Elektrisk permeabilitet
Elektrisk permittivitet är ett värde som kännetecknar kapacitansen hos en dielektrikum placerad mellan plattorna på en kondensator. Som bekant beror kapacitansen hos en platt kondensator på plattornas yta (än större område plattor, desto större kapacitans), avståndet mellan plattorna eller tjockleken på dielektrikumet (ju tjockare dielektrikum, desto mindre kapacitans), samt på det dielektriska materialet, vars egenskap är den elektriska permeabiliteten.
Numeriskt är den elektriska permittiviteten lika med förhållandet mellan kondensatorns kapacitans och någon dielektrikum av densamma luftkondensor. För att skapa kompakta kondensatorer är det nödvändigt att använda dielektrikum med hög elektrisk permittivitet. Den elektriska permittiviteten för de flesta dielektrika är flera enheter.
Dielektrikum med hög och ultrahög elektrisk permeabilitet har erhållits inom tekniken. Deras huvuddel är rutil (titandioxid).
Figur 1. Mediets elektriska permeabilitet
Dielektrisk förlustvinkel
I artikeln "Dielektrik" tittade vi på exempel på att inkludera ett dielektrikum i DC- och AC-kretsar. Det visade sig att i ett riktigt dielektrikum, när det arbetar i ett elektriskt fält som bildas av en växelspänning, frigörs termisk energi. Den effekt som absorberas i detta fall kallas dielektriska förluster. I artikeln "En växelströmskrets som innehåller kapacitans" kommer det att bevisas att i ett idealiskt dielektrikum leder den kapacitiva strömmen spänningen med en vinkel mindre än 90°. I ett riktigt dielektrikum leder kapacitiv ström spänningen med en vinkel mindre än 90°. Minskningen av vinkeln påverkas av läckström, annars kallad ledningsström.
Skillnaden mellan 90° och skiftvinkeln mellan spänning och ström som passerar i en krets med ett reellt dielektrikum kallas dielektrisk förlustvinkel eller förlustvinkel och betecknas δ (delta). Oftare är det inte vinkeln i sig som bestäms, utan tangenten till denna vinkel -tan δ.
Det har fastställts att dielektriska förluster är proportionella mot kvadraten av spänningen, frekvensen av växelströmmen, kapacitansen hos kondensatorn och tangenten för den dielektriska förlustvinkeln.
Följaktligen, ju större tangens för dielektrisk förlust, tan δ, desto större energiförlust i dielektrikumet, desto sämre är det dielektriska materialet. Material med en relativt stor tg δ (i storleksordningen 0,08 - 0,1 eller mer) är dåliga isolatorer. Material med en relativt liten tan δ (cirka 0,0001) är bra isolatorer.
Kapacitansen hos en kondensator beror, som erfarenheten visar, inte bara på storleken, formen och relativa positionen för dess ingående ledare, utan också på egenskaperna hos dielektrikumet som fyller utrymmet mellan dessa ledare. Effekten av dielektrikumet kan fastställas med hjälp av följande experiment. Låt oss ladda den platta kondensatorn och notera avläsningarna av elektrometern, som mäter spänningen över kondensatorn. Sedan skjuter vi in en oladdad ebonitplatta i kondensatorn (bild 63). Vi kommer att se att potentialskillnaden mellan plattorna kommer att minska märkbart. Om du tar bort eboniten förblir elektrometeravläsningarna desamma. Detta visar att när luft ersätts med ebonit ökar kondensatorns kapacitans. Om vi tar något annat dielektrikum istället för ebonit kommer vi att få ett liknande resultat, men bara förändringen i kondensatorns kapacitans kommer att vara annorlunda. Om är kapacitansen för en kondensator, mellan plattorna som det finns ett vakuum av, och är kapacitansen för samma kondensator, när hela utrymmet mellan plattorna är fyllt, utan luftgap, med någon form av dielektrikum, då är kapacitansen kommer att vara flera gånger större än kapacitansen, där den endast beror på dielektrikumets natur. Således kan man skriva
Ris. 63. Kapacitansen hos kondensatorn ökar när en ebonitplatta trycks mellan dess plattor. Elektrometerns löv faller av, även om laddningen förblir densamma
Kvantiteten kallas den relativa dielektricitetskonstanten eller helt enkelt dielektricitetskonstanten för mediet som fyller utrymmet mellan plattorna på kondensatorn. I tabell Tabell 1 visar dielektriska konstanter för vissa ämnen.
Tabell 1. Dielektrisk konstant för vissa ämnen
|
Ämne |
|
|
Vatten (rent) |
|
|
Keramik (radioteknik) |
|
Ovanstående gäller inte bara för en platt kondensator, utan också för en kondensator av vilken form som helst: genom att ersätta luft med någon form av dielektrikum ökar vi kondensatorns kapacitans med flera gånger.
Strängt taget ökar kapacitansen hos en kondensator med en faktor endast om alla fältlinjer som går från en platta till en annan passerar genom ett givet dielektrikum. Detta kommer till exempel att vara fallet för en kondensator som är helt nedsänkt i något flytande dielektrikum som hälls i ett stort kärl. Men om avståndet mellan plattorna är litet jämfört med deras storlekar, kan vi anta att det räcker att bara fylla utrymmet mellan plattorna, eftersom det är här kondensatorns elektriska fält praktiskt taget är koncentrerat. Så för en platt kondensator räcker det att bara fylla utrymmet mellan plattorna med ett dielektrikum.
Genom att placera ett ämne med hög dielektricitetskonstant mellan plattorna kan kondensatorns kapacitans ökas kraftigt. Detta används i praktiken och vanligtvis väljs glas, paraffin, glimmer och andra ämnen som dielektrikum för en kondensator snarare än luft. I fig. 64 visar en teknisk kondensator i vilken dielektrikumet är paraffinimpregnerad papperstejp. Dess omslag är staniolark pressade på båda sidor till vaxat papper. Kapaciteten hos sådana kondensatorer når ofta flera mikrofarader. Till exempel en amatörradiokondensator storleken på tändsticksask har en kapacitet på 2 µF.
Ris. 64. Teknisk platt kondensator: a) monterad; b) i delvis demonterad form: 1 och 1" - staniolband, mellan vilka tejper av vaxat tunt papper 2 läggs. Alla band viks ihop som ett dragspel och placeras i en metalllåda. Kontakterna 3 och 3" löds fast vid ändarna av band 1 och 1" för att inkludera en kondensator i kretsen
Det är tydligt att endast dielektrikum med mycket goda isoleringsegenskaper är lämpliga för tillverkning av en kondensator. Annars kommer laddningar att flöda genom dielektrikumet. Därför är vatten, trots sin höga dielektricitetskonstant, inte alls lämpligt för tillverkning av kondensatorer, eftersom endast extremt noggrant renat vatten är ett tillräckligt bra dielektrikum.
Om utrymmet mellan plattorna på en platt kondensator är fyllt med ett medium med dielektricitetskonstant, så tar formeln (34.1) för en platt kondensator formen
Det faktum att en kondensators kapacitans beror på miljön indikerar att det elektriska fältet inuti dielektrikum förändras. Vi har sett att när en kondensator är fylld med ett dielektrikum med en dielektricitetskonstant ökar kapacitansen med en faktor flera gånger. Det betyder att med samma laddningar på plattorna minskar potentialskillnaden mellan dem med en faktor. Men potentialskillnaden och fältstyrkan är relaterade till varandra genom relation (30.1). Därför innebär en minskning av potentialskillnaden att fältstyrkan i kondensatorn när den är fylld med ett dielektrikum blir mindre med en faktor. Detta är anledningen till att öka kondensatorns kapacitans. gånger mindre än i vakuum. Av detta drar vi slutsatsen att Coulombs lag (10.1) för punktladdningar placerade i ett dielektrikum har formen
VIRTUELLT LABORATORIEARBETE Nr 3 PÅ
SOLID TILLSTÅND FYSIK
Riktlinjer för implementering laboratoriearbete Nr 3 i sektionen "Solid State" fysik för studenter av tekniska specialiteter av alla former av studier
Krasnojarsk 2012
Recensent
Kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper, docent O.N. Bandurina
(Siberian State Aerospace University
uppkallad efter akademikern M.F. Reshetnev)
Publicerad efter beslut av ICT-metodikkommissionen
Bestämning av dielektricitetskonstanten för halvledare. Virtuella laboratoriearbete nr 3 om fasta tillståndets fysik: Riktlinjer för att utföra laborationer nr 3 i avsnittet ”Solid State” fysik för tekniska studenter. specialist. alla utbildningsformer / sammanställd av: A.M. Charkiv; Sib. stat flyg univ. – Krasnoyarsk, 2012. – 21 sid.
Sibiriens statliga flyg- och rymdfart
Universitetet uppkallat efter akademikern M.F. Reshetneva, 2012
Inledning………………………………………………………………………………………………...4
Antagning till laborationer………………………………………………………………...4
Förberedelse av laborationer för försvaret…………………………………………...4
Bestämning av dielektricitetskonstanten för halvledare…………………5
Metodens teori………………………………………………………………………………………………5
Metod för att mäta dielektricitetskonstanten…………………..……..11
Bearbetning av mätresultat………………………..………………………………16
Testfrågor………………………………………………………………………………….17
Test……………………………………………………………………………………….17
Referenser………………………………………………………………………………………………20
Bilaga………………………………………………………………………………………………………21
INTRODUKTION
Data riktlinjer innehålla beskrivningar av laborationer där virtuella modeller från kursen ”Fysik i fasta tillståndet” används.
Antagning till laborationer:
Genomförs av en lärare i grupper med en personlig enkät till varje elev. För antagning:
1) Varje student förbereder först sina personliga anteckningar för detta laborationsarbete;
2) Läraren kontrollerar individuellt formateringen av anteckningarna och ställer frågor om teori, mätteknik, installation och bearbetning av resultat;
3) Eleven svarar frågor som ställs;
4) Läraren låter eleven arbeta och sätter sin signatur på elevens anteckningar.
Förberedelse av laboratoriearbete för försvar:
Arbetet, fullt genomfört och förberett för försvar, måste uppfylla följande krav:
Komplettering av alla punkter: alla beräkningar av de erforderliga värdena, alla tabeller ifyllda med bläck, alla ritade grafer, etc.
Scheman måste uppfylla lärarens alla krav.
För alla värden i tabeller måste motsvarande måttenhet skrivas.
Slutsatserna för varje graf registrerades.
Svaret skrevs ut i föreskriven form.
Slutsatser baserade på svaret registrerades.
BESTÄMNING AV DELEKTRISKA KONTINUITET FÖR HALVLEDARE
Metodens teori
Polariseringär förmågan hos ett dielektrikum att polarisera under påverkan av ett elektriskt fält, dvs. ändra placeringen av anslutna laddade dielektriska partiklar i rymden.
Den viktigaste egendomen dielektrikum är deras förmåga att elektriskt polarisera, dvs. under påverkan av ett elektriskt fält sker en riktad förskjutning av laddade partiklar eller molekyler över ett begränsat avstånd. Under påverkan av ett elektriskt fält förskjuts laddningar i både polära och icke-polära molekyler.
Det finns mer än ett dussin olika typer polarisering. Låt oss titta på några av dem:
1. Elektronisk polariseringär en förskjutning av elektronbanor i förhållande till en positivt laddad kärna. Det förekommer i alla atomer av något ämne, d.v.s. i all dielektrik. Elektronisk polarisering etableras inom 10 -15 –10 -14 s.
2. Jonisk polarisering– förskjutning av motsatt laddade joner i förhållande till varandra i ämnen med jonbindningar. Dess etableringstid är 10 -13 -10 -12 s. Elektronisk och jonisk polarisering är bland de momentana eller deformationstyperna av polarisering.
3. Dipol eller orienteringspolarisation på grund av dipolernas orientering i det elektriska fältets riktning. Polära dielektrika har dipolpolarisering. Dess etableringstid är 10 -10 -10 -6 s. Dipolpolarisering är en av de långsamma eller avslappnande typerna av polarisering.
4. Migrationspolarisering observeras i inhomogen dielektrik, där elektriska laddningar ackumuleras vid gränsen för inhomogenitetsregionen. Processerna för att etablera migrationspolarisering är mycket långsamma och kan pågå över minuter och till och med timmar.
5. Jon-relaxation polarisation orsakas av överdriven överföring av svagt bundna joner under påverkan av ett elektriskt fält över avstånd som överstiger gitterkonstanten. Jon-relaxation polarisation manifesterar sig i vissa kristallina ämnen i närvaro av föroreningar i form av joner eller lös packning av kristallgittret. Dess etableringstid är 10 -8 -10 -4 s.
6. Elektronisk avslappningspolarisering uppstår på grund av överskott av "defekta" elektroner eller "hål" som exciteras av termisk energi. Denna typ av polarisation orsakar som regel en hög dielektricitetskonstant.
7. Spontan polarisering– spontan polarisering som uppstår i vissa ämnen (till exempel Rochelle-salt) i ett visst temperaturområde.
8. Elastisk-dipol polarisation associerad med elastisk rotation av dipoler genom små vinklar.
9. Resterande polarisering– polarisering som finns kvar i vissa ämnen (elektreter) under lång tid efter att det elektriska fältet avlägsnats.
10. Resonant polarisering. Om det elektriska fältets frekvens är nära den naturliga frekvensen av svängningar av dipolerna, kan molekylernas vibrationer öka, vilket kommer att leda till uppkomsten av resonanspolarisering i dipoldielektriken. Resonant polarisation observeras vid frekvenser som ligger i området för infrarött ljus. Ett riktigt dielektrikum kan samtidigt ha flera typer av polarisering. Förekomsten av en eller annan typ av polarisation bestäms fysiska och kemiska egenskaperämnen och frekvensområdet som används.
Huvudparametrar:
ε – dielektrisk konstant– mått på ett materials förmåga att polarisera; detta är en kvantitet som visar hur många gånger kraften av interaktion av elektriska laddningar i ett givet material är mindre än i ett vakuum. Ett fält uppträder inuti dielektrikumet, riktat mitt emot det externa.
Den externa fältstyrkan försvagas jämfört med fältet för samma laddningar i vakuum med ε gånger, där ε är den relativa dielektricitetskonstanten.
Om vakuumet mellan kondensatorplattorna ersätts av ett dielektrikum, ökar kapacitansen som ett resultat av polariseringen. Detta är grunden för en enkel definition av dielektricitetskonstanten:
där C 0 är kapacitansen för kondensatorn, mellan plattorna som det finns ett vakuum.
Cd är kapacitansen för samma kondensator med ett dielektrikum.
Dielektricitetskonstantenε för ett isotropiskt medium bestäms av förhållandet:
(2)
där χ är den dielektriska susceptibiliteten.
D = tan δ – dielektrisk förlusttangens
Dielektriska förluster – förluster elektrisk energi, orsakad av flödet av strömmar i dielektrikum. En skillnad görs mellan genomledningsström I sc.pr, orsakad av närvaron av ett litet antal lättrörliga joner i dielektrikum, och polarisationsströmmar. Med elektronisk polarisering och jonpolarisering kallas polarisationsströmmen förskjutningsströmmen I cm, den är mycket kortlivad och registreras inte av instrument. Strömmar associerade med långsamma (avslappnings-) typer av polarisering kallas absorptionsströmmar I abs. I allmänt fall den totala strömmen i dielektrikumet bestäms som: I=I abs +I sk.pr. Efter att polarisering har etablerats kommer den totala strömmen att vara lika med: I=I rms. Om i ett konstant fält polarisationsströmmar uppstår i det ögonblick som spänningen slås på och av, och den totala strömmen bestäms i enlighet med ekvationen: I = I sk.pr, så uppstår i ett växelfält polarisationsströmmar i det ögonblick som spänningspolaritetsförändringar. Som ett resultat kan förluster i dielektrikumet i ett växelfält vara betydande, speciellt om halvcykeln för den pålagda spänningen närmar sig tiden för polarisationsetablering.
I fig. 1(a) visar en krets ekvivalent med en kondensator med en dielektrikum placerad i en växelspänningskrets. I denna krets ersätts en kondensator med en verklig dielektrikum, som har förluster, av en idealisk kondensator C med en parallell aktiv resistans R. I fig. Figur 1(b) visar ett vektordiagram över strömmar och spänningar för den aktuella kretsen, där U är spänningen i kretsen; I ak – aktiv ström; I r – reaktiv ström, som är 90° före den aktiva komponenten i fas; I ∑ - total ström. I detta fall: I а =I R =U/R och I р =I C =ωCU, där ω är växelfältets cirkulära frekvens.
Ris. 1. (a) – diagram; (b) – vektordiagram över strömmar och spänningar
Den dielektriska förlustvinkeln är vinkeln δ, som kompletterar upp till 90° fasförskjutningsvinkeln φ mellan strömmen I ∑ och spänningen U i den kapacitiva kretsen. Förluster i dielektrikum i ett växelfält kännetecknas av den dielektriska förlusttangenten: tan δ=Ia/Ir.
Gränsvärdena för den dielektriska förlusttangenten för högfrekventa dielektrika bör inte överstiga (0,0001 - 0,0004) och för lågfrekventa dielektrika - (0,01 - 0,02).
Beroende av ε och tan δ på temperatur T och frekvens ω
Dielektriska parametrar för material i varierande grad beror på temperatur och frekvens. Ett stort antal dielektriska material tillåter oss inte att täcka funktionerna i alla beroenden av dessa faktorer.
Därför, i fig. 2 (a, b) visas allmänna trender, karakteristisk för vissa huvudgrupper, dvs. Typiska beroenden av dielektricitetskonstanten e på temperaturen T(a) och frekvensen ω(b) anges.
Ris. 2. Frekvensberoende för de reella (εʹ) och imaginära (εʺ) delarna av dielektricitetskonstanten i närvaro av en orienteringsrelaxationsmekanism
Komplex dielektrisk konstant. I närvaro av avslappningsprocesser är det bekvämt att skriva dielektricitetskonstanten i komplex form. Om Debye-formeln är giltig för polariserbarhet:
(3)
där τ är relaxationstiden, α 0 är den statistiska orienteringspolariserbarheten. Sedan, om vi antar att det lokala fältet är lika med det externa, får vi (i SGS):
Grafer över beroendet av εʹ och εʺ på produkten ωτ visas i fig. 2. Notera att minskningen av εʹ (den reella delen av ε) sker nära maximum av εʺ (den imaginära delen av ε).
Detta förändringsförlopp i εʹ och εʺ med frekvens fungerar som ofta förekommande exempel ett mer generellt resultat, enligt vilket εʹ(ω) på frekvens också medför εʺ(ω) beroende av frekvens. I SI-systemet bör 4π ersättas med 1/ε 0.
Under påverkan av ett applicerat fält polariseras molekyler i ett opolärt dielektrikum och blir dipoler med ett inducerat dipolmoment μ Och, proportionell mot fältstyrkan:
(5)
I ett polärt dielektrikum är dipolmomentet för en polär molekyl μ i allmänhet lika med vektorsumman av dess egen μ 0 och inducerade μ Ochögonblick:
(6)
Fältstyrkorna som produceras av dessa dipoler är proportionella mot dipolmomentet och omvänt proportionella mot avståndets kub.
För opolära material, vanligtvis ε = 2 – 2,5 och är inte beroende av frekvens upp till ω ≈10 12 Hz. Beroendet av ε av temperaturen beror på det faktum att när den ändras ändras de linjära dimensionerna av fasta ämnen och volymerna av flytande och gasformiga dielektrikum, vilket ändrar antalet molekyler n per volymenhet
och avstånden mellan dem. Använder de relationer som är kända från teorin om dielektrikum F=n\μ Och Och F=ε 0 (ε - 1)E, Var F– polarisering av materialet, för opolär dielektrik har vi:
(7)
När E=konst också μ Och= const och temperaturförändringen ε beror endast på förändringen i n, vilket är linjär funktion temperatur Θ, beroendet ε = ε(Θ) är också linjärt. För polär dielektrik finns inga analytiska beroenden, och empiriska används vanligtvis.
1) När temperaturen ökar ökar dielektrikumets volym och dielektricitetskonstanten minskar något. Minskningen av ε är särskilt märkbar under perioden av mjukning och smältning av opolära dielektrika, när deras volym ökar avsevärt. På grund av elektroncirkulationens höga frekvens i omloppsbanor (cirka 10 15 – 10 16 Hz) är tiden för att upprätta ett jämviktstillstånd för elektronisk polarisation mycket kort och permeabiliteten ε för opolära dielektrika beror inte på fältfrekvensen i det vanligaste frekvensområdet (upp till 10 12 Hz).
2) När temperaturen ökar försvagas bindningarna mellan enskilda joner, vilket underlättar deras interaktion under påverkan av ett yttre fält och detta leder till en ökning av jonpolarisation och dielektrisk konstant ε. På grund av den korta tid det tar att fastställa tillståndet för jonpolarisation (ca 10 13 Hz, vilket motsvarar den naturliga frekvensen av jonvibrationer i kristallgitter) en förändring i frekvensen av det yttre fältet i konventionella arbetsområden har praktiskt taget ingen effekt på värdet av e i joniska material.
3) Dielektricitetskonstanten för polära dielektrika beror starkt på temperaturen och frekvensen hos det yttre fältet. Med ökande temperatur ökar partiklarnas rörlighet och energin för interaktion mellan dem minskar, d.v.s. deras orientering underlättas under påverkan av ett externt fält - dipolpolarisationen och den dielektriska konstanten ökar. Denna process fortsätter dock endast upp till en viss temperatur. Med ytterligare temperaturökning minskar permeabiliteten ε. Eftersom orienteringen av dipoler i fältets riktning utförs i processen termisk rörelse och genom termisk rörelse kräver etableringen av polarisering avsevärd tid. Den här tiden är så stor att variabla fält Vid höga frekvenser hinner inte dipolerna orientera sig längs fältet, och permeabiliteten ε minskar.
Metodik för att mäta dielektricitetskonstanten
Kondensatorkapacitet. Kondensatorär ett system av två ledare (plattor) åtskilda av ett dielektrikum, vars tjocklek är liten jämfört med ledarnas linjära dimensioner. Till exempel bildar två platta metallplattor anordnade parallellt och åtskilda av ett dielektriskt skikt en kondensator (fig. 3).
Om plattorna i en platt kondensator ges laddningar av samma storlek och motsatta tecken, kommer den elektriska fältstyrkan mellan plattorna att vara dubbelt så stark som fältstyrkan för en platta:
(8)
där e är dielektricitetskonstanten för dielektrikumet som fyller utrymmet mellan plattorna.
Fysisk kvantitet bestäms av laddningsförhållande q en av kondensatorplattorna till potentialskillnaden Δφ mellan kondensatorplattorna kallas kondensatorns kapacitans:
(9)
SI-enhet för elektrisk kapacitet – Farad(F). En kondensator med en kapacitet på 1 F har en potentialskillnad mellan sina plattor som är lika med 1 V när olika laddningar på 1 C tilldelas plattorna: 1 F = 1 C/1 V.
Kapacitans för en parallellplattkondensator. Formeln för att beräkna den elektriska kapaciteten hos en platt kondensator kan erhållas med hjälp av uttryck (8). Faktum är att fältstyrkan är: E= φ/εε 0 = q/εε 0 S, Var S– plåtyta. Eftersom fältet är enhetligt är potentialskillnaden mellan plattorna i kondensatorn lika med: φ 1 – φ 2 = Ed = qd/εε 0 S, Var d– avstånd mellan plattorna. Genom att ersätta formel (9) får vi ett uttryck för den elektriska kapaciteten hos en platt kondensator:
(10)
Var ε 0 – luftens dielektriska konstant; S– arean av kondensatorplattan, S=hl, Var h– tallrikens bredd, l– dess längd; d– avstånd mellan kondensatorplattorna.
Uttryck (10) visar att kondensatorns elektriska kapacitet kan ökas genom att öka arean S dess täcker, vilket minskar avståndet d mellan dem och användningen av dielektrikum med stora värden dielektrisk konstant ε.
Ris. 3. Kondensator med en dielektrikum placerad i den
Om en dielektrisk platta placeras mellan plattorna på en kondensator kommer kondensatorns kapacitans att ändras. Möjligheten att placera en dielektrisk platta mellan kondensatorplattorna bör övervägas.
Låt oss beteckna: d c – tjockleken på luftgapet, d m – tjockleken på den dielektriska plattan, l B är längden på luftdelen av kondensatorn, l m är längden på den del av kondensatorn som är fylld med ett dielektrikum, εm är materialets dielektriska konstant. Med tanke på att l = l i + l m, a d = d i + d m, då kan dessa alternativ övervägas i följande fall:
När l in = 0, d vid = 0 har vi en kondensator med en solid dielektrikum:
(11)
Av ekvationerna för klassisk makroskopisk elektrodynamik, baserad på Maxwells ekvationer, följer det att när ett dielektrikum placeras i ett svagt växelfält, som varierar enligt en harmonisk lag med frekvensen ω, tar den komplexa permittivitetstensorn formen:
(12)
där σ är ämnets optiska konduktivitet, εʹ är ämnets dielektricitetskonstant, associerad med dielektrikumets polarisering. Uttryck (12) kan reduceras till nästa vy:
(13)
där den imaginära termen är ansvarig för dielektriska förluster.
I praktiken mäts C - kapacitansen för ett prov format som en platt kondensator. Denna kondensator kännetecknas av den dielektriska förlusttangenten:
tgδ=ωCR c (14)
eller kvalitetsfaktor:
Q c =1/tanδ (15)
där Rc är resistansen, beroende huvudsakligen på dielektriska förluster. Det finns ett antal metoder för att mäta dessa egenskaper: olika bryggmetoder, mätningar med omvandling av den uppmätta parametern till ett tidsintervall, etc. .
När vi mätte kapacitansen C och den dielektriska förlusttangenten D = tanδ i detta arbete använde vi en teknik som utvecklats av företaget GOOD WILL INSTRUMENT Co Ltd. Mätningarna utfördes på en precisionsimmittansmätare - LCR-819-RLC. Enheten låter dig mäta kapacitans i intervallet 20 pF–2,083 mF, förlusttangens i intervallet 0,0001–9999 och applicera ett biasfält. Intern offset upp till 2 V, extern förspänning upp till 30 V. Mätnoggrannheten är 0,05 %. Testsignalfrekvens 12 Hz -100 kHz.
I detta arbete utfördes mätningar med en frekvens av 1 kHz i temperaturområdet 77 K< T < 270 К в нулевом магнитном поле и в поле 5 kOe. Образцы для измерений имели форму параллелепипеда с размерами 2*3*4 мм (х=0.1), где d = 2 мм – толщина образца, площадь грани S = 3*4 мм 2 .
För att erhålla temperaturberoende placeras cellen med provet i ett flöde av kylmedel (kväve) som leds genom en värmeväxlare, vars temperatur ställs in av värmaren. Värmarens temperatur styrs av en termostat. Respons från en temperaturmätare till en termostat kan du ställa in hastigheten för temperaturmätning eller stabilisera den. Ett termoelement används för att kontrollera temperaturen. I detta arbete ändrades temperaturen med en hastighet av 1 grad/min. Denna metod låter dig mäta temperatur med ett fel på 0,1 grader.
Mätcellen med provet fäst vid det placeras i en flödeskryostat. Cellen är ansluten till LCR-mätaren med skärmade ledningar genom en kontakt i kryostatlocket. Kryostaten placeras mellan polerna på FL-1 elektromagneten. Magnetströmförsörjningen låter dig få magnetfält upp till 15 kOe. För att mäta spänningsvärdet magnetiskt fält En termiskt stabiliserad Hall-givare med en elektronikenhet används. För att stabilisera magnetfältet finns återkoppling mellan strömförsörjningen och magnetfältsmätaren.
De uppmätta värdena för kapacitans C och förlusttangens D = tan δ är relaterade till värdena för de önskade fysiska storheterna εʹ och εʺ genom följande relationer:
(16)
(17)
| № | C(pF) | Re(ε’) | T (°K) | tan δ | Qc | Im(ε”) | ω (Hz) | σ (ω) |
| 3,805 | 71,66 | 0,075 | 13,33 | 5,375 | 10 3 | |||
| 3,838 | 0,093 | |||||||
| 3,86 | 0,088 | |||||||
| 3,849 | 0,094 | |||||||
| 3,893 | 0,106 | |||||||
| 3,917 | 0,092 | |||||||
| 3,951 | 0,103 | |||||||
| 3,824 | 0,088 | |||||||
| 3,873 | 0,105 | |||||||
| 3,907 | 0,108 | |||||||
| 3,977 | 0,102 | |||||||
| 4,031 | 0,105 | |||||||
| 4,062 | 0,132 | |||||||
| 4,144 | 0,109 | |||||||
| 4,24 | 0,136 | |||||||
| 4,435 | 0,175 | |||||||
| 4,553 | 0,197 | |||||||
| 4,698 | 0,233 | |||||||
| 4,868 | 0,292 | |||||||
| 4,973 | 0,361 | |||||||
| 5,056 | 0,417 | |||||||
| 5,164 | 0,491 | |||||||
| 5,246 | 0,552 | |||||||
| 5,362 | 0,624 | |||||||
| 5,453 | 0,703 | |||||||
| 5,556 | 0,783 | |||||||
| 5,637 | 0,867 | |||||||
| 5,738 | 0,955 | |||||||
| 5,826 | 1,04 | |||||||
| 5,902 | 1,136 |
Tabell nr 1. Gd x Mn1-x S, (x=0,1).
Dielektricitetskonstanten
Fenomenet med polarisering bedöms av värdet på dielektricitetskonstanten ε. Parametern ε, som kännetecknar ett materials förmåga att bilda en kapacitans, kallas relativ dielektricitetskonstant.
Ordet "släkting" är vanligtvis utelämnat. Det bör beaktas att den elektriska kapacitansen för isoleringsdelen med elektroder, dvs. kondensator beror på de geometriska dimensionerna, konfigurationen av elektroderna och strukturen hos materialet som bildar dielektrikumet i denna kondensator.
I ett vakuum är ε = 1, och varje dielektrikum är alltid större än 1. Om C0 - em-
ben, mellan vars plattor det finns ett vakuum av godtycklig form och storlek, och C är kapacitansen för en kondensator av samma storlek och form, men fylld med ett dielektrikum med en dielektricitetskonstant ε, då
Betecknar med C0 den elektriska konstanten (F/m), lika med
С0 = 8.854.10-12,
låt oss hitta den absoluta dielektricitetskonstanten
ε’ = ε0 .ε.
Låt oss bestämma kapacitansvärdena för vissa former av dielektrikum.
För parallellplatta kondensator
С = e0 e S/h = 8,854 1О-12 e S/h.
där S är tvärsnittsarean för elektroden, m2;
h - avstånd mellan elektroderna, m.
Praktisk betydelse dielektricitetskonstanten är mycket hög. Det bestämmer inte bara ett materials förmåga att bilda en behållare, utan ingår också i ett antal grundläggande ekvationer som kännetecknar fysiska processer flyter i ett dielektrikum.
Gasernas dielektriska konstant är, på grund av deras låga densitet (på grund av stora avstånd mellan molekyler), obetydlig och nära enhet. Vanligtvis är polariseringen av en gas elektronisk eller dipol om molekylerna är polära. Ju större radie molekylen har, desto högre ε för gasen. En förändring av antalet gasmolekyler per volymenhet gas (n) med en förändring i temperatur och tryck orsakar en förändring i gasens dielektriska konstant. Antalet molekyler N är proportionellt mot trycket och omvänt proportionellt mot den absoluta temperaturen.
När luftfuktigheten ändras ändras luftens dielektriska konstant något i direkt proportion till förändringen i luftfuktighet (med rumstemperatur). Vid förhöjda temperaturer ökar effekten av luftfuktighet avsevärt. Dielektricitetskonstantens temperaturberoende kännetecknas av uttrycket
TK e = 1 / e (d e / dT).
Med hjälp av detta uttryck kan man beräkna den relativa förändringen i dielektricitetskonstanten när temperaturen ändras med 1 0 K - den så kallade temperaturkoefficienten TC för dielektricitetskonstanten.
TC-värdet för en opolär gas hittas av formeln
TK e = (e -1)/dT.
där T är temperatur. TILL.
Den dielektriska konstanten för vätskor beror starkt på deras struktur. ε-värdena för opolära vätskor är små och nära kvadraten på ljusets brytningsindex n 2. Dielektricitetskonstanten för polära vätskor, som används som tekniska dielektrika, sträcker sig från 3,5 till 5, vilket är märkbart högre än för icke-polära vätskor.
Sålunda bestäms polariseringen av vätskor som innehåller dipolmolekyler samtidigt av elektroniska och dipolrelaxationspolarisationer.
Högpolära vätskor kännetecknas av ett högt ε-värde på grund av sin höga ledningsförmåga. Temperaturberoendet för ε i dipolvätskor är mer komplext än i neutrala vätskor.
Därför ökar ε vid en frekvens på 50 Hz för klorerad bifenyl (savol) snabbt på grund av ett kraftigt fall i vätskans viskositet och dipolen
molekyler hinner orientera sig efter en temperaturförändring.
Minskningen av ε uppstår på grund av ökad termisk rörelse av molekyler, vilket förhindrar deras orientering i det elektriska fältets riktning.
Dielektrikum är indelade i fyra grupper beroende på typen av polarisation:
Den första gruppen är enkelkomposition, homogen, ren, utan tillsatser, dielektrikum, som huvudsakligen har elektronisk polarisation eller tät packning av joner. Dessa inkluderar opolära och svagt polära fasta dielektrika i kristallint eller amorft tillstånd, såväl som opolära och svagt polära vätskor och gaser.
Den andra gruppen är teknisk dielektrik med elektroniska, joniska och samtidigt dipol-relaxationspolarisationer. Dessa inkluderar polära (dipol) organiska halvflytande och fasta ämnen, såsom olje-kolofoniumföreningar, cellulosa, epoxihartser och kompositmaterial gjorda av dessa ämnen.
Den tredje gruppen är teknisk dielektrik med joniska och elektroniska polarisationer; dielektrikum med elektroniska och joniska relaxationspolarisationer är uppdelade i två undergrupper. Den första undergruppen omfattar huvudsakligen kristallina ämnen med tät packning av joner ε< 3,0.
Den andra undergruppen omfattar oorganiska glas och material som innehåller en glasartad fas, samt kristallina ämnen med lös packning av joner.
Den fjärde gruppen består av ferroelektriker med spontana, elektroniska, joniska, elektron-jon-relaxationspolarisationer, såväl som migration eller högspänning för kompositmaterial, komplexa och skiktade material.
4.Dielektriska förluster av elektriska isoleringsmaterial. Typer av dielektriska förluster.
Dielektriska förluster är den effekt som förbrukas i ett dielektrikum när det utsätts för ett elektriskt fält och orsakar uppvärmning av dielektrikumet.
Förluster i dielektrikum observeras både vid växelspänning och vid konstant spänning, eftersom en genomström på grund av konduktivitet detekteras i materialet. Vid konstant spänning, när det inte finns någon periodisk polarisering, kännetecknas materialets kvalitet, som anges ovan, av värdena för specifik volym och ytmotstånd. Med växelspänning är det nödvändigt att använda någon annan egenskap hos materialets kvalitet, eftersom i detta fall, förutom genomström, ytterligare skäl uppstår som orsakar förluster i dielektrikumet.
Dielektriska förluster i ett elektriskt isolerande material kan karakteriseras av effektförlust per volymenhet eller specifika förluster; Oftare, för att bedöma förmågan hos ett dielektrikum att avleda kraft i ett elektriskt fält, används den dielektriska förlustvinkeln, såväl som tangenten för denna vinkel.
Ris. 3-1. Laddningsberoende på spänning för ett linjärt dielektrikum utan förluster (a), med förluster (b)
Den dielektriska förlustvinkeln är den vinkel som kompletterar upp till 90° fasförskjutningsvinkeln mellan ström och spänning i en kapacitiv krets. För ett idealiskt dielektrikum kommer strömvektorn i en sådan krets att leda spänningsvektorn med 90°, medan den dielektriska förlustvinkeln kommer att vara noll. Ju större effekt som försvinner i dielektrikumet, som omvandlas till värme, desto mindre fasskiftningsvinkel och desto större vinkel och dess funktion tg.
Från teorin om växelströmmar är det känt att aktiv effekt
Ra = UI cos (3-1)
Låt oss uttrycka effekterna för serie- och parallellkretsar i termer av kapacitanser Cs och Cp och vinkeln , som är komplementet till vinkeln upp till 90°.
För en sekventiell krets, med hjälp av uttryck (3-1) och motsvarande vektordiagram, har vi
Pa = 
(3-2)
tg = C s r s (3-3)
För parallellkrets
P a =UI a =U 2 C p tg (3-4)
tg = (3-5)
Genom att likställa uttryck (3-2) och (3-4), samt (3-3) och (3-5), finner vi sambanden mellan Cp och Cs och mellan rp och rs
Cp=Cs/1+tg 2 (3-6)
r p = r s (1+ 1/ tg 2 ) (3-7)
För högkvalitativa dielektrikum kan du försumma värdet av tg2 jämfört med enhet i formel (3-8) och överväga Cp Cs C. Uttryck för den effekt som förbrukas i dielektrikumet, i det här fallet, kommer att vara desamma för båda kretsarna:
P a U 2 C tg (3-8)
där Ra är aktiv effekt, W; U - spänning, V; - vinkelfrekvens, s-1; C - kapacitet, F.
Motstånd rr in parallell krets, som följer av uttryck (3-7), är många gånger större än resistansen rs. Uttrycket för specifika dielektriska förluster, d.v.s. den effekt som förbrukas per volymenhet av dielektrikumet, har formen:
(3-9)
där p - specifika förluster, W/m3; =2 - vinkelfrekvens, s-1, E - elektrisk fältstyrka, V/m.
Faktum är att kapaciteten mellan motsatta ytor av en kub med en sida på 1 m kommer att vara
C1 = 0 r, reaktiv komponent av konduktivitet
(3-10)
en aktiv komponent
Efter att ha bestämt parametrarna för den ekvivalenta kretsen för dielektrikumet som studeras med någon metod vid en viss frekvens (Cp och rr eller Cs och rs), kan man i allmänhet inte betrakta de erhållna värdena för kapacitans och resistans som inneboende i en given kondensator och använd dessa data för att beräkna förlustvinkeln vid en annan frekvens. En sådan beräkning kan endast göras om ekvivalent krets har en viss fysisk grund. Så, till exempel, om det är känt för ett givet dielektrikum att förluster i det endast bestäms av förluster från elektrisk ledningsförmåga i ett brett spektrum av frekvenser, så kan förlustvinkeln för en kondensator med en sådan dielektrikum beräknas för vilken frekvens som helst ligger i detta intervall
tg =1/ Crp (3-12)
där C och rp är konstant kapacitans och resistans mätt vid en given frekvens.
Förluster i en sådan kondensator, som är lätt att se, beror inte på frekvensen:
Pa=U2/rp (3-13)
tvärtom, om förlusterna i kondensatorn huvudsakligen bestäms av resistansen hos matningsledningarna, såväl som resistansen hos själva elektroderna (till exempel ett tunt lager av silver), kommer den förbrukade effekten i en sådan kondensator att ökning i proportion till kvadraten på frekvensen:
Pa=U2 C tg =U2 C Crs=U2 2C2rs (3-14)
Från sista uttrycket En mycket viktig praktisk slutsats kan dras: kondensatorer som är konstruerade för att fungera vid höga frekvenser bör ha lägsta möjliga motstånd för både elektroderna och anslutningstrådarna och övergångskontakterna.
Dielektriska förluster, beroende på deras egenskaper och fysiska natur, kan delas in i fyra huvudtyper:
1) dielektriska förluster på grund av polarisation;
2) dielektriska förluster på grund av elektrisk ledningsförmåga;
joniseringsdielektriska förluster;
dielektriska förluster på grund av strukturell inhomogenitet.
Dielektriska förluster orsakade av polarisation observeras särskilt tydligt i substanser med relaxationspolarisation: i dielektrika med en dipolstruktur och i dielektrika med en jonstruktur med lös packning av joner.
Relaxationsdielektriska förluster orsakas av avbrott i den termiska rörelsen av partiklar under inverkan av elektriska fältkrafter.
Dielektriska förluster som observeras i ferroelektrik är associerade med fenomenet spontan polarisation. Därför är förlusterna i ferroelektriska ämnen betydande vid temperaturer under Curie-punkten, när spontan polarisation observeras. Vid temperaturer över Curie-punkten minskar förlusterna i ferroelektrik. Elektrisk åldring av ett ferroelektriskt material åtföljs av en liten minskning av förlusterna över tiden.
Dielektriska förluster orsakade av polarisation inkluderar också de så kallade resonansförlusterna som uppträder i dielektrikum vid höga frekvenser. Denna typ av förlust observeras med särskild tydlighet i vissa gaser vid en strikt definierad frekvens och uttrycks i intensiv absorption av elektrisk fältenergi.
Resonansförluster är också möjliga i fasta ämnen om frekvensen av forcerade svängningar orsakade av ett elektriskt fält sammanfaller med den naturliga frekvensen för partiklarna i det fasta materialet. Närvaron av ett maximum i frekvensberoendet av tg är också karakteristiskt för resonansförlustmekanismen, men i I detta fall temperaturen påverkar inte positionen för maximum.
Dielektriska förluster orsakade av elektrisk ledningsförmåga finns i dielektrika som har märkbar volym eller ytkonduktivitet.
Den dielektriska förlusttangenten i detta fall kan beräknas med hjälp av formeln
Dielektriska förluster av denna typ beror inte på fältfrekvensen; tg minskar med frekvensen enligt en hyperbolisk lag.
Dielektriska förluster på grund av elektrisk konduktivitet ökar med temperaturen enligt en exponentiell lag
PaT=Aexp(-b/T) (3-16)
där A, b är materialkonstanter. Formel (3-16) kan ungefär skrivas om enligt följande:
PaT=Pa0exp(t) (3-17)
där PaT - förluster vid temperatur t, °C; Pa0 - förluster vid en temperatur av 0°C; - materialkonstant.
Den dielektriska förlusttangenten varierar med temperaturen enligt samma lag som användes för att approximera temperaturberoendet för Pa, eftersom temperaturförändringen i kapacitansen kan försummas.
Dielektriska joniseringsförluster är karakteristiska för dielektriska och gasformigt tillstånd; Joniseringsförluster visar sig i ojämna elektriska fält vid styrkor som överstiger det värde som motsvarar början av jonisering av en given gas. Joniseringsförluster kan beräknas med hjälp av formeln
Pa.u=A1f(U-Ui)3 (3-18)
där A1 är en konstant koefficient; f - fältfrekvens; U - applicerad spänning; Ui är spänningen som motsvarar början av jonisering.
Formel (3-18) gäller för U > Ui och ett linjärt beroende av tg på E. Joniseringsspänningen Ui beror på trycket vid vilket gasen är belägen, eftersom utvecklingen av stötjonisering av molekyler är relaterad till medelvärdet för fri laddningsbärarnas väg.
Dielektriska förluster på grund av strukturell inhomogenitet observeras i skiktade dielektrika, från impregnerat papper och tyg, i fyllda plaster, i porös keramik i micanit, micalex, etc.
På grund av mångfalden av strukturen hos inhomogena dielektrika och egenskaperna hos komponenterna de innehåller, finns det ingen generell formel för att beräkna dielektriska förluster av denna typ.
Dielektrisḱ kemisk penetratioń kapacitet medium - en fysisk storhet som kännetecknar egenskaperna hos ett isolerande (dielektriskt) medium och visar beroendet av elektrisk induktion på den elektriska fältstyrkan.
Det bestäms av effekten av polarisering av dielektrika under påverkan av ett elektriskt fält (och med värdet av den dielektriska känsligheten hos mediet som kännetecknar denna effekt).
Det finns relativa och absoluta dielektriska konstanter.
Den relativa dielektricitetskonstanten ε är dimensionslös och visar hur många gånger kraften för växelverkan mellan två elektriska laddningar i ett medium är mindre än i ett vakuum. Detta värde för luft och de flesta andra gaser under normala förhållanden är nära enhet (på grund av deras låga densitet). För de flesta fasta eller flytande dielektrika sträcker sig den relativa permittiviteten från 2 till 8 (för ett statiskt fält). Den dielektriska konstanten för vatten i ett statiskt fält är ganska hög - cirka 80. Dess värden är stora för ämnen med molekyler som har ett stort elektriskt dipolmoment. Den relativa dielektriska konstanten för ferroelektrik är tiotals och hundratusentals.
Den absoluta dielektricitetskonstanten i utländsk litteratur betecknas med bokstaven ε; i inhemsk litteratur används kombinationen övervägande, där är den elektriska konstanten. Absolut dielektricitetskonstant används endast i International System of Units (SI), där induktion och elektrisk fältstyrka mäts i olika enheter. I SGS-systemet finns det inget behov av att införa absolut dielektricitetskonstant. Den absoluta dielektricitetskonstanten (liksom den elektriska konstanten) har dimensionen L −3 M −1 T 4 I². I International System of Units (SI) enheter: =F/m.
Det bör noteras att dielektricitetskonstanten till stor del beror på frekvensen elektromagnetiskt fält. Detta bör alltid beaktas, eftersom referenstabeller vanligtvis innehåller data för ett statiskt fält eller låga frekvenser ner till några enheter kHz utan att specificera Detta faktum. Samtidigt finns det optiska metoder för att erhålla den relativa dielektricitetskonstanten baserat på brytningsindex med hjälp av ellipsometrar och refraktometrar. Värdet som erhålls med den optiska metoden (frekvens 10-14 Hz) kommer att skilja sig väsentligt från data i tabellerna.
Tänk till exempel på fallet med vatten. I fallet med ett statiskt fält (frekvens noll) är den relativa dielektricitetskonstanten under normala förhållanden ungefär 80. Detta är fallet ner till infraröda frekvenser. Börjar på cirka 2 GHz ε r börjar falla. I det optiska området ε rär cirka 1,8. Detta överensstämmer helt med det faktum att vattens brytningsindex i det optiska området är 1,33. I ett smalt frekvensområde, kallat optiskt, sjunker dielektrisk absorption till noll, vilket faktiskt ger en person synmekanismen [ källa ej angiven 1252 dagar] i jordens atmosfär mättad med vattenånga. MED ytterligare tillväxt mediets frekvensegenskaper ändras igen. Du kan läsa om beteendet hos den relativa dielektriska konstanten för vatten i frekvensområdet från 0 till 10 12 (infrarött område) på (engelska)
Dielektricitetskonstanten är en av huvudparametrarna i utvecklingen av elektriska kondensatorer. Användningen av material med hög dielektricitetskonstant kan avsevärt minska kondensatorernas fysiska dimensioner.
Kapacitansen för kondensatorerna bestäms:
Var ε r- dielektrisk konstant för ämnet mellan plattorna, ε O- elektrisk konstant, S- arean av kondensatorplattorna, d- avstånd mellan plattorna.
Parametern för dielektricitetskonstanten beaktas vid utveckling av kretskort. Värdet på den dielektriska konstanten för ämnet mellan skikten, i kombination med dess tjocklek, påverkar värdet av den naturliga statiska kapacitansen för kraftskikten och påverkar också signifikant den karakteristiska impedansen hos ledarna på kortet.
RESISTANS elektrisk, fysisk storhet lika med elektriskt motstånd ( centimeter. ELEKTRISK RESISTANS) R av en cylindrisk ledare med enhetslängd (l = 1 m) och enhets tvärsnittsarea (S = 1 m 2). r = R S/l. I Si är enheten för resistivitet Ohm. m. Resistivitet kan också uttryckas i ohm. cm Resistivitet är en egenskap hos materialet genom vilket ström flyter och beror på materialet från vilket det är tillverkat. Resistivitet lika med r = 1 Ohm. m betyder att en cylindrisk ledare gjord av av detta material, längd l = 1 m och med en tvärsnittsarea S = 1 m 2 har ett motstånd R = 1 Ohm. m. Värdet av resistivitet hos metaller ( centimeter. METALLER), vilka är bra guider (centimeter. LEDARE), kan ha värden i storleksordningen 10 - 8 - 10 - 6 ohm. m (till exempel koppar, silver, järn, etc.). Resistiviteten hos vissa fasta dielektrika ( centimeter. DIELEKTRIKA) kan nå ett värde av 10 16 -10 18 Ohm.m (till exempel kvartsglas, polyeten, elektroporslin, etc.). Resistivitetsvärdet för många material (särskilt halvledarmaterial ( centimeter. HALVLEDARMATERIAL)) beror avsevärt på graden av deras rening, närvaron av legeringstillsatser, termiska och mekaniska behandlingar, etc. Värdet s, resistivitetens reciproka, kallas specifik konduktivitet: s = 1/r Specifik konduktivitet mäts i siemens ( centimeter. SIEMENS (konduktivitetsenhet)) per meter S/m. Elektrisk resistivitet (konduktivitet) är en skalär storhet för ett isotropt ämne; och tensor - för ett anisotropt ämne. I anisotropa enkristaller är anisotropin av elektrisk ledningsförmåga en konsekvens av anisotropin av den inversa effektiva massan ( centimeter. EFFEKTIV MASSA) elektroner och hål.
1-6. ELEKTRISK LEDNING AV ISOLERING
När isoleringen av en kabel eller tråd slås på till en konstant spänning U, passerar en ström i genom den, som varierar med tiden (fig. 1-3). Denna ström har konstanta komponenter - ledningsström (i ∞) och absorptionsström, där γ är den konduktivitet som motsvarar absorptionsströmmen; T är den tid under vilken strömmen i abs sjunker till 1/e av sitt ursprungliga värde. Under oändligt lång tid är i abs →0 och i = i ∞. Dielektrikas elektriska ledningsförmåga förklaras av närvaron i dem av en viss mängd fria laddade partiklar: joner och elektroner.
Den mest karakteristiska egenskapen hos de flesta elektriska isoleringsmaterial är jonisk elektrisk ledningsförmåga, vilket är möjligt på grund av föroreningar som oundvikligen finns i isoleringen (föroreningar av fukt, salter, alkalier, etc.). I ett dielektrikum med jonkonduktivitet följs Faradays lag strikt - proportionaliteten mellan mängden elektricitet som passerar genom isoleringen och mängden ämne som frigörs under elektrolys.
När temperaturen ökar minskar resistiviteten hos elektriska isoleringsmaterial och kännetecknas av formeln
där_ρ o, A och B är konstanter för ett givet material; T - temperatur, °K.
Ett större beroende av isoleringsmotstånd på fukt uppstår med hygroskopiska isoleringsmaterial, huvudsakligen fibrösa (papper, bomullsgarn, etc.). Därför torkas och impregneras fibrösa material, samt skyddas av fuktbeständiga skal.
Isolationsmotståndet kan minska med ökande spänning på grund av att det bildas rymdladdningar i isoleringsmaterialen. Den ytterligare elektroniska ledningsförmågan som skapas i detta fall leder till en ökning av elektrisk ledningsförmåga. Det finns ett beroende av konduktivitet på spänning i mycket starka fält (Ya. I. Frenkels lag):
där γ o - konduktivitet i svaga fält; a är konstant. Alla elektriska isoleringsmaterial kännetecknas av vissa värden på isoleringskonduktivitet G. Idealiskt är ledningsförmågan hos isoleringsmaterial noll. För riktiga isoleringsmaterial bestäms konduktiviteten per enhet kabellängd av formeln
I kablar med ett isolationsmotstånd på mer än 3-10 11 ohm-m och kommunikationskablar, där dielektriska polarisationsförluster är betydligt större än termiska förluster, bestäms konduktiviteten av formeln
Isoleringskonduktivitet i kommunikationsteknik är en elektrisk parameter för en linje som kännetecknar energiförlust i isoleringen av kabelkärnor. Konduktivitetsvärdets beroende av frekvensen visas i fig. 1-1. Den reciproka konduktiviteten, isolationsresistansen, är förhållandet mellan likspänningen som appliceras på isoleringen (i volt) och läckspänningen (i ampere), dvs.
där RV är det volymetriska isolationsmotståndet, vilket numeriskt bestämmer det hinder som skapas av strömpassage genom isoleringens tjocklek; R S - ytmotstånd, som bestämmer hindret för strömpassage längs isoleringsytan.
En praktisk bedömning av kvaliteten på de använda isoleringsmaterialen är det specifika volymetriska motståndet ρ V uttryckt i ohm-centimeter (ohm*cm). Numeriskt är ρ V lika med resistansen (i ohm) för en kub med en 1 cm kant gjord av ett givet material, om strömmen går genom två motsatta ytor av kuben. Specifik ytresistans ρ S är numeriskt lika med ytresistansen för kvadraten (i ohm) om ström tillförs elektroderna som avgränsar två motsatta sidor av denna kvadrat.
Isolationsresistansen för en enkelkärnig kabel eller tråd bestäms av formeln
Fuktighetsegenskaper hos dielektriska ämnen
Fuktmotstånd - detta är tillförlitligheten hos isoleringen när den befinner sig i en atmosfär av vattenånga nära mättnad. Fuktbeständighet bedöms genom förändringar i elektriska, mekaniska och andra fysikaliska egenskaper efter att materialet befinner sig i en atmosfär med hög och hög luftfuktighet; på fukt och vattenpermeabilitet; på fukt- och vattenupptagning.
Fuktgenomsläpplighet – ett materials förmåga att överföra fuktånga i närvaro av en skillnad i relativ luftfuktighet på båda sidor av materialet.
Fuktupptagning – ett materials förmåga att absorbera vatten när det exponeras under lång tid i en fuktig atmosfär nära ett tillstånd av mättnad.
Vatten absorption - ett materials förmåga att absorbera vatten när det är nedsänkt i vatten under en längre tid.
Tropiskt motstånd och tropicalisering Utrustning – skydd av elektrisk utrustning från fukt, mögel, gnagare.
Termiska egenskaper hos dielektrika
För att karakterisera dielektrikas termiska egenskaper används följande kvantiteter.
Värmebeständighet– elektriska isoleringsmaterials och produkters förmåga att motstå höga temperaturer och plötsliga temperaturförändringar utan att skada dem. Bestäms av temperaturen vid vilken en betydande förändring i mekaniska och elektriska egenskaper observeras, till exempel börjar drag- eller böjningsdeformation under belastning i organisk dielektrikum.
Värmeledningsförmåga– processen för värmeöverföring i ett material. Den kännetecknas av en experimentellt bestämd värmeledningskoefficient λ t. λ t är mängden värme som överförs på en sekund genom ett materialskikt 1 m tjockt och en yta på 1 m 2 med en temperaturskillnad mellan ytorna på skiktet på 1 °K. Den termiska konduktivitetskoefficienten för dielektrikum varierar över ett brett intervall. Mest låga värdenλ t har gaser, porösa dielektrika och vätskor (för luft λ t = 0,025 W/(m K), för vatten λ t = 0,58 W/(m K)), kristallina dielektrika har höga värden (för kristallint kvarts λ t) = 12,5 W/(m K)). Den termiska konduktivitetskoefficienten för dielektrikum beror på deras struktur (för smält kvarts λ t = 1,25 W/(m K)) och temperatur.
Termisk expansion dielektrikum bedöms av temperaturkoefficienten för linjär expansion: 
. Material med låg termisk expansion har som regel högre värmebeständighet och vice versa. Termisk expansion av organiska dielektrika avsevärt (tiotals och hundratals gånger) överstiger expansionen av oorganisk dielektrik. Därför är dimensionsstabiliteten för delar gjorda av oorganiska dielektrika under temperaturfluktuationer betydligt högre jämfört med organiska.
1. Absorptionsströmmar
Absorptionsströmmar är förskjutningsströmmar av olika typer av långsam polarisation. Absorptionsströmmar vid en konstant spänning flyter i dielektrikumet tills ett jämviktstillstånd har upprättats, vilket ändrar deras riktning när spänningen slås på och av. Med en växelspänning flyter absorptionsströmmar under hela tiden som dielektrikumet befinner sig i det elektriska fältet.
I allmänhet elektricitet j i ett dielektrikum är summan av genomströmmen j sk och absorptionsström j ab
j = j sk + j ab.
Absorptionsströmmen kan bestämmas genom förspänningsströmmen j cm - förändringshastighet för den elektriska induktionsvektorn D
Genomströmmen bestäms av överföringen (rörelsen) av olika laddningsbärare i det elektriska fältet.
2. Elektronisk elektrisk ledningsförmåga kännetecknas av rörelse av elektroner under påverkan av ett fält. Förutom metaller finns det i kol, metalloxider, sulfider och andra ämnen, såväl som i många halvledare.
3. Jonisk – orsakas av jonernas rörelse. Det observeras i lösningar och smältor av elektrolyter - salter, syror, alkalier, såväl som i många dielektrika. Den är uppdelad i inneboende och orenhetskonduktivitet. Inneboende konduktivitet beror på rörelsen av joner som erhålls under dissociation molekyler. Rörelsen av joner i ett elektriskt fält åtföljs av elektrolys – överföring av ett ämne mellan elektroderna och dess frisättning på elektroderna. Polära vätskor är mer dissocierade och har högre elektrisk ledningsförmåga än icke-polära vätskor.
I opolära och svagt polära flytande dielektrika (mineraloljor, silikonvätskor) bestäms den elektriska ledningsförmågan av föroreningar.
4. Molions elektrisk ledningsförmåga – orsakas av rörelse av laddade partiklar kallas molions. Det observeras i kolloidala system, emulsioner , suspensioner . Molions rörelse under påverkan av ett elektriskt fält kallas elektrofores. Under elektrofores, till skillnad från elektrolys, bildas inga nya ämnen, den relativa koncentrationen av den dispergerade fasen i olika lager av vätskan förändras. Elektroforetisk ledningsförmåga observeras till exempel i oljor som innehåller emulgerat vatten.
