Главная страница Наука Образование Ссылки Карта сайта Автор

Диэлектрические вещества - это такие вещества, в которых возможно накопление, сохранение и распространение электрической энергии.

Объемная концентрация энергии (плотность энергии) определяется выражением

где e ₀ - диэлектрическая постоянная, e ₀ = 8.85 10^-12 ф/м, e - диэлектрическая проницаемость материала, Е - напряженность электрического поля.

Удельные потери энергии в течение времени t при действии постоянного напряжения определяются выражением

где r - удельное электрическое сопротивление.

Абсолютной разницы между диэлектрическим и резистивным состояниями вещества нет, потому что в зависимости от условий одно и то же вещество может быть и диэлектриком и резистором. Основное условие, разграничивающее поведение вещества на резистивное и диэлектрическое основано на понятии максвелловского времени диэлектрической релаксации:

t = e₀·e ·r,                    (2.3)

Если на материал действует импульсное напряжение с длительностью импульса t , то при t<< t , вещество можно считать диэлектриком, а в случае обратного неравенства материал можно считать проводящим или резистивным. Для случая переменного напряжения следует сравнивать t и 1/w , где w - частота переменного напряжения, т.е. если t >> 1/w - это диэлектрик, а при t << 1/w - проводник.

Физический смысл максвелловского времени диэлектрической релаксации можно понять, взяв плоский конденсатор с веществом, имеющим соответствующие e , r (Рис.1). Тогда можно, учитывая геометрические параметры конденсатора, найти емкость конденсатора, считая его идеальным диэлектриком и сопротивление постоянному току, считая его идеальным проводником.

(2.4.)

          Собственно говоря, представление реального конденсатора в виде соединения идеального конденсатор и сопротивления (рис.2.1) является простейшей схемой замещения. Другое название этой схемы - параллельная схема замещения.

Помимо параллельной схемы замещения используется и последовательная схема замещения (рис.2.1 б.), хотя она и не имеет простого физического смысла подобно предыдущей схеме.

Из курса ТОЭ известно, что для схемы, изображенной на рис.2.1 а, постоянная времени разряда емкости С через сопротивление R при отключенном источнике составляет RC. Используя (2.4.) можно получить RC=t = e₀ ·e ·r. Отсюда следует, что физический смысл времени релаксации состоит в разряде собственной емкости через собственное сопротивление.

Рассмотрим некоторые примеры. Трансформаторное масло, хорошо очищенное от примесей, обладает удельным сопротивлением до r =10¹² Ом.м, диэлектрической проницаемостью e =2.2, откуда t = e₀ ·e ·r » 20 сек. Сравнивая с 1/w » 3 10^-3 сек. для переменного напряжения частотой 50 Гц можно заключить, что t >> 1/w , т.е. трансформаторное масло для этих условий является хорошим диэлектриком. Однако, как отсюда видно, для применения в устройствах постоянного напряжения трансформаторное масло малопригодно. А для загрязненного масла значение r может упасть до двух-трех порядков по величине, что приведет к t < 0.1 сек., что сравнимо с 1/w . Ясно, что такое масло непригодно и для устройств переменного напряжения.

В качестве второго примера рассмотрим воду. В обыденной жизни обычная вода является проводником и это не требует доказательств. Однако для импульсных устройств типа емкостных накопителей энергии, вода является наиболее подходящим диэлектриком. Действительно, у хорошо очищенной, т.н. "деионизованной" воды r » 10⁶ Ом·м, и при e » 80, значение t превышает 500 мксек. Из-за высоких электрической прочности E и диэлектрической проницаемости e , при этом значение плотности энергии в диэлектрике W (выражение (2.1)) для импульсов длительностью порядка 1 мксек, максимально в сравнении с аналогичным параметром для других диэлектриков, ввиду высоких электрической прочности Е и диэлектрической проницаемости e. Ясно, что вода может считаться хорошим диэлектриком для импульсов микро и субмикросекундного диапазонов. Обычная водопроводная вода, без дополнительной очистки, имеет r » 10-10² Ом·м, следовательно, она является проводником практически для любых импульсов напряжения.

Главная страница Наука Образование Ссылки Карта сайта Автор