1tom099

5. MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE

200

oczekiwania do chwili ustalenia się wartości prądu. Trudności tc są na ogól tym większe, im większa jest rezystywność badanego materiału (> 10¹⁵ fi-cm). W celu porównania wyników pomiaru konieczne jest podawanie czasu do chwili odczytu wartości prądu, licząc od chwili przyłożenia napięcia (często 60 s). Ponadto, aby uniknąć wpływu stanu spolaryzowania i clcktryzacji próbki, przed pomiarem należy ją pozostawić przez dłuższy czas zwarta i uziemioną.

Z podstaw elektrotechniki wiadomo, że pojemność kondensatora, którego dielektrykiem jest próżnia, zależy wyłącznie od konfiguracji geometrycznej elektrod*, * stąd pojemność takiego kondensatora nosi nazwę geometrycznej C_g. Jeśli pomiędzy elektrody wprowadzi się jakąkolwiek substancję ciekłą, stałą lub gazową, to pojemność kondensatora zwiększa się na skutek zjawiska polaryzacji ładunków związanych występujących w każdym ośrodku materialnym. Miarą zwiększenia się pojemności jest względna prze-nikalność elektryczna e_r = C/C_g, gdzie C — pojemność kondensatora zawierającego ośrodek materialny. A zatem przenikalność elektryczna występująca we wzorach określających pojemność kondensatora wynosi r. = c₀c„ przy czym e₀ - przenikalność elektryczna próżni (stała elektryczna). Aby powyższy wzór był słuszny dla wszystkich dielektryków, _t dla próżni wypada równe jedności, co w dużym przybliżeniu dotyczy również rozrzedzonych gazów. Dielektryk znajdujący się w polu elektrycznym ulega polaryzacji. Wpływ polaryzacji określa wartość podatności elektrycznej dielektryka y. Przenikalność elektryczna względna takiego układu wynosi r._r = 1 +y.

Rozróżnia się cztery podstawowe rodzaje mechanizmów polaryzacji wywołanych działaniem zewnętrznego pola elektrycznego:

—    elektronową — wywołaną indukowaniem się momentu dipolowego w atomie na skutek przesunięcia orbit elektronów względem jądra;

—    jonową — wywołaną indukowaniem się momentu dipolowego w kryształach na skutek przesunięcia się różnoimiennych jonów względem ich położenia równowagi;

—    dipolową — na skutek obrotów cząsteczek mających trwały moment dipolowy;

—    makroskopową (polaryzację ładunku przestrzennego) — wywołaną przesunięciem się ładunków swobodnych w obszarze ograniczonym barierami potencjału.

Uwzględniając różne mechanizmy polaryzacji, względną przenikalność elektryczną można

wyrazić w'zorem

^Sr — l+Xd + Xj+Xd + Xm    (5-71

gdzie: 35* Xp Xt> f.m ^S!! podatnościami odpowiednio od polaryzacji elektronowej, jonowej, dipolowej i makroskopowej.

Wartości ww. podatności zależą od częstotliwości. Po przekroczeniu pewnych częstotliwości charakterystycznych, zwanych przy •/<* i Xj — częstotliwościami rezonansowymi, zaś przy '/.i i Xm — relaksacyjnymi, następuje gwałtowne zmniejszenie podatności odpowiadające danemu rodzajowi polaryzacji. A zatem u, maleje (rys. 5.1 la). W zakresie częstotliwości stosowanych w elektrotechnice wartości Xd i Xj pozostają stałe. Z tego względu polaryzację elektronową i jonową nazywa się często polaryzacjami natychmiastowymi (częstotliwości rezonansowe polaryzacji elektronowej i jonowej sa zawarte w^r granicach 10¹²-^10¹⁴ Hz); praktycznie nie zależą od temperatury.

Podatność Zj w przypadku niektórych kryształów jonowych może osiągać bardzo duże wartości (np. dla Ti0₂ Xj = 180). Podatności i 7._m zależą od temperatury. Częstotliwość relaksacyjna wzrasta ze w’zrostcm temperatury.

Podatność pochodząca od polaryzacji dipolowej ze wzrostem temperatury początkowo wzrasta, a po osiągnięciu pewmego maksimum maleje.

Maksymalna wartość podatności oraz temperatura, przy której ona występuje zależą od częstotliwości pomiarowej; im wyższa jest częstotliwość, tym maksimum podatności (przenikalności elektrycznej) ma na ogół mniejszą wartość i występuje przy wyższych temperaturach.

Słuszne wówczas, gdy długość fali elektromagnetycznej jest znacznie większa od odległości między elektrodami.

Rys. 5.11. Zależność składowych względnej zespolonej przenikalność! elektrycznej od częstotliwości przy stałej temperaturze T (wykres ideowy odnoszący się do dielektryka wykazującego mechanizmy polaryzacji rezonansowych i relaksacyjnych oraz charakteryzującego się pewną konduktywnością >•): a) przebieg składowej rzeczywistej b) przebieg składowej urojonej e,tg<5 Zaczerpnięto z [5.1; 5.6; 5.22]

Prąd przesunięcia dielektryków wykazujących polaryzację dipolową i makroskopową, w przypadku skokowego przyłożenia stałego pola elektrycznego, zanika wykładniczo w funkcji czasu. Stała czasu tego przebiegu nosi nazwę stałej czasu relaksacji t_r, przy czym T_r=l/2nX> gdzie f. — częstotliwość relaksacyjna. Stała czasu relaksacji polaryzacji, w zależności od rodzaju materiału i warunków pomiaru (temperatura, wilgotność) waha się w granicach od milisekund do setek godzin. W wielu materiałach obserwuje się występowanie pasma częstotliwości relaksacyjnych.

Jednym z następstw polaryzacji wolnorelaksacyjnych jest zjawisko tzw. potencjału powrotnego. Polega ono na ponownym narastaniu potencjału na elektrodach kondensatora uprzednio zwartego i uziemionego, o ile czas zwarcia był na tyle krótki w porównaniu z czasem relaksacji, że dielektryk nic zdołał się całkowicie zdepolaryzować i tym samym część ładunku związanego pozostała na elektrodach. Ładunek ten w miarę postępującej depolaryzacji uwalnia się i wytwarza potengał.

Straty energii w dielektrykach p_e na jednostkę objętości przy przemiennym polu elektrycznym wyraża wzór

p_c = to E²s_t)r,_rtg8    (5.8)

gdzie: co — pulsacja; E — wartość skuteczna natężenia pola elektrycznego; e₀ — stała elektryczna próżni; s_r — względna przenikalność elektryczna; tg<5 — tangens kąta strat dielektrycznych.

Przy wprowadzeniu pojęcia względnej zespolonej przenikalności elektrycznej e_r = e'—jz", wartość e_r podana we wzorze (5.8) i w danych katalogowych odpowiada wartości z’, zaś tg<5 = r"/s'. Wielkość s, określa przesunięcie fazowe wektora indukcji jy przebiegach sinusoidalnie zmiennych względem wektora natężenia pola E, a zatem jy —

Źródłem strat w dielektrykach są: polaryzacja, przewodnictwo i wyładowania niezupełne. Straty wskutek polaryzacji osiągają wartość maksymalną przy częstotliwościach relaksacyjnych polaryzacji dipolowej i makroskopowej oraz przy częstotliwościach rezonansowych Polaryzacji elektronowej i jonową (rys. 5.11). Charakter przebiegu s_r i tg <5 w funkcji temperatury w przypadku występowania polaryzacji dipolowej lub makroskopowej zależy od tego, czy częstotliwość pomiarowa jest mniejsza czy też większa od częstotliwości relaksacyjnej. W pierwszym przypadku zarówno e„ jak i tg<5 maleją ze wzrostem temperatury, w drugim

— wzrastają osiągając wartość maksymalną wówczas, gdy częstotliwość relaksacyjna