BUDOWA I WA
ASNOŚCI DIELEKTRYKÓW
DIELEKTRYKI TO MATERIAA
Y, KTÓRE PRZY BRAKU ZEWN
-
TRZNYCH CZYNNIKÓW JONIZUJ
CYCH NIE ZAWIERAJ
W SWOJEJ
STRUKTURZE A
ADUNKÓW SWOBODNYCH.
DIELEKTRYKI
W ATOMACH I CZ
STECZKACH TYCH SUBSTANCJI WYST
PUJ

BARDZO SILNE WI
ZANIA.
POD WPA
YWEM POLA ELEKTRYCZNEGO A
ADUNKI ELEKTRYCZNE
W DIELEKTRYKACH ULEGAJ
NIEWIELKIM, SPR
śYSTYM
cz.1
PRZESUNI
CIOM WZGL
DEM SIEBIE. WI
ZANIA NIE ZOSTAJ

ZERWANE. W WYNIKU PRZESUNI
Ć DOCHODZI DO ZJAWISKA
POLARYZACJI DIELEKTRYKA W POLU ELEKTRYCZNYM.
WA
ASNOŚCI OGÓLNE
3
_
- +
+
1,2  OKA
ADZINY
DIELEKTRYKI GAZOWE
_
+ KONDENSATORA
_
_ 3 - DIELEKTRYK
+ - +
+
_
+
_
- +
+
1
_
2
+
INDUKCJA ELEKTRYCZNA
Dielektryk niespolaryzowany
PRAWO GAUSSA : je\
eli dowolne ładunki elektryczne zamknięte
zostaną w hipotetycznej powierzchni A, to między strumieniem
i spolaryzowany
indukcji elektrycznej a ładunkiem zamkniętym w tej powierzchni
zachodzi następujący związek
n
ÅšE = Å" dA = [A Å" s]
"qi
+"D
niespolaryzowany
i=1
spolaryzowany
4
Pole stałe
PRAWO GAUSSA cd.
Linie sił pola elektrycznego
i ekwipotencjalne
Między indukcją elektryczną a polem elektrycznym
zachodzi zwiÄ…zek A
adunek punktowy
D = µ Å"E = µ0 Å" µw Å"E [A Å" s/ m2]
µ przenikalność bezwzglÄ™dna oÅ›rodka
µ0  przenikalność pró\
ni (8,86 ·10-12 As/Vm)
µw  przenikalność wzglÄ™dna
Dipol
5 6
1
TRWAA
E DIPOLE ELEKTRYCZNE DIPOL ELEKTRYCZNY W JEDNORODNYM
ZEWN
TRZNYM POLU ELEKTRYCZNYM
CzÄ…steczka symetryczna CzÄ…steczka niesymetryczna
H2O
CO2
F
+q
trwały dipol
F=qE
B- - elektryczny 
B-
A+ - A+ -posiada trwały
F 
l
A+ A+ elektryczny moment
Åš
dipolowy
p2 p1 E
F 
F=qE
p2
p1
p=p1+ p2 = 0
p# 0
-q
F
Cl
H H
Cl
Ä = F'' Å" l = F Å" l Å" sin Åš = p Å" E Å" sin Åš
Cl C Cl H
H C H C Cl
H C Cl
Ä - moment obracajÄ…cy p
Cl
H H
Cl
elektryczny moment dipolowy p = q Å" l
metan CH4 czterochlorek chlorek
chloroform CHCl3
węgla CCl4 metanu CH3Cl 7 8
WEKTOR POLARYZACJI ELEKTRYCZNEJ
DIPOL ELEKTRYCZNY W JEDNORODNYM
ZEWN
TRZNYM POLU ELEKTRYCZNYM
p1
Wektor polaryzacji elektrycznej
n
pi
"pi
p2
i=1
P = lim [A Å" s / m2]
l
V0
V
F=qE E
F=qE pi - moment dipolowy i-tej czÄ…steczki
Åš=0
-q +q
P = µ0 Å" ·e Å"E
Wektor indukcji elektrycznej
Ä = 0
D = µ0 Å"E + P = µ0(1+ ·e)E = µ0 Å"µw Å"E [A Å"s / m2]
·e  podatność elektryczna oÅ›rodka
µw , ·e  sÄ… tensorami w oÅ›rodku anizotropowym (D,E i P majÄ… wtedy
9 ró\
ne kierunki) a w izotropowych sÄ… skalarami (D,E i P majÄ… wtedy takie
10
same kierunki)
POLARYZACJA DIELEKTRYKÓW
POLARYZACJE SPR
śYSTE
SPR
śYSTA (INDUKOWANA):
ELEKTRONOWA
- ELEKTRONOWA
-ATOMOWA
-JONOWA Powstaje
indukowany
POLARYZACJA TEGO TYPU ZACHODZI BARDZO SZYBKO, W CZASIE dipol
RZ
DU 10-15  10-13 s. JEST BEZSTRATNA, BO CAA
A ENERGIA Z NI
elektryczny
o momencie
ZWI
ZANA JEST MAGAZYNOWANA W POLU EL.
dipolowym p :
PO ZANIKU POLA UST
PUJE.
RELAKSACYJNA:
q- q+
-DIPOLOWA
E# 0
l
-JONOWA
E= 0
-SPONTANICZNA
p=q·l
POLARYZACJA TEGO TYPU ZACHODZI DUśO WOLNIEJ.
JEST ZWI
ZANA ZE STRATAMI. CZ
ŚĆ ENERGII Z NI
ZWI
ZANA
JEST MAGAZYNOWANA W POLU EL. A CZ
ŚĆ JEST TRACONA. 11
12
PO ZANIKU POLA UST
PUJE.
2
ATOMOWA
JONOWA INDUKOWANA
E# 0
E= 0
Cl- H+
Cl- H+
a
l E= 0 E# 0
l
p=q(l+a)
p=q·l
Powstaje moment dipolowy p
Powstaje dodatkowy
moment dipolowy p=qa
13 14
POLARYZACJE RELAKSACYJNE
JONOWA RELAKSACYJNA
DIPOLOWA
E# 0
E= 0
E# 0
E= 0
15 16
SPONTANICZNA
PODSTAWOWE PARAMETRY
ELEKTRYCZNE DIELEKTRYKÓW
1. PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA
2. REZYSTYWNOŚĆ
3. STRATY DIELEKTRYCZNE
E# 0
4. WYTRZYMAA
OŚĆ ELEKTRYCZNA
E= 0
Polaryzacja dielektryka jest sumą wszystkich rodzajów
polaryzacji występujących w materiale
P = Pel + Pi + Pd +& +
Podatność elektryczna jest wypadkową wszystkich
podatności
·= ·el + ·i + ·d +& +
· · · ·
· · · ·
· · · ·
17 18
3
PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA
Przenikalność elektryczna względna jest zale\
na od:
U U
- stanu skupienia dielektryka,
l
- rodzaju występujących polaryzacji,
- temperatury,
- częstotliwości zmiennego pola el.
Eo
Eo Ew
-
+
-
+
Ez
Qo Q
Eo=U/l
Eo=U/l
Q0 µ0 Å"S Q µ0 Å" µw Å"S
C0 = = [F]
C = = [F]
U l
U l
C > C0 bo Q > Q0
C Q µ0 Å" µw
= = = µw > 1
C0 Q0 µ0
19 20
Wpływ temperatury
Zale\
ność przenikalności elektrycznej
dielektryków stałych od temperatury
Zale\
ność przenikalności
µw
µw
elektrycznej oleju
syntetycznego od
temperatury
T
T
o budowie jonowej krystalicznej
soli Seignette a
Dalszy wzrost temperatury
lepkość mała, du\
a
µw
intensywność ruchów
5000
cieplnych, co utrudnia
obrót dipoli
Wzrost temperatury T
Niska temperatura 
lepkość maleje,
du\
a lepkość,
-20
obrót dipoli jest łatwiejszy
co utrudnia
o budowie amorficznej
obrót dipoli
21 22
REZYSTYWNOŚĆ SKROŚNA I POWIERZCHNIOWA
Zale\
ność przenikalności elektrycznej od częstotliwości
Przewodzenie w dielektrykach jest związane z ruchem jonów.
Ich liczebność i ruchliwość jest zale\
na od:
- natÄ™\
enia pola elektrycznego i jego czasu oddziaływania,
- temperatury,
- zawilgocenia,
- promieniowania jonizujÄ…cego,
- ilości i rodzaju zanieczyszczeń.
Pod wpływem napięcia niewielkie ilości ładunków tworzą prąd
elektryczny  nazywany prądem upływu Iu
Is - prąd skrośny
Iu=Is+Ip
Ip - prÄ…d powierzchniowy
W dielektryku występują dwa rodzaje rezystywności:
-Ás  rezystywność skroÅ›na (we wszystkich rodz. diel.),
Á
Á
Á
Á
Á 24
Á
23 - Áp  rezystywność powierzchniowa (tylko w diel. staÅ‚ych).
4
Pomiar rezystywności skrośnej dielektryków
dielektryk
Rezystywność skrośna
zale\
y od
- temperatury,
S
Is pA
_ 2
1
- zanieczyszczenia,
+
- zawilgocenia. V
a
Rezystywność powierzchniowa
3
zale\
y od
Rezystancja skrośna
1 (S)
- budowy dielektryka,
2
U
prÄ…d - zanieczyszczenia, Rs =
prÄ…d
skrośny
- zawilgocenia. Is a a - grubość dielektryka
powierzchniowy
Is
Rs = Ás Å" S  pole elektrody 1
Ip
S
Rezystywność skrośna
1,2,3 - elektrody
S
Ás = Rs Å" [&! Å"m]
25 a 26
STRATNOŚĆ DIELEKTRYCZNA
Pomiar rezystywności powierzchniowej dielektryków
Ip
Straty w dielektrykach sÄ… spowodowane :
pA
2
1
V - prądami upływu,
3 - polaryzacjÄ… relaksacyjnÄ…,
Rezystancja powierzchniowa
1
2
- wyładowaniami niezupełnymi,
U
Rp =
Ip a  odległość
-niejednorodnÄ… strukturÄ… dielektryku (polaryzacja
a
l między elektrodami
Rp = Áp Å"
Maxwella-Wagnera).
l  długość elektrod
l
a
Rezystywność powierzchniowa
l
Áp = Rp Å" [&! Å"m/m = &!]
27 28
a
WA

CZENIE DIELEKTRYKA DO y
RÓDA
A NAPI
CIA STAA
EGO
WA

CZENIE DIELEKTRYKA DO y
RÓDA
A
Ic - prÄ…d Å‚adowania, zwiÄ…zany z polaryzacjÄ… sprÄ™\
ystÄ… (energia potencjalna
NAPI
CIA SINUSOIDALNIE ZMIENNEGO
zostaje zmagazynowana w polu elektrycznym i całkowicie odzyskiwana po
rozładowaniu kondensatora)
Iac
Iu
Ia - prąd absorbcyjny związany z polaryzacją relaksacyjną (część energii jest Icz =Iu+ Iac
tracona na obrót dipoli)
Ib =Ic+ Iab
Iab
Iu - prąd upływu związany z konduktywnością skrośną
Ia
Ra
I  prÄ…d wypadkowy I= Ic+Ia+Iu
I
Cc
Ru
U
´=90°-Õ
U,I
Ic
Ca
Ic
´
Straty mocy w dielektryku: Ia Iu
U
P=UIu=U2/Rs Õ
I
Ia U
I= Ic+Ia+Iu
´ - kÄ…t stratnoÅ›ci dielektrycznej
´
´
´
Iu
tg´ - współczynnik stratnoÅ›ci dielektrycznej
´
´
´
Ic
t
29 30
tust tkońc
5
Icz
Icz =Iu+ Iac
Ic UR 1
Ib =Ic+ Iab
tg´ = = =
Ib U Å" É Å" C 2 Å" Ä„ Å" f Å" C Å" R
C
R I
U
Ib
a
Icz
Ib
´
R = Ás
I
S
Õ
U
µ Å"S
Icz Icz Å" U P
C =
tg´ = = =
a
Ib Ib Å" U Q
U 1
1
Q = Ib Å" U = Å" U = U2 Å" = U2 Å"ÉC
tg´ =
X 1/ ÉC
2Å" Ä„ Å" f Å" µ Å"Ás
31 32
P = tg´ Å"Q = tg´ Å" ÉÅ"CÅ"U2
Zale\
ność tg´ od czÄ™stotliwoÅ›ci i temperatury
´
´
´
Dielektryki o czÄ…stkach polarnych
wy\
sza temperatura 
wy\
sza temperatura
Dielektryki o cząstkach niepolarnych lepkość bardzo mała, co
 zmniejszona
powoduje, \
e sÄ… bardzo
lepkość, co ułatwia
małe opory dla obrotów
obrót dipoli,
1 dipoli, straty malejÄ…
większe straty
tg´ =
2 Å" Ä„ Å" f Å" µ Å" Ás
niska temperatura  du\
a
lepkość, co utrudnia obrot
wysoka temperatura
dipoli, mniejsze straty
du\
a częstotliwość zmian
mała częstotliwość zmian powoduje znaczne
pola  polaryzacja nie
pola  mniej obrotów dipoli, zmniejszenie
nadÄ…\
a za tymi zmianami,
mniejsze straty rezystywności dielektryka,
mniejsze straty
rośnie prąd upływu,
33
straty wzrastajÄ…34
MOSTEK SCHERINGA (prosty)
WYTRZYMAA
OŚĆ ELEKTRYCZNA
UMOÅ›LIWIA POMIAR : R, C, µw, tg´
µ ´
µ ´,
µ ´
DIELEKTRYKÓW
1
Zx = Rx - j
badany
kondensator ÉCx
NatÄ™\
enie pola elektrycznego Ep odpowiadające napięciu
obiekt
wzorcowy
1
przebicia Up nazywa się wytrzymałością elektryczną.
Z2 = -j
ÉC2
Dla układu kondensatora płaskiego wynosi ono
Ep=Up/l [V/m]
Z3 = R3
1
Wytrzymałość elektryczna materiałów izolacyjnych jest zale\
na od:
- j R4
ÉC4
Z4 =
1 1. Kształtu elektrod
elementy R4 - j
ÉC4
regulacyjne 2. Zawilgocenia
ZX Z2
3. Temperatury
=
WARUNEK RÓWNOWAGI MOSTKA
Z3 Z4
4. Grubości warstwy izolacyjnej
ST
D
tg´ = ÉCxRx = ÉC4R4
35 5. Rodzaju napięcia 36
6
Wpływ kształtu elektrod na wytrzymałość Wpływ zawilgocenia 
wzrost zawilgocenia powoduje znaczne obni\
enie
wytrzymałości
Wpływ temperatury 
wzrost temperatury prowadzi do pogorszenia własności
dielektryków a tym samym obni\
enia ich wytrzymałości
E
E
Wpływ grubości warstwy izolacyjnej  wzrost grubości
pociÄ…ga za sobÄ… obni\
enie wytrzymałości
x
x
37 38
TRWAA
OŚĆ MATERIAA
ÓW IZOLACYJNYCH
Wpływ rodzaju napięcia
W dielektrykach pod wpływem temperatury zachodzą nieodwracalne
udarowe 1,2/50 µs zmiany chemiczne (utlenianie, rozkÅ‚ad) powodujÄ…ce pogorszenie
µ
µ
µ
przemienne f=50Hz
stałe
własności dielektrycznych.
Zjawisko to nazywa siÄ™ starzeniem cieplnym izolacji i przebiega
tym szybciej, im wy\
sza jest temperatura.
Czas \
ycia izolacji określa się wzorem:
Ä = a Å"e-bt
Up
udarowe
Trwałość izolacji określa reguła Montsingera:
je\
eli temperatura pracy zmieni siÄ™ o 8°C, to
stałe
czas \
ycia zmieni siÄ™ dwukrotnie.
Wytrzymałość dielektryka przy napięciu
udarowym jest większa ni\
przy napięciu
stałym i przemiennym. a
39 40
KLASY CIEPA
OODPORNOÅšCI IZOLACJI
PODZIAA
DIELEKTRYKÓW
DIELEKTRYKI
DIELEKTRYKI DIELEKTRYKI
LOTNE STAA
E
CIEKA
E
(OLEJE)
materiały materiały materiały
izolacyjne izolacyjne nieorganiczne
GAZY POWIETRZE
NIEORGA- ORGANICZNE
ROÅšLINNE
NATURALNE (PRÓśNIA)
(mika, porcelana,
pochodzenia nieorganiczne NICZNE
kwarc, szkło)
organicznego z lepiszczami
GAZY
MINERALNE
SYNTETYCZNE
SYNTETYCZNE
Powy\
ej 250 klasy ciepłoodporności oznacza się symbolami
numerycznymi, oznaczanymi co 25°C
41 42
7
Jonizacja gazów
DIELEKTRYKI LOTNE
Rodzaj Charakter Warunki wystÄ…pienia Uwagi
jonizacji i przyczyny jonizacji jonizacji
Jonizacja Oddziaływanie Istnienie naturalnych Nieznaczne efekty
GAZY
naturalna naturalnych jonizatorów zewnętrznych jonizacyjne
WODÓR, AZOT, HEL, DWUTLENEK W
GLA
NATURALNE
czynników
jonizacyjnych
(ultrafioletowe
promieniowanie
GAZY
słoneczne,
SZEÅšCIOFLUOREK SIARKI, FREON
SYNTETYCZNE
radioaktywne
promieniowanie ziemi,
promieniowanie
kosmiczne)
POWIETRZE
Jonizacja Przekazywanie energii Dostatecznie silne pole el. Proces o charakterze
(PRÓśNIA)
zderzeniowa kinetycznej losowym. Jonizacja
"W d" Wj
czÄ…steczkom elektronowa daje
obojętnym przez większe efekty ni\

zderzajÄ…ce siÄ™ z nimi
m Å" v2 jonowa
Å‚adunki swobodne,
Wj =
głównie elektrony,
2
43 rozpędzone w polu el. 44
Fotojonizacja Jonizacja na skutek Promieniowanie o Proces o
promieniowania odpowiednio małej długości charakterze
krótkofalowego fali oraz powstanie losowym, istotny
(ultrafioletowego, fotoelektronów. przy du\
ych
rentgenowskiego) odstępach
pochodzenia iskrowych.
zewnętrznego oraz
"W d" Wj
z obszaru
wyładowania (podczas
c Å" h
procesów Wj =
rekombinacyjnych) 
Fotojonizacja bezpośrednia
45 46
Jonizacja Jonizacja przy Dostatecznie wysoka Proces o
cieplna zderzeniach czÄ…stek temperatura gazu. charakterze
Jonizacja Emisja ładunków Energia Energia wyjścia
gazu biorÄ…cych losowym, istotny
powierzchniowa swobodnych dostarczana z elektronu z
udział w ruchach "W d" Wj w końcowej fazie
(gł.elektronów) z elektrod zewnątrz, metalu jest na
cieplnych i wyładowania,
w wyniku: większa od ogół większa od
wzajemnym gdy przeskok
energii wyjścia energii jonizacji.
-termoemisji (nagrzewanie
przekazywaniu iskrowy
3
elektronu dla Efektywne jest
elektrod),
energii kinetycznej przechodzi w Å‚uk
Wj = k Å"T
pokonania bombardowanie
-emisji polowej
(odmiana jonizacji elektryczny.
2
bariery elektrody jonami.
(oddziaływanie znacznego
zderzeniowej)
potencjału na
pola el.),
powierzchni
- fotoemisji (naświetlanie
elektrody
powierzchni elektrod),
-emisji wtórnej
(bombardowanie
powierzchni metalu
jonami).
47 48
8
DIELEKTRYKI LOTNE - POWIETRZE
jest podtrzymywane jest podtrzymywane
przez czynniki przez czynniki
pochodzÄ…ce z zewnÄ…trz pochodzÄ…ce z obszaru
wyładowania wyładowania
Charakterystyka prądowo-napięciowa
(jonizacyjna) kondensatora
powietrznego-płaskiego
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 przyło\
onego napięcia
BC  wzrost napięcia nie powoduje wzrostu prądu nasycenia Is
C  przy napięciu Uj (napięcie jonizacji) energie elektronów są tak du\
e, \
e
zaczyna siÄ™ proces jonizacji zderzeniowej
D - przy napięciu Up dochodzi do jonizacji lawinowej i przebicia
elektrycznego powietrza
49 50
Wytrzymałość elektryczna powietrza zale\
y od:
PRAWO PASCHENA
- kształtu i odstępu elektrod,
Up=Uo Długość drogi ładunków - rodzaju napięcia (statyczne, udarowe),
swobodnych ma wpływ na - ciśnienia, temperatury, wilgotności,
[V]
wartość krytycznego natę\
enia - biegunowości elektrod (dla układów o polu nierównomiernym
pola przebicia. np. ostrze  płyta).
Up
udarowe
<"
<"T/p
<"
<"
Przy stałych T i p droga
stałe
swobodna ładunków a tym
samym Up nie zmienia siÄ™.
Je\
eli p i d zmieniajÄ… siÄ™ tak,
a
\
e ich iloczyn pozostaje
pd
niezmienny, to napięcie
przebicia nie ulegnie zmianie
Charakterystyka Paschena.
Elektrody pÅ‚askie (20°C)
51 52
53
9