

C

1

j

R

R

C

1

j

Z

ω

−

ω

−

=

WARUNEK RÓWNOWAGI MOSTKA

STĄD

4

4

x

x

R

C

R

C

tg

ω

=

ω

=

δ

36

WYTRZYMAŁOŚĆ ELEKTRYCZNA

DIELEKTRYKÓW

Natężenie pola elektrycznego E

p

odpowiadające napięciu

przebicia U

p

nazywa się wytrzymałością elektryczną.

Dla układu kondensatora płaskiego wynosi ono

E

p

=U

p

/l [V/m]

Wytrzymałość elektryczna materiałów izolacyjnych jest zależna od:

1. Kształtu elektrod

2. Zawilgocenia

3. Temperatury

4. Grubości warstwy izolacyjnej

5. Rodzaju napięcia

7

37

Wpływ kształtu elektrod na wytrzymałość

x

E

E

x

38

Wpływ zawilgocenia –
wzrost zawilgocenia powoduje znaczne obniżenie
wytrzymałości

Wpływ temperatury –
wzrost temperatury prowadzi do pogorszenia własności
dielektryków a tym samym obniżenia ich wytrzymałości

Wpływ grubości warstwy izolacyjnej – wzrost grubości
pociąga za sobą obniżenie wytrzymałości

39

stałe

przemienne f=50Hz

udarowe 1,2/50

µµµµ

s

Wpływ rodzaju napięcia

a

Up

udarowe

stałe

Wytrzymałość dielektryka przy napięciu
udarowym jest większa niż przy napięciu
stałym i przemiennym.

40

TRWAŁOŚĆ MATERIAŁÓW IZOLACYJNYCH

W dielektrykach pod wpływem temperatury zachodzą nieodwracalne
zmiany chemiczne (utlenianie, rozkład) powodujące pogorszenie
własności dielektrycznych.
Zjawisko to nazywa się starzeniem cieplnym izolacji i przebiega
tym szybciej, im wyższa jest temperatura.

Trwałość izolacji określa reguła Montsingera:
jeżeli temperatura pracy zmieni się o 8°C, to

czas życia zmieni się dwukrotnie.

Czas życia izolacji określa się wzorem:

bt

e

a

−

⋅

=

τ

41

Powyżej 250 klasy ciepłoodporności oznacza się symbolami
numerycznymi, oznaczanymi co 25°C

KLASY CIEPŁOODPORNOŚCI IZOLACJI

materiały

izolacyjne

pochodzenia

organicznego

materiały

izolacyjne

nieorganiczne

z lepiszczami

materiały
nieorganiczne

(mika, porcelana,
kwarc, szkło)

42

PODZIAŁ DIELEKTRYKÓW

DIELEKTRYKI

LOTNE

DIELEKTRYKI

CIEKŁE
(OLEJE)

DIELEKTRYKI

STAŁE

GAZY

NATURALNE

GAZY

SYNTETYCZNE

POWIETRZE

(PRÓśNIA)

MINERALNE

SYNTETYCZNE

ROŚLINNE

NIEORGA-

NICZNE

ORGANICZNE

8

43

DIELEKTRYKI LOTNE

GAZY

NATURALNE

GAZY

SYNTETYCZNE

POWIETRZE

(PRÓśNIA)

WODÓR, AZOT, HEL, DWUTLENEK WĘGLA

SZEŚCIOFLUOREK SIARKI, FREON

44

Jonizacja gazów

Proces o charakterze
losowym. Jonizacja
elektronowa daje
większe efekty niż
jonowa

Dostatecznie silne pole el.

Przekazywanie energii
kinetycznej
cząsteczkom
obojętnym przez
zderzające się z nimi
ładunki swobodne,
głównie elektrony,
rozpędzone w polu el.

Jonizacja
zderzeniowa

Nieznaczne efekty
jonizacyjne

Istnienie naturalnych
jonizatorów zewnętrznych

Oddziaływanie
naturalnych
czynników
jonizacyjnych
(ultrafioletowe
promieniowanie
słoneczne,
radioaktywne
promieniowanie ziemi,
promieniowanie
kosmiczne)

Jonizacja
naturalna

Uwagi

Warunki wystąpienia

jonizacji

Charakter

i przyczyny jonizacji

Rodzaj

jonizacji

2

v

m

W

2

j

⋅

=

j

W

W

≤

∆

45

46

Fotojonizacja bezpośrednia

Proces o
charakterze
losowym, istotny
przy dużych
odstępach
iskrowych.

Promieniowanie o
odpowiednio małej długości
fali oraz powstanie
fotoelektronów.

Jonizacja na skutek
promieniowania
krótkofalowego
(ultrafioletowego,
rentgenowskiego)
pochodzenia
zewnętrznego oraz
z obszaru
wyładowania (podczas
procesów
rekombinacyjnych)

Fotojonizacja

λ

⋅

=

h

c

W

j

j

W

W

≤

∆

47

Proces o
charakterze
losowym, istotny
w końcowej fazie
wyładowania,
gdy przeskok
iskrowy
przechodzi w łuk
elektryczny.

Dostatecznie wysoka
temperatura gazu.

Jonizacja przy
zderzeniach cząstek
gazu biorących
udział w ruchach
cieplnych i
wzajemnym
przekazywaniu
energii kinetycznej
(odmiana jonizacji
zderzeniowej)

Jonizacja
cieplna

T

k

2

3

Wj

⋅

=

j

W

W

≤

∆

48

Energia wyjścia
elektronu z
metalu jest na
ogół większa od
energii jonizacji.
Efektywne jest
bombardowanie
elektrody jonami.

Energia
dostarczana z
zewnątrz,
większa od
energii wyjścia
elektronu dla
pokonania
bariery
potencjału na
powierzchni
elektrody

Emisja ładunków
swobodnych
(gł.elektronów) z elektrod
w wyniku:

-termoemisji (nagrzewanie
elektrod),

-emisji polowej
(oddziaływanie znacznego
pola el.),

- fotoemisji (naświetlanie
powierzchni elektrod),

-emisji wtórnej
(bombardowanie
powierzchni metalu
jonami).

Jonizacja
powierzchniowa

9

49

DIELEKTRYKI LOTNE - POWIETRZE

Charakterystyka prądowo-napięciowa
(jonizacyjna) kondensatora
powietrznego-płaskiego

jest podtrzymywane
przez czynniki
pochodzące z obszaru
wyładowania

jest podtrzymywane
przez czynniki
pochodzące z zewnątrz
wyładowania

W powietrzu znajduje się zawsze pewna ilość ładunków swobodnych powstałych
w wyniku jonizacji naturalnej (promieniowanie kosmiczne, ziemskie itp.)
OA –

liczba ładunków swobodnych docierających do okładzin jest
proporcjonalna do przyłożonego napięcia

BC –

wzrost napięcia nie powoduje wzrostu prądu nasycenia I

s

C –

przy napięciu U

j

(napięcie jonizacji) energie elektronów są tak duże, że

zaczyna się proces jonizacji zderzeniowej

D -

przy napięciu U

p

dochodzi do jonizacji lawinowej i przebicia

elektrycznego powietrza

50

51

PRAWO PASCHENA

Charakterystyka Paschena.
Elektrody płaskie (20°C)

U

p

=U

o

[V]

pd

Długość drogi ładunków
swobodnych ma wpływ na
wartość krytycznego natężenia
pola przebicia.

λ∼∼∼∼

T/p

Przy stałych T i p droga
swobodna ładunków a tym
samym U

p

nie zmienia się.

Jeżeli p i d zmieniają się tak,
że ich iloczyn pozostaje
niezmienny, to napięcie
przebicia nie ulegnie zmianie

52

Wytrzymałość elektryczna powietrza zależy od:
- kształtu i odstępu elektrod,
- rodzaju napięcia (statyczne, udarowe),
- ciśnienia, temperatury, wilgotności,
- biegunowości elektrod (dla układów o polu nierównomiernym

np. ostrze – płyta).

a

Up

udarowe

stałe

53