Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость материала, используе­мого в качестве диэлектрика, равна отношению емкости конденсатора, в котором диэлектриком служит данный материал, к емкости того же конденсатора с вакуумом в качестве диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость сухого воздуха приблизительно равна единице. Конден­сатор с твердым или жидким диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого выше диэлектрической про­ницаемости воздуха или вакуума, может запасать в ε раз больше энергии при равном напряжении, поданном на пла­стины. Следующие величины диэлектрической проницаемости ε некоторых типичных конденсаторных диэлектриков при температуре 25° С:

Таблица 1

Диэлектрики могут быть разбиты на две основные группы: полярные и неполярные материалы. В полярных материалах внутри молекулярной структуры существует постоянное неравновесие электрических зарядов. Диполи представляют собой молекулы, в которых центры действия положительных и отрицательных зарядов находятся на некоторых расстояниях друг от друга. В условиях переменного электрического поля, если частота не слишком высока, диполи самоориентируются. Переориентация ди­полей вызывает при некоторых значениях частоты и тем­пературы большие потери.

В неполярных материалах электрические заряды внутри молекулярной структуры уравновешены. По этой причине неполярные материалы не имеют острого максимума потерь при изменении частоты и температуры. Поливинилхлорид может служить характерным представителем полярных материалов. Диэлектрическая проницаемость поливинилхлорида, равная 10 при низких частотах, снижается до 3—4 при частоте в несколько мегагерц. Полистирол — типичный неполярный материал с ди­электрической проницаемостью, приблизительно равной 2,5 как при постоянном, так и при переменном напряжении при частоте до многих тысяч мегагерц.

Исключительным материалом, имеющим специальные свойства, является керамика с высокой диэлектрической проницаемостью. Высокое значение ε у этого материала сохраняется при частотах до многих тысяч мегагерц, но в то же время он обладает очень высокой индуктированной поляризацией. При некотором напряжении молекулярная структура искажается настолько, что становится чрезвы­чайно чувствительной к температуре, механическому дав­лению и приложенному напряжению. В этих условиях диэлектрическая проницаемость возрастает до очень высо­ких значений.

Потери в диэлектриках

Потери возникают за счет тока утечки, диэлектрической абсорбции и тому подобных явлений в зависимости от частоты рабочего напряжения.

Изменение ε с частотой незначительно до тех пор, пока потери малы. Потери увеличиваются, когда столкновения молекул затрудняют их ориентацию в электри­ческом поле; при этом диэлектрическая прони­цаемость падает,

Вязкость молекуляр­ной структуры ограничивает частоту, при которой может происхо­дить полная ориентация диполей. Если приложен­ное напряжение имеет частоту, сравнимую с этим граничным значе­нием, то потери резко возрастают. Сопротивле­ние, эквивалентное по­терям, может быть вве­дено как в последова­тельную, так и в парал­лельную эквивалентную схему. Это зависит от способа измерения при заданном частном значении ча­стоты. Важным критерием является отношение:

Мощность, затраченная за один период

Мощность, запасённая за один период

Эта величина называется коэффициентом мощности ма­териала и для хороших диэлектриков не зависит от частоты. Когда через конденсатор протекает переменный ток, векторы тока и напряжения сдвинуты один по отношению к другому меньше чем на 90°. Это фазовый угол φ. Угол δ, дополняющий фазовый угол φ до 90°, называется углом потерь. Косинус фазового угла или синус угла потерь равен коэффициенту мощности. Поэтому ди­электрические потери могут быть представлены в виде произведения: UIcos φ или UIsinδ. Обычно угол потерь так мал (при значении коэффициента мощности менее 10%), что можно принять    tgδ равным sinδ. Хотя более удобно выражать потери через tgδ, чем через cosφ, так как первый легче измерить, однако для характеристики диэлектрических потерь в конденсаторах используются оба обозначения. В идеальном конденсаторе, не имеющем диэлектрических потерь, δ = 0.

Коэффициент рассеивания (тангенс угла потерь)

где f – частота, Гц;

R – эквивалентное последовательное сопротивление, Ом;

С – емкость, мкФ.

Коэффициент мощности может быть представлен в виде отношения потерь в диэлектрике к произведению из прило­женного напряжения на ток:

Общая потерянная (активная) мощность, Вт

Напряжение (действующее значение) * ток действующее значение

Поэтому коэффициент мощности рассчитывают по формуле:

где P_a – активная мощность, Вт;

f – частота, Гц;

C – емкость, мкФ;

U – напряжение, В.

Добротность конденсатора Q — величина, обратная зна­чению tgδ. Она может быть представлена как отношение чисто реактивного сопротивления к эффективному сопро­тивлению, эквивалентному потерям.

Диэлектрическая абсорбция

Если конденсатор не обладает диэлектрической абсорб­цией, то начальный заряжающий или поляризационный ток при постоянном напряжении

                                               ,

где i – ток, А, через время, τ;

U – приложенное напряжение, В;

R – сопротивление, эквивалентное потерям в конденсаторе при последовательной схеме замещения, Ом.

Поляризационный ток асимптотически снижается до нуля. Когда R мало, это происходит за малый промежуток времени, и конденсатор зарядится полностью.

Если полностью заряженный конденсатор мгновенно разрядить и оставить его выводы на некоторое время разомк­нутыми, то во всех конденсаторах с твердым диэлектриком наблюдается накопление нового заряда, так как некоторая часть первоначального заряда была «поглощена» (абсорби­рована) диэлектриком. Это явление называют диэлектриче­ской абсорбцией. Оно приводит к определенному запазды­ванию во времени в процессе зарядки и разряда.

Диэлектрическая абсорбция происходит вследствие того, что на смещение связанных зарядов в диэлектрике из их нормального положения требуется некоторое конечное время, так как вязкость вещества (внутреннее трение) пре­пятствует их движению. Время установления поляризации различно для разных диэлектриков — поляризация может установиться или почти мгновенно или в течение многих часов. В одном и том же диэлектрике несколько электронов или ионов может приобрести способность к свободному пе­ремещению после промежутка времени, исчисляемого секун­дами или даже сутками. Явление усложняется еще и тем, что, например, в случае бумажных пропитанных конденса­торов время установления поляризации бумаги и пропиточ­ной массы оказывается различным.

Диэлектрическая абсорбция вызывает уменьшение ем­кости при повышении рабочей частоты и появление нежела­тельной задержки во времени в некоторых импульсных схемах или цепях, требующих быстрой смены зарядки и разряда.