ثابت العزل الكهربائي النسبيالوسيط ε عبارة عن كمية فيزيائية بلا أبعاد تميز خصائص الوسط العازل (العازل). ويرتبط بتأثير استقطاب العوازل تحت تأثير المجال الكهربائي (وبقيمة قابلية العزل للوسط الذي يميز هذا التأثير). القيمة ε توضح عدد مرات قوة التفاعل بين اثنين الشحنات الكهربائيةفي الوسط أقل منه في الفراغ . ثابت العزل الكهربائي النسبي للهواء ومعظم الغازات الأخرى الظروف العاديةقريبة من الوحدة (بسبب كثافتها المنخفضة). بالنسبة لمعظم العوازل الصلبة أو السائلة، تتراوح السماحية النسبية من 2 إلى 8 (للمجال الساكن). عازل الماء المستمرفي مجال ثابت مرتفع جدًا - حوالي 80. وقيمه عالية بالنسبة للمواد التي تحتوي على جزيئات تحتوي على ثنائي القطب الكهربائي الكبير. ثابت العزل الكهربائي النسبي للكهرباء الحديدية هو عشرات ومئات الآلاف.
الاستخدام العملي
ثابت العزل الكهربائيتعتبر العوازل الكهربائية واحدة من المعالم الرئيسية في تصميم المكثفات الكهربائية. إن استخدام المواد ذات ثابت العزل الكهربائي العالي يمكن أن يقلل بشكل كبير من الأبعاد الفيزيائية للمكثفات.
يتم أخذ معلمة ثابت العزل الكهربائي بعين الاعتبار عند تصميم لوحات الدوائر المطبوعة. تؤثر قيمة ثابت العزل الكهربائي للمادة بين الطبقات، بالإضافة إلى سمكها، على قيمة السعة الثابتة الطبيعية لطبقات الطاقة، وتؤثر أيضًا بشكل كبير على المعاوقة المميزة للموصلات الموجودة على اللوحة.
الاعتماد على التردد
وتجدر الإشارة إلى أن ثابت العزل الكهربائي يعتمد إلى حد كبير على التردد الكهربائية حقل مغناطيسي. يجب أن يؤخذ ذلك دائمًا في الاعتبار، نظرًا لأن الجداول المرجعية تحتوي عادةً على بيانات لمجال ثابت أو ترددات منخفضة تصل إلى بضعة كيلو هرتز دون الإشارة إلى هذه الحقيقة. وفي الوقت نفسه، هناك طرق بصرية للحصول على ثابت العزل الكهربائي النسبي استنادًا إلى معامل الانكسار باستخدام مقاييس القطع الناقص ومقاييس الانكسار. ستختلف القيمة التي تم الحصول عليها بالطريقة البصرية (التردد 10-14 هرتز) بشكل كبير عن البيانات الموجودة في الجداول.
لنأخذ على سبيل المثال حالة الماء. في حالة المجال الساكن (التردد صفر)، يكون ثابت العزل الكهربائي النسبي في الظروف العادية حوالي 80. وهذا هو الحال حتى ترددات الأشعة تحت الحمراء. يبدأ بتردد 2 جيجا هرتز تقريبًا ε صيبدأ في الانخفاض. في النطاق البصري ε صما يقرب من 1.8. وهذا يتوافق تمامًا مع حقيقة أن معامل انكسار الماء في النطاق البصري يبلغ 1.33. وفي نطاق ترددي ضيق يسمى البصري، ينخفض امتصاص العزل الكهربائي إلى الصفر، وهو ما يزود الشخص فعليًا بآلية الرؤية الغلاف الجوي للأرضمشبعة ببخار الماء. مع زيادة التردد، تتغير خصائص الوسط مرة أخرى.
قيم ثابت العزل لبعض المواد
| مادة | صيغة كيميائية | شروط القياس | القيمة المميزة لـ ε r |
|---|---|---|---|
| الألومنيوم | آل | 1 كيلو هرتز | -1300 + 1.3 القالب:Ei |
| فضة | اي جي | 1 كيلو هرتز | -85 + 8 القالب:Ei |
| مكنسة | - | - | 1 |
| هواء | - | الظروف العادية، 0.9 ميغاهيرتز | 1.00058986 ± 0.00000050 |
| ثاني أكسيد الكربون | ثاني أكسيد الكربون | الظروف العادية | 1,0009 |
| تفلون | - | - | 2,1 |
| نايلون | - | - | 3,2 |
| بولي ايثيلين | [-CH 2 -CH 2 -] ن | - | 2,25 |
| البوليسترين | [-CH 2 -C(C6 H5)H-] ن | - | 2,4-2,7 |
| ممحاة | - | - | 2,4 |
| القار | - | - | 2,5-3,0 |
| ثاني كبريتيد الكربون | سي اس 2 | - | 2,6 |
| البارافين | ج 18 ن 38 - ج 35 ن 72 | - | 2,0-3,0 |
| ورق | - | - | 2,0-3,5 |
| البوليمرات النشطة كهربائيا | − | − | 2-12 |
| الأبونيت | (ج6 ح9 ق) 2 | − | 2,5-3,0 |
| زجاج شبكي (زجاج شبكي) | - | - | 3,5 |
| كوارتز | SiO2 | - | 3,5-4,5 |
| السيليكا | SiO2 | − | 3,9 |
| الباكليت | - | - | 4,5 |
| أسمنت | − | − | 4,5 |
| بورسلين | − | − | 4,5-4,7 |
| زجاج | − | − | 4,7 (3,7-10) |
| الألياف الزجاجية FR-4 | - | - | 4,5-5,2 |
| جيتيناكس | - | - | 5-6 |
| ميكا | - | - | 7,5 |
| ممحاة | − | − | 7 |
| بوليكور | 98% آل2أو3 | - | 9,7 |
| الماس | − | − | 5,5-10 |
| ملح | كلوريد الصوديوم | − | 3-15 |
| الجرافيت | ج | − | 10-15 |
| سيراميك | − | − | 10-20 |
| السيليكون | سي | − | 11.68 |
| بور | ب | − | 2.01 |
| الأمونيا | نه 3 | 20 درجة مئوية | 17 |
| 0 درجة مئوية | 20 | ||
| -40 درجة مئوية | 22 | ||
| -80 درجة مئوية | 26 | ||
| الإيثانول | C2H5OH أو CH3 -CH2 -OH | − | 27 |
| الميثانول | CH3OH | − | 30 |
| أثلين كلايكول | هو-CH 2 -CH 2 -أوه | − | 37 |
| فورفورال | C5H4O2 | − | 42 |
محاضرة رقم 19
- طبيعة التوصيل الكهربائي للعوازل الغازية والسائلة والصلبة
ثابت العزل الكهربائي
ثابت العزل الكهربائي النسبي أو ثابت العزل الكهربائي ε- واحدة من أهم المعلمات الكهربائية العيانية للعازل الكهربائي. ثابت العزل الكهربائيε يصف كميًا قدرة العازل على الاستقطاب في مجال كهربائي، ويقيم أيضًا درجة قطبيته؛ ε هو ثابت لمادة عازلة عند درجة حرارة وتردد معينين للجهد الكهربائي ويظهر عدد المرات التي تكون فيها شحنة مكثف مع عازل أكبر من شحنة مكثف من نفس الحجم مع فراغ.
يحدد ثابت العزل قيمة السعة الكهربائية للمنتج (المكثف، عزل الكابل، وما إلى ذلك). بالنسبة للمكثف ذو اللوحة المتوازية، تكون السعة الكهربائية هي مع،Ф، معبرا عنها بالصيغة (1)
حيث S هي مساحة قطب القياس، م2؛ h هو سمك العازل، m من الصيغة (1) يتضح أنه كلما زادت القيمة ε كلما تم استخدام العازل الكهربائي، كلما زادت السعة الكهربائية للمكثف الذي له نفس الأبعاد. بدورها، السعة الكهربائية C هي معامل التناسب بين الشحنات السطحية كيو كيه،المكثف المتراكم والجهد الكهربائي المطبق عليه
الغزل ش(2):
من الصيغة (2) يترتب على ذلك أن الشحنة الكهربائية كيو كيه،المتراكمة بواسطة المكثف يتناسب مع القيمة ε عازل. معرفة كيو كويمكن تحديد الأبعاد الهندسية للمكثف ε مادة عازلة لجهد معين.
دعونا نفكر في آلية تكوين الشحنة كيو كعلى أقطاب مكثف مع عازل وما هي المكونات التي تشكل هذه الشحنة. للقيام بذلك، نأخذ مكثفين مسطحين لهما نفس الأبعاد الهندسية: أحدهما به فراغ، والآخر به مساحة بين الأقطاب مملوءة بمادة عازلة، ونطبق عليهما نفس الجهد الكهربائي ش(رسم بياني 1). تتشكل شحنة على أقطاب المكثف الأول س0، على الأقطاب الكهربائية الثانية - كيو ك. بدوره، التهمة كيو كهو مجموع الرسوم س0و س(3):
تكلفة سيتم تشكيل 0 بواسطة المجال الخارجي E0 عن طريق تراكم شحنات الطرف الثالث بكثافة سطحية σ 0 على أقطاب المكثف. س- هذه شحنة إضافية على أقطاب المكثف، يتم إنشاؤها بواسطة مصدر جهد كهربائي للتعويض عن الشحنات المرتبطة المتكونة على سطح العازل الكهربائي.
في عازل مستقطب بشكل منتظم، الشحنة سيتوافق مع الكثافة السطحية للشحنات المرتبطة σ . تشكل الشحنة σ حقلاً E сз، موجهًا مقابل الحقل E O.
يمكن تمثيل ثابت العزل الكهربائي للعازل المعني كنسبة الشحن كيو كمكثف مملوء بمادة عازلة للشحن س0نفس المكثف مع فراغ (3):
من الصيغة (3) يترتب على ذلك ثابت العزل الكهربائي ε - الكمية لا أبعاد لها، وبالنسبة لأي عازل فهي أكبر من الوحدة؛ في حالة الفراغ ε = 1. من المثال المعتبر أيضاً
يمكن ملاحظة أن كثافة الشحنة على أقطاب مكثف مزود بعازل كهربائي ε أضعاف كثافة الشحنة على أقطاب مكثف به فراغ، والفولتية عند نفس الفولتية لكليهما
المكثفات الخاصة بهم هي نفسها وتعتمد فقط على الجهد شوالمسافات بين الأقطاب الكهربائية (ه = ش / ح).
بالإضافة إلى ثابت العزل الكهربائي النسبي ε يميز ثابت العزل الكهربائي المطلق ε a، f/م، (4)
الذي ليس له أي معنى فيزيائي ويستخدم في الهندسة الكهربائية.
يسمى التغير النسبي في ثابت العزل الكهربائي εr مع زيادة في درجة الحرارة بمقدار 1 كلفن بمعامل درجة حرارة ثابت العزل الكهربائي.
ТКε = 1/ εr d εr/dT К-1 للهواء عند 20 درجة مئوية ТК εr = -2.10-6K-
يتم التعبير عن الشيخوخة الكهربائية في الطاقة الكهروضوئية على أنها انخفاض في εr مع مرور الوقت. والسبب هو إعادة تجميع المجالات.
خصوصاً التغيير المفاجئويلاحظ ثابت العزل الكهربائي بمرور الوقت عند درجات حرارة قريبة من نقطة كوري. تسخين المواد الكهروضوئية إلى درجة حرارة أعلى من نقطة كوري والتبريد اللاحق يعيد εr إلى قيمته السابقة. يمكن تحقيق نفس استعادة ثابت العزل الكهربائي من خلال تعريض الكهروضوئي لمجال كهربائي ذي كثافة متزايدة.
بالنسبة للعوازل المعقدة - خليط ميكانيكي من مكونين مع εr مختلف في التقريب الأول: εrx = θ1 · εr1x · θ · εr2x، حيث θ هو التركيز الحجمي لمكونات الخليط، εr هو ثابت العزل الكهربائي النسبي لمكون الخليط.
يمكن أن يحدث الاستقطاب العازل نتيجة لما يلي: الأحمال الميكانيكية (الاستقطاب الانضغاطي في الكهرباء الانضغاطية)؛ التدفئة (الاستقطاب الحراري في الكهرباء الحرارية) ؛ الضوء (الاستقطاب الضوئي).
تتميز الحالة المستقطبة للعازل في المجال الكهربائي E باللحظة الكهربائية لكل وحدة حجم، والاستقطاب P، C/m2، والذي يرتبط بثابت العزل الكهربائي النسبي، على سبيل المثال: P = e0 (على سبيل المثال - 1)E، حيث e0 = 8.85∙10-12 ف/م. المنتج e0∙eг =e, F/m، يسمى ثابت العزل الكهربائي المطلق. في العوازل الغازية، على سبيل المثال، يختلف قليلاً عن 1.0، وفي السوائل والمواد الصلبة غير القطبية يصل إلى 1.5 - 3.0، وفي العوازل القطبية يكون له قيم كبيرة؛ في البلورات الأيونية، على سبيل المثال - 5-MO، وفي تلك التي تحتوي على شبكة بلورية بيروفسكايت تصل إلى 200؛ في مجال الطاقة الكهروضوئية على سبيل المثال - 103 وأكثر.
في العوازل غير القطبية، على سبيل المثال، تنخفض بشكل طفيف مع زيادة درجة الحرارة؛ في العوازل القطبية، ترتبط التغييرات بغلبة نوع أو آخر من الاستقطاب؛ في بعض المواد الكهرومغناطيسية، تصل إلى 104 أو أكثر. التغيرات في درجات الحرارة على سبيل المثال تتميز بمعامل درجة الحرارة. وتتميز العوازل القطبية بانخفاض، على سبيل المثال، في مدى التردد حيث يكون الوقت t للاستقطاب مماثلاً لـ T/2.
معلومات ذات صله.
العمل المعملي الافتراضي رقم 3 ON
فيزياء الحالة الصلبة
المبادئ التوجيهية للتنفيذ العمل المختبريرقم 3 في قسم فيزياء الحالة الصلبة للطلاب التخصصات التقنيةجميع أشكال التعليم
كراسنويارسك 2012
المراجع
مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية ، أستاذ مشارك أ.ن. باندورينا
(جامعة سيبيريا الحكومية للفضاء
سميت على اسم الأكاديمي م.ف. ريشيتنيف)
تم النشر بقرار من اللجنة المنهجية لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات
تحديد ثابت العزل الكهربائي لأشباه الموصلات. عمل المختبر الافتراضي رقم 3 في فيزياء الحالة الصلبة: إرشادات أداء العمل المعملي رقم 3 في قسم فيزياء الحالة الصلبة لطلبة التقنية. متخصص. جميع أشكال التعليم / إعداد : أ.م. خاركيف. سيب. ولاية الفضاء الجوي جامعة. – كراسنويارسك، 2012. – 21 ص.
الفضاء الجوي لدولة سيبيريا
جامعة سميت على اسم الأكاديمي م.ف. ريشتنيفا، 2012
مقدمة ……………………………………………………………………………………………………………………………………….4
القبول في العمل المخبري ………………………………………….4
إعداد العمل المختبري للدفاع ...........................................4
تحديد ثابت العزل الكهربائي لأشباه الموصلات ............ 5
نظرية الطريقة ………………………………………………………………………………………………………………………………………
منهجية قياس ثابت العزل ………………………..11
معالجة نتائج القياس ……………………………………… 16
أسئلة الاختبار………………………………………………….17
الاختبار ……………………………………………………………….17
المراجع ……………………………………………………………………………………………………………………… 20
الملحق …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
مقدمة
بيانات القواعد الارشاديةتحتوي على أوصاف للعمل المختبري الذي يتم فيه استخدام النماذج الافتراضية من دورة "فيزياء الحالة الصلبة".
القبول في العمل المختبري:
يتم إجراؤها بواسطة المعلم في مجموعات مع إجراء مسح شخصي لكل طالب. للقبول:
1) يقوم كل طالب أولاً بإعداد ملاحظاته الشخصية لهذا العمل المخبري؛
2) يتحقق المعلم بشكل فردي من تنسيق الملاحظات ويطرح أسئلة حول النظرية وتقنيات القياس وتركيب النتائج ومعالجتها؛
3) يجيب الطالب الأسئلة المطروحة;
4) يسمح المعلم للطالب بالعمل ويضع توقيعه على ملاحظات الطالب.
إعداد العمل المختبري للدفاع:
يجب أن يستوفي العمل المكتمل والمجهز بالكامل للدفاع المتطلبات التالية:
استكمال جميع النقاط: جميع حسابات القيم المطلوبة، وجميع الجداول المملوءة بالحبر، وجميع الرسوم البيانية المرسومة، وما إلى ذلك.
يجب أن تلبي الجداول جميع متطلبات المعلم.
لجميع القيم في الجداول، يجب كتابة وحدة القياس المقابلة.
تم تسجيل الاستنتاجات لكل رسم بياني.
تم كتابة الجواب في النموذج المحدد.
وتم تسجيل الاستنتاجات المبنية على الإجابة.
تحديد الاستمرارية العازلة لأشباه الموصلات
نظرية الطريقة
الاستقطابهي قدرة العازل على الاستقطاب تحت تأثير المجال الكهربائي، أي. تغيير موقع الجسيمات العازلة المشحونة المتصلة في الفضاء.
العقار الأكثر أهميةالعوازل هي قدرتها على الاستقطاب كهربائيا، أي. تحت تأثير المجال الكهربائي، يحدث إزاحة موجهة للجزيئات أو الجزيئات المشحونة على مسافة محدودة. تحت تأثير المجال الكهربائي، يتم إزاحة الشحنات في كل من الجزيئات القطبية وغير القطبية.
هناك أكثر من اثني عشر أنواع مختلفةالاستقطاب. دعونا نلقي نظرة على بعض منهم:
1. الاستقطاب الإلكترونيهو إزاحة مدارات الإلكترون بالنسبة إلى نواة موجبة الشحنة. ويحدث في جميع ذرات أي مادة، أي. في جميع العوازل. يتم إنشاء الاستقطاب الإلكتروني خلال 10 -15 -10 -14 ثانية.
2. الاستقطاب الأيوني– إزاحة الأيونات المشحونة بشكل معاكس بالنسبة لبعضها البعض في المواد ذات الروابط الأيونية. زمن إنشائها هو 10 -13 -10 -12 ثانية. يعد الاستقطاب الإلكتروني والأيوني من بين أنواع الاستقطاب اللحظي أو التشوهي.
3. ثنائي القطب أو الاستقطاب الاتجاهيبسبب اتجاه ثنائيات القطب في اتجاه المجال الكهربائي. العوازل القطبية لها استقطاب ثنائي القطب. وقت إنشائها هو 10 -10 -10 -6 ثانية. الاستقطاب ثنائي القطب هو أحد أنواع الاستقطاب البطيء أو الاسترخاء.
4. استقطاب الهجرةلوحظ في العوازل غير المتجانسة، حيث تتراكم الشحنات الكهربائية عند حدود منطقة عدم التجانس. إن عمليات إنشاء استقطاب الهجرة بطيئة للغاية ويمكن أن تتم خلال دقائق وحتى ساعات.
5. استقطاب الاسترخاء الأيونييحدث بسبب النقل المفرط للأيونات ضعيفة الارتباط تحت تأثير المجال الكهربائي لمسافات تتجاوز ثابت الشبكة. يتجلى استقطاب الاسترخاء الأيوني في بعض المواد البلورية في وجود شوائب على شكل أيونات أو عبوات فضفاضة من الشبكة البلورية. وقت إنشائها هو 10 -8 -10 -4 ثانية.
6. استقطاب الاسترخاء الإلكترونيينشأ بسبب زيادة الإلكترونات "المعيبة" أو "الثقوب" المثارة بالطاقة الحرارية. عادة ما يؤدي هذا النوع من الاستقطاب إلى ارتفاع ثابت العزل الكهربائي.
7. الاستقطاب العفوي– الاستقطاب التلقائي الذي يحدث في بعض المواد (مثل ملح روشيل) في نطاق درجة حرارة معينة.
8. الاستقطاب ثنائي القطب المرنيرتبط بالدوران المرن لثنائيات القطب من خلال زوايا صغيرة.
9. الاستقطاب المتبقي– الاستقطاب الذي يبقى في بعض المواد (الإلكتريت) لفترة طويلة بعد زوال المجال الكهربائي.
10. الاستقطاب الرنان. إذا كان تردد المجال الكهربائي قريبًا من التردد الطبيعي لتذبذبات ثنائيات القطب، فقد تزيد اهتزازات الجزيئات، مما سيؤدي إلى ظهور استقطاب الرنين في العازل ثنائي القطب. ويلاحظ استقطاب الرنين عند الترددات الموجودة في منطقة ضوء الأشعة تحت الحمراء. يمكن أن يكون للعازل الحقيقي عدة أنواع من الاستقطاب في نفس الوقت. يتم تحديد حدوث نوع أو آخر من الاستقطاب الخصائص الفيزيائية والكيميائيةالمواد ونطاق الترددات المستخدمة.
المؤشرات الرئيسية:
ε – ثابت العزل الكهربائي- قياس قدرة المادة على الاستقطاب؛ هذه كمية توضح عدد المرات التي تكون فيها قوة تفاعل الشحنات الكهربائية في مادة معينة أقل منها في الفراغ. يظهر حقل داخل العازل الكهربائي، موجه عكس العازل الخارجي.
تضعف شدة المجال الخارجي مقارنة بالمجال الذي يحمل نفس الشحنات في الفراغ بمقدار ε مرات، حيث ε هو ثابت العزل الكهربائي النسبي.
إذا تم استبدال الفراغ بين لوحات المكثف بمادة عازلة، فنتيجة للاستقطاب تزداد السعة. هذا هو الأساس لتعريف بسيط لثابت العزل الكهربائي:
حيث C 0 هي سعة المكثف الذي يوجد بين صفائحه فراغ.
C d هي سعة نفس المكثف مع عازل.
يتم تحديد ثابت العزل الكهربائي ε للوسط المتناحي بواسطة العلاقة:
(2)
حيث χ هي قابلية العزل الكهربائي.
D = tan δ – ظل فقدان العزل الكهربائي
خسائر عازلة –خسائر طاقة كهربائية، الناجمة عن تدفق التيارات في العوازل. يتم التمييز بين تيار التوصيل I sc.pr، الناتج عن وجود عدد صغير من الأيونات سهلة الحركة في المواد العازلة، وتيارات الاستقطاب. مع الاستقطاب الإلكتروني والأيوني، يسمى تيار الاستقطاب تيار الإزاحة I cm، وهو قصير العمر للغاية ولا يتم تسجيله بواسطة الأجهزة. تسمى التيارات المرتبطة بأنواع الاستقطاب البطيئة (الاسترخاء) بتيارات الامتصاص I abs. في الحالة العامة، يتم تحديد التيار الإجمالي في العازل على النحو التالي: I = I abs + I sk.pr. بعد إنشاء الاستقطاب، سيكون التيار الإجمالي مساوياً لـ: I=I rms. إذا نشأت تيارات استقطاب مجال ثابت في لحظة تشغيل وإيقاف الجهد، وتم تحديد التيار الإجمالي وفقًا للمعادلة: I = I sk.pr، فإن تيارات استقطاب المجال المتناوب تنشأ في الوقت الحالي تغيرات قطبية الجهد. ونتيجة لذلك، يمكن أن تكون الخسائر في العازل في مجال متناوب كبيرة، خاصة إذا كانت نصف دورة الجهد المطبق تقترب من وقت إنشاء الاستقطاب.
في التين. يوضح الشكل 1 (أ) دائرة مكافئة لمكثف به عازل موجود في دائرة جهد متناوب. في هذه الدائرة، يتم استبدال مكثف ذو عازل حقيقي، والذي لديه خسائر، بمكثف مثالي C مع مقاومة نشطة متوازية R. في الشكل. يوضح الشكل 1 (ب) مخططًا متجهًا للتيارات والفولتية للدائرة قيد النظر، حيث U هو الجهد في الدائرة؛ أنا أك – التيار النشط. I Р – التيار التفاعلي، الذي يتقدم بمقدار 90 درجة عن المكون النشط في الطور؛ أنا ∑ - إجمالي التيار. في هذه الحالة: I а =I R =U/R و I pr =I C =ωCU، حيث ω هو التردد الدائري للمجال المتناوب.
أرز. 1. (أ) – رسم بياني؛ (ب) - مخطط متجه للتيارات والفولتية
زاوية فقدان العزل الكهربائي هي الزاوية δ، والتي تكمل ما يصل إلى 90 درجة زاوية تحول الطور φ بين التيار I ∑ والجهد U في الدائرة السعوية. تتميز الخسائر في المواد العازلة في المجال المتناوب بفقدان العزل الكهربائي: tan δ=I a /I r.
يجب ألا تتجاوز القيم الحدية لظل فقدان العزل الكهربائي للعوازل عالية التردد (0.0001 - 0.0004)، وللعوازل منخفضة التردد - (0.01 - 0.02).
اعتمادات ε وtan δ على درجة الحرارة T والتردد ω
تعتمد المعلمات العازلة للمواد بدرجات متفاوتة على درجة الحرارة والتردد. عدد كبير منلا تسمح لنا المواد العازلة بتغطية ميزات جميع الاعتمادات على هذه العوامل.
لذلك، في الشكل. 2 (أ، ب) يصور الاتجاهات العامة المميزة لبعض المجموعات الرئيسية، أي. يتم إعطاء الاعتمادات النموذجية لثابت العزل الكهربائي ε على درجة الحرارة T (a) والتردد ω (b).
أرز. 2. الاعتماد على التردد للأجزاء الحقيقية (εʹ) والخيالية (εʺ) من ثابت العزل الكهربائي في وجود آلية استرخاء اتجاهية
ثابت العزل الكهربي المعقد.في ظل وجود عمليات الاسترخاء، فمن المناسب كتابة ثابت العزل الكهربائي في شكل معقد. إذا كانت صيغة ديباي صالحة للاستقطاب:
(3)
حيث τ هو وقت الاسترخاء، α 0 هو الاستقطاب الاتجاهي الإحصائي. ثم، بافتراض أن المجال المحلي يساوي المجال الخارجي، نحصل على (في SGS):
تظهر الرسوم البيانية لاعتماد εʹ و εʺ على المنتج ωτ في الشكل. 2. لاحظ أن الانخفاض في εʹ (الجزء الحقيقي من ε) يحدث بالقرب من الحد الأقصى لـ εʺ (الجزء التخيلي من ε).
يعد مسار التغيير هذا في εʹ و εʺ مع التردد بمثابة مثال متكرر على المزيد النتيجة النهائية، والتي بموجبها εʹ(ω) على التردد يستلزم أيضًا اعتماد εʺ(ω) على التردد. في نظام SI، يجب استبدال 4π بـ 1/ε 0.
تحت تأثير المجال المطبق، تستقطب الجزيئات الموجودة في العازل غير القطبي، وتصبح ثنائيات أقطاب مع عزم ثنائي القطب مستحث μ و، يتناسب مع شدة المجال:
(5)
في العزل الكهربائي القطبي، يكون عزم ثنائي القطب للجزيء القطبي μ مساويًا بشكل عام لمجموع المتجه الخاص به μ 0 والمستحث μ ولحظات:
(6)
تتناسب شدة المجال التي تنتجها ثنائيات القطب هذه مع عزم ثنائي القطب وتتناسب عكسيا مع مكعب المسافة.
بالنسبة للمواد غير القطبية، عادة ε = 2 – 2.5 ولا تعتمد على تردد يصل إلى ω ≈10 12 هرتز. يرجع اعتماد ε على درجة الحرارة إلى حقيقة أنه عندما تتغير، تتغير الأبعاد الخطية للمواد الصلبة وأحجام العوازل السائلة والغازية، مما يغير عدد الجزيئات n لكل وحدة حجم
والمسافات بينهما. استخدام العلاقات المعروفة من نظرية العوازل و=ن\μ وو و=ε 0 (ε - 1) ه،أين F- استقطاب المادة، بالنسبة للعوازل غير القطبية لدينا:
(7)
عندما E=const أيضًا μ و= const وتغير درجة الحرارة ε يرجع فقط إلى التغير في n، وهي دالة خطية لدرجة الحرارة Θ، والاعتماد ε = ε(Θ) خطي أيضًا. بالنسبة للعوازل القطبية، لا توجد تبعيات تحليلية، وعادة ما تستخدم العوازل التجريبية.
1) مع زيادة درجة الحرارة، يزداد حجم العازل، ويقل ثابت العزل قليلاً. يكون الانخفاض في ε ملحوظًا بشكل خاص خلال فترة تليين وذوبان العوازل غير القطبية، عندما يزيد حجمها بشكل ملحوظ. نظرًا للتردد العالي لتداول الإلكترون في المدارات (حوالي 10 15 – 10 16 هرتز)، فإن الوقت اللازم لإنشاء حالة توازن للاستقطاب الإلكتروني قصير جدًا ولا تعتمد نفاذية العوازل غير القطبية على تردد المجال في نطاق التردد الشائع الاستخدام (حتى 10 12 هرتز).
2) مع ارتفاع درجة الحرارة تضعف الروابط بين الأيونات الفردية مما يسهل تفاعلها تحت تأثير مجال خارجي وهذا يؤدي إلى زيادة استقطاب الأيونات وثبات العزل الكهربائي ε. نظرًا للوقت القصير الذي يستغرقه تحديد حالة الاستقطاب الأيوني (حوالي 10 13 هرتز، وهو ما يتوافق مع التردد الطبيعي للاهتزازات الأيونية في شعرية الكريستال) إن التغير في تردد المجال الخارجي في نطاقات التشغيل التقليدية ليس له أي تأثير تقريبًا على قيمة ε في المواد الأيونية.
3) يعتمد ثابت العزل الكهربائي للعوازل القطبية بقوة على درجة حرارة وتردد المجال الخارجي. مع زيادة درجة الحرارة، تزداد حركة الجزيئات وتقل طاقة التفاعل بينها، أي: يتم تسهيل اتجاههم تحت تأثير مجال خارجي - الاستقطاب ثنائي القطب وزيادة ثابت العزل الكهربائي. ومع ذلك، تستمر هذه العملية فقط حتى درجة حرارة معينة. مع زيادة أخرى في درجة الحرارة، تنخفض النفاذية ε. نظرًا لأن اتجاه ثنائيات القطب في اتجاه المجال يتم من خلال عملية الحركة الحرارية ومن خلال الحركة الحرارية، فإن إنشاء الاستقطاب يتطلب وقتًا طويلاً. هذه المرة طويلة جدًا لدرجة أنه في المجالات المتناوبة ذات التردد العالي، لا يتوفر لثنائيات الأقطاب الوقت لتوجيه نفسها على طول المجال، وتقل النفاذية ε.
منهجية قياس ثابت العزل الكهربائي
سعة المكثف. مكثفهو نظام مكون من موصلين (لوحتين) مفصولتين بمادة عازلة، يكون سمكهما صغيرًا مقارنة بالأبعاد الخطية للموصلات. على سبيل المثال، صفيحتان معدنيتان مسطحتان مرتبتان بالتوازي ومفصولتان بطبقة عازلة تشكلان مكثفًا (الشكل 3).
إذا أعطيت لوحات مكثف مسطح شحنات متساوية الحجم وإشارات متضادة، فإن شدة المجال الكهربائي بين الألواح ستكون ضعف شدة المجال للوحة واحدة:
(8)
حيث ε هو ثابت العزل الكهربائي للعازل الذي يملأ الفراغ بين الألواح.
الكمية المادية تحددها نسبة الشحن ستسمى إحدى لوحات المكثف بفارق الجهد Δφ بين ألواح المكثف سعة المكثف:
(9)
وحدة SI للقدرة الكهربائية – فاراد(F). مكثف بسعة 1 F له فرق جهد بين ألواحه يساوي 1 V عند نقل شحنات متباينة قدرها 1 C إلى الألواح: 1 F = 1 C/1 V.
سعة مكثف ذو لوحة متوازية.يمكن الحصول على صيغة حساب السعة الكهربائية للمكثف المسطح باستخدام التعبير (8). في الواقع، قوة المجال هي: ه= φ/εε 0 = ف/εε 0 س، أين س– مساحة اللوحة . بما أن المجال منتظم، فإن فرق الجهد بين ألواح المكثف يساوي: φ 1 – φ 2 = إد = ق.د/εε 0 س، أين د- المسافة بين اللوحات . بالتعويض في الصيغة (9)، نحصل على تعبير عن السعة الكهربائية للمكثف المسطح:
(10)
أين ε 0 - ثابت العزل الكهربائي للهواء؛ س- مساحة لوحة المكثف، S=hl، أين ح- عرض اللوحة، ل- طوله؛ د- المسافة بين لوحات المكثف .
يوضح التعبير (10) أنه يمكن زيادة السعة الكهربائية للمكثف بزيادة المساحة سأغطيةها مما يقلل المسافة دبينها وبين استخدام العوازل ذات القيم الكبيرة لثابت العزل الكهربائي ε.
أرز. 3. مكثف مع عازل موجود فيه
إذا تم وضع لوحة عازلة بين لوحات المكثف، فإن سعة المكثف سوف تتغير. ينبغي النظر في خيار وضع لوحة عازلة بين لوحات المكثف.
دعنا نشير إلى: دج - سمك الفجوة الهوائية، دم - سمك اللوحة العازلة، ل B هو طول الجزء الهوائي للمكثف، ل m هو طول جزء المكثف المملوء بالعازل الكهربائي، ε m هو ثابت العزل الكهربائي للمادة. معتبرا أن ل = لفي + لم، أ د = دفي + دم، ثم يمكن النظر في هذه الخيارات للحالات التالية:
متى لفي = 0، دعند = 0 لدينا مكثف ذو عازل صلب:
(11)
من معادلات الديناميكا الكهربائية العيانية الكلاسيكية، بناءً على معادلات ماكسويل، يترتب على ذلك أنه عندما يتم وضع عازل في مجال متناوب ضعيف، يتغير وفقًا لقانون توافقي مع التردد ω، فإن موتر السماحية المعقد يأخذ الشكل:
(12)
حيث σ هي الموصلية الضوئية للمادة، εʹ هو ثابت العزل الكهربائي للمادة، المرتبط باستقطاب العازل الكهربائي. يمكن اختزال التعبير (12) إلى العرض التالي:
(13)
حيث يكون المصطلح التخيلي مسؤولاً عن خسائر العزل الكهربائي.
عمليًا، يتم قياس C - سعة عينة على شكل مكثف مسطح. يتميز هذا المكثف بظل فقدان العزل الكهربائي:
tgδ=ωCR ج (14)
أو عامل الجودة:
س ج =1/ تانδ (15)
حيث R c هي المقاومة، وتعتمد بشكل أساسي على خسائر العزل الكهربائي. هناك عدد من الطرق لقياس هذه الخصائص: طرق الجسر المختلفة، والقياسات مع تحويل المعلمة المقاسة إلى فاصل زمني، وما إلى ذلك. .
عند قياس السعة C وظل فقدان العزل الكهربائي D = tanδ في هذا العمل، استخدمنا تقنية طورتها شركة GOOD WILL INSTRUMENT Co Ltd. تم إجراء القياسات على مقياس النفاذية الدقيق - LCR-819-RLC. يتيح لك الجهاز قياس السعة في نطاق 20 pF-2.083 mF، وظل الخسارة في نطاق 0.0001-9999 وتطبيق مجال التحيز. انحياز داخلي يصل إلى 2 فولت، وانحياز خارجي يصل إلى 30 فولت. دقة القياس 0.05%. تردد إشارة الاختبار 12 هرتز -100 كيلو هرتز.
في هذا العمل، أجريت قياسات على تردد 1 كيلو هرتز في نطاق درجة حرارة 77 كلفن< 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 .
من أجل الحصول على الاعتماد على درجة الحرارة، يتم وضع الخلية التي تحتوي على العينة في تدفق من سائل التبريد (النيتروجين) الذي يمر عبر مبادل حراري، ويتم ضبط درجة حرارته بواسطة المدفأة. يتم التحكم في درجة حرارة السخان بواسطة منظم الحرارة. تعليقمن مقياس درجة الحرارة إلى منظم الحرارة يسمح لك بضبط سرعة قياس درجة الحرارة أو تثبيتها. يتم استخدام المزدوج الحراري للتحكم في درجة الحرارة. في هذا العمل، تغيرت درجة الحرارة بمعدل 1 درجة / دقيقة. تتيح لك هذه الطريقة قياس درجة الحرارة بخطأ قدره 0.1 درجة.
يتم وضع خلية القياس مع العينة المرفقة بها في ناظم البرد للتدفق. يتم توصيل الخلية بمقياس LCR بواسطة أسلاك محمية من خلال موصل موجود في غطاء ناظم البرد. يتم وضع ناظم البرد بين قطبي المغناطيس الكهربائي FL-1. يتيح لك مصدر الطاقة المغناطيسي الحصول على مجالات مغناطيسية تصل إلى 15 كيلو أويل. لقياس شدة المجال المغناطيسي H، يتم استخدام مستشعر Hall المثبت حرارياً مع وحدة إلكترونية. لتحقيق الاستقرار في المجال المغناطيسي، هناك ردود فعل بين مصدر الطاقة ومقياس المجال المغناطيسي.
ترتبط القيم المقاسة للسعة C وظل الخسارة D = tan δ بقيم الكميات الفيزيائية المطلوبة εʹ و εʺ بالعلاقات التالية:
(16)
(17)
| № | ج (الجبهة الوطنية) | إعادة (ε ') | تي (° ك) | تان δ | مراقبة الجودة | ايم (ε") | ω (هرتز) | 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 |
الجدول رقم 1. Gd x Mn 1-x S, (x=0.1).
ثابت العزل الكهربائي- هذه إحدى المعالم الرئيسية التي تميز الخواص الكهربائية للعوازل الكهربائية. وبعبارة أخرى، فإنه يحدد مدى جودة العازل لمادة معينة.
توضح قيمة ثابت العزل الكهربائي اعتماد الحث الكهربائي في العازل على شدة المجال الكهربائي المؤثر عليه. علاوة على ذلك، فإن قيمتها تتأثر ليس فقط الخصائص الفيزيائيةالمادة أو الوسيط نفسه، ولكن أيضًا تردد المجال. كقاعدة عامة، تشير الكتب المرجعية إلى القيمة المقاسة لحقل ثابت أو منخفض التردد.
هناك نوعان من ثابت العزل الكهربائي: المطلق والنسبي.
ثابت العزل الكهربائي النسبي يوضح نسبة الخواص العازلة (العازلة) للمادة قيد الدراسة إلى الخواص المماثلة للفراغ. وهو يميز الخصائص العازلة للمادة في الحالات الغازية أو السائلة أو الصلبة. أي أنه ينطبق على جميع المواد العازلة تقريبًا. عادة ما تكون قيمة ثابت العزل الكهربائي النسبي للمواد في الحالة الغازية ضمن حدود 1. بالنسبة للسوائل و المواد الصلبةيمكن أن يكون ضمن حدود واسعة جدًا - من 2 إلى ما لا نهاية تقريبًا.
على سبيل المثال، ثابت العزل الكهربائي النسبي مياه عذبةتساوي 80، وبالنسبة للمواد الكهروضوئية – عشرات أو حتى مئات الوحدات، اعتمادًا على خصائص المادة.
ثابت العزل الكهربائي المطلق هي قيمة ثابتة. وهو يصف الخصائص العازلة لمادة أو مادة معينة، بغض النظر عن موقعها والعوامل الخارجية المؤثرة عليها.
الاستخدام
يُستخدم ثابت العزل الكهربائي، أو بالأحرى قيمه، في تطوير وتصميم المكونات الإلكترونية الجديدة، وخاصة المكثفات. الأحجام المستقبلية و الخصائص الكهربائيةعنصر. تؤخذ هذه القيمة أيضًا في الاعتبار عند تطوير دوائر كهربائية كاملة (خاصة في الإلكترونيات عالية التردد) وحتى
ثابت العزل الكهربائي
يتم الحكم على ظاهرة الاستقطاب بقيمة ثابت العزل الكهربائي ε. تسمى المعلمة ε، التي تميز قدرة المادة على تكوين سعة، بثابت العزل الكهربائي النسبي.
عادة ما يتم حذف كلمة "نسبي". وينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أن السعة الكهربائية لقسم العزل مع الأقطاب الكهربائية، أي. يعتمد المكثف على الأبعاد الهندسية وتكوين الأقطاب الكهربائية وبنية المادة التي تشكل العازل الكهربائي لهذا المكثف.
في الفراغ ε = 1، وأي عازل يكون دائمًا أكبر من 1. إذا كان C0 - em-
عظم ، يوجد بين الصفائح فراغ ذو شكل وحجم تعسفي ، و C هي سعة مكثف من نفس الحجم والشكل ، ولكنه مملوء بعازل كهربائي بثابت عازل ε ، ثم
تشير بـ C0 إلى الثابت الكهربائي (F/m)، الذي يساوي
С0 = 8.854.10-12،
لنجد ثابت العزل الكهربائي المطلق
ε’ = ε0 .ε.
دعونا نحدد قيم السعة لبعض أشكال العوازل.
لمكثف اللوحة المتوازية
С = ε0 ε S/h = 8.854 1О-12 ε S/h.
حيث S هي مساحة المقطع العرضي للقطب، m2؛
ح - المسافة بين الأقطاب الكهربائية، م.
أهمية عمليةثابت العزل الكهربائي مرتفع جداً . فهو لا يحدد قدرة المادة على تكوين حاوية فحسب، بل يتم تضمينه أيضًا في عدد من المعادلات الأساسية التي تميز العمليات الفيزيائيةتتدفق في عازل.
ثابت العزل الكهربائي للغازات بسبب كثافتها المنخفضة (بسبب المسافات الكبيرة بين الجزيئات) غير مهم وقريب من الوحدة. عادةً ما يكون استقطاب الغاز إلكترونيًا أو ثنائي القطب إذا كانت الجزيئات قطبية. كلما زاد نصف قطر الجزيء، زادت قيمة ε للغاز. يؤدي التغير في عدد جزيئات الغاز لكل وحدة حجم من الغاز (n) مع تغير درجة الحرارة والضغط إلى تغير في ثابت العزل الكهربائي للغاز. عدد الجزيئات N يتناسب مع الضغط ويتناسب عكسيا مع درجة الحرارة المطلقة.
عندما تتغير الرطوبة، يتغير ثابت العزل الكهربائي للهواء قليلاً بما يتناسب طردياً مع التغير في الرطوبة (مع درجة حرارة الغرفة). في حرارة عاليةتم تعزيز تأثير الرطوبة بشكل كبير. يتميز الاعتماد على درجة الحرارة لثابت العزل الكهربائي بالتعبير
T K ε = 1 / ε (dε / dT).
باستخدام هذا التعبير، يمكنك حساب التغير النسبي في ثابت العزل الكهربائي عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار 1 0 كلفن - وهو ما يسمى معامل درجة الحرارة TC من ثابت العزل الكهربائي.
تم العثور على قيمة TC للغاز غير القطبي من خلال الصيغة
T K ε = (ε -1) / dT.
حيث T هي درجة الحرارة. ل.
يعتمد ثابت العزل الكهربائي للسوائل بشدة على بنيتها. تكون قيم ε للسوائل غير القطبية صغيرة وقريبة من مربع معامل انكسار الضوء n 2. ويتراوح ثابت العزل الكهربائي للسوائل القطبية، التي تستخدم كعوازل تقنية، من 3.5 إلى 5، وهو أعلى بشكل ملحوظ مقارنة بالسوائل غير القطبية.
وبالتالي، يتم تحديد استقطاب السوائل التي تحتوي على جزيئات ثنائية القطب في وقت واحد عن طريق الاستقطاب الإلكتروني واستقطاب ثنائي القطب.
تتميز السوائل القطبية العالية بقيمة ε عالية بسبب موصليتها العالية. يعد اعتماد ε على درجة الحرارة في السوائل ثنائية القطب أكثر تعقيدًا منه في السوائل المحايدة.
لذلك، ε عند تردد 50 هرتز لثنائي الفينيل المكلور (السافول) يزداد بسرعة بسبب الانخفاض الحاد في لزوجة السائل، وثنائي القطب
لدى الجزيئات الوقت الكافي لتوجيه نفسها بعد التغير في درجة الحرارة.
يحدث الانخفاض في ε بسبب زيادة الحركة الحرارية للجزيئات، مما يمنع توجيهها في اتجاه المجال الكهربائي.
تنقسم العوازل الكهربائية إلى أربع مجموعات حسب نوع الاستقطاب:
المجموعة الأولى هي أحادية التركيب، متجانسة، نقية، بدون إضافات، عوازل، والتي لديها بشكل رئيسي الاستقطاب الإلكتروني أو التعبئة الكثيفة للأيونات. وتشمل هذه العوازل الصلبة غير القطبية وضعيفة القطبية في البلورية أو حالة غير متبلورةوكذلك السوائل والغازات غير القطبية وضعيفة القطبية.
المجموعة الثانية هي العوازل التقنية ذات الاستقطابات الإلكترونية والأيونية وثنائية القطب في نفس الوقت. وتشمل هذه المواد العضوية شبه السائلة والصلبة القطبية (ثنائية القطب)، مثل مركبات الصنوبري الزيتي والسليلوز وراتنجات الإيبوكسي والمواد المركبة المصنوعة من هذه المواد.
المجموعة الثالثة هي العوازل التقنية ذات الاستقطابات الأيونية والإلكترونية. تنقسم العوازل ذات استقطابات الاسترخاء الإلكترونية والأيونية إلى مجموعتين فرعيتين. المجموعة الفرعية الأولى تشمل بشكل رئيسي المواد البلوريةمع تعبئة قريبة من الأيونات ε< 3,0.
تشمل المجموعة الفرعية الثانية الزجاج غير العضوي والمواد التي تحتوي على مرحلة زجاجية، بالإضافة إلى المواد البلورية ذات التعبئة السائبة من الأيونات.
تتكون المجموعة الرابعة من متعلقات متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف ذات استقطابات عفوية وإلكترونية وأيونية واسترخاء الإلكترون والأيونات، بالإضافة إلى الهجرة أو الجهد العالي للمواد المركبة والمعقدة والطبقية.
4. الفاقد العازل للمواد العازلة الكهربائية. أنواع الخسائر العازلة.
خسائر العزل الكهربائي هي الطاقة التي تتبدد في العازل الكهربائي عندما تتعرض لمجال كهربائي وتتسبب في تسخين العازل الكهربائي.
يتم ملاحظة الخسائر في العوازل الكهربائية عند الجهد المتردد والجهد الثابت، حيث يتم اكتشاف تيار من خلال الموصلية في المادة. في الجهد المستمر، في حالة عدم وجود استقطاب دوري، تتميز جودة المادة، كما هو موضح أعلاه، بقيم المقاومات الحجمية والسطحية. مع الجهد المتناوب، من الضروري استخدام بعض الخصائص الأخرى لجودة المادة، لأنه في هذه الحالة، بالإضافة إلى التيار، تنشأ أسباب إضافية، التسبب في خسائرفي عازل.
يمكن وصف خسائر العزل الكهربائي في المواد العازلة الكهربائية بتبديد الطاقة لكل وحدة حجم، أو خسائر محددة؛ في كثير من الأحيان، لتقييم قدرة العازل على تبديد الطاقة في مجال كهربائي، يتم استخدام زاوية فقدان العزل الكهربائي، وكذلك ظل هذه الزاوية.
أرز. 3-1. اعتماد الشحنة على الجهد للعازل الخطي بدون خسائر (أ)، مع خسائر (ب)
زاوية فقدان العزل الكهربائي هي الزاوية التي تكمل ما يصل إلى 90 درجة من زاوية تحول الطور بين التيار والجهد في دائرة سعوية. للحصول على عازل مثالي، فإن ناقل التيار في مثل هذه الدائرة سيقود ناقل الجهد بمقدار 90 درجة، وستكون زاوية فقدان العزل الكهربائي يساوي الصفر. كلما زادت الطاقة المتبددة في العازل الذي يتحول إلى حرارة، كلما كانت زاوية تحول الطور أصغر وكلما زادت الزاوية ووظيفتها tg.
ومن المعروف من نظرية التيارات المتناوبة الطاقة النشطة
Ra = واجهة المستخدم cos (3-1)
دعونا نعبر عن قوى الدوائر المتوالية والمتوازية بدلالة السعات Cs و Cp والزاوية التي هي مكملة للزاوية حتى 90 درجة.
بالنسبة لدائرة متسلسلة، باستخدام التعبير (3-1) والمخطط المتجه المقابل، لدينا
ف = 
(3-2)
tg = ج س ر ق (3-3)
للدائرة الموازية
ف أ = واجهة المستخدم أ = U 2 ج ع تغ (3-4)
tg = (3-5)
بمساواة التعبيرات (3-2) و(3-4) وكذلك (3-3) و(3-5) نجد العلاقات بين Cp وCs وبين rp وrs
ج ع = ج ق /1+تغ 2 (3-6)
ص ع = ص ث (1+ 1/ تيراغرام 2 ) (3-7)
بالنسبة للعوازل عالية الجودة، يمكنك إهمال قيمة tg2 مقارنة بالوحدة في الصيغة (3-8) والنظر في Cp Cs C. تعبيرات الطاقة المتبددة في العازل الكهربائي، في هذه الحالة، ستكون هي نفسها لكلا الدائرتين:
ف أ يو 2 ج تيراغرام (3-8)
حيث Ra هي القوة النشطة، W؛ U - الجهد، V؛ - التردد الزاوي، s-1؛ ج - السعة، ف.
المقاومة rr في دائرة متوازية، على النحو التالي من التعبير (3-7)، أكبر بعدة مرات من المقاومة rs. التعبير عن خسائر عازلة محددة، أي الطاقة المتبددة لكل وحدة حجم العازل، له الشكل:
(3-9)
حيث p - خسائر محددة، W/m3؛ =2 - التردد الزاوي، s-1، E - شدة المجال الكهربائي، V/m.
في الواقع، ستكون السعة بين الوجوه المتقابلة للمكعب الذي طول ضلعه 1 م
C1 = 0 r، المكون التفاعلي للموصلية
(3-10)
عنصر نشط
بعد تحديد بعض الطرق عند تردد معين معلمات الدائرة المكافئة للعازل قيد الدراسة (Cp و rr أو Cs و rs)، بشكل عام، لا يمكن اعتبار قيم السعة والمقاومة التي تم الحصول عليها متأصلة في مكثف معين واستخدم هذه البيانات لحساب زاوية الخسارة عند تردد آخر. لا يمكن إجراء مثل هذا الحساب إلا إذا كان للدائرة المكافئة أساس فيزيائي معين. لذلك، على سبيل المثال، إذا كان من المعروف بالنسبة لعازل كهربائي معين أن الخسائر الموجودة فيه يتم تحديدها فقط من خلال الخسائر الناتجة عن التوصيل الكهربائي في نطاق واسع من الترددات، فيمكن حساب زاوية فقدان مكثف به مثل هذا العازل الكهربائي لأي تردد الكذب في هذا النطاق
تيراجرام =1/ كرب (3-12)
حيث C وrp عبارة عن سعة ثابتة ومقاومة تقاس عند تردد معين.
الخسائر في مثل هذا المكثف، كما هو واضح، لا تعتمد على التردد:
باسكال = U2 / دورة (3-13)
على العكس من ذلك، إذا تم تحديد الخسائر في المكثف بشكل أساسي من خلال مقاومة أسلاك الإمداد، وكذلك مقاومة الأقطاب الكهربائية نفسها (على سبيل المثال، طبقة رقيقة من الفضة)، فإن الطاقة المتبددة في مثل هذا المكثف سوف الزيادة بما يتناسب مع مربع التردد:
Pa=U2 C tg =U2 C Crs=U2 2C2rs (3-14)
من التعبير الأخير يمكننا استخلاص استنتاج عملي مهم للغاية: يجب أن تتمتع المكثفات المصممة للعمل بترددات عالية بأقل مقاومة ممكنة لكل من الأقطاب الكهربائية وأسلاك التوصيل وجهات الاتصال الانتقالية.
يمكن تقسيم خسائر العزل الكهربائي، حسب خصائصها وطبيعتها الفيزيائية، إلى أربعة أنواع رئيسية:
1) خسائر العزل الكهربائي بسبب الاستقطاب؛
2) خسائر العزل الكهربائي بسبب التوصيل الكهربائي.
خسائر عازلة التأين.
خسائر عازلة بسبب عدم التجانس الهيكلي.
يتم ملاحظة خسائر العزل الكهربائي الناتجة عن الاستقطاب بوضوح بشكل خاص في المواد ذات استقطاب الاسترخاء: في العوازل ذات البنية ثنائية القطب وفي العوازل ذات البنية الأيونية ذات التعبئة السائبة من الأيونات.
تنجم خسائر العزل الكهربائي في الاسترخاء عن اضطراب الحركة الحرارية للجزيئات تحت تأثير قوى المجال الكهربائي.
ترتبط خسائر العزل الكهربائي التي لوحظت في المواد الكهروضوئية بظاهرة الاستقطاب التلقائي. ولذلك، فإن الخسائر في مجال الطاقة الكهروضوئية تكون كبيرة عند درجات حرارة أقل من نقطة كوري، عندما يتم ملاحظة الاستقطاب التلقائي. عند درجات حرارة أعلى من نقطة كوري، تنخفض الخسائر في المواد الكهروضوئية. يترافق التقادم الكهربائي للعازل الكهربائي الشفاف مع انخفاض طفيف في الخسائر بمرور الوقت.
يجب أن تشمل خسائر العزل الكهربائي الناتجة عن الاستقطاب أيضًا ما يسمى بخسائر الرنين التي تظهر في العوازل عند ترددات عالية. يتم ملاحظة هذا النوع من الخسارة بوضوح خاص في بعض الغازات بتردد محدد بدقة ويتم التعبير عنه في الامتصاص المكثف لطاقة المجال الكهربائي.
خسائر الرنين ممكنة أيضًا في المواد الصلبة إذا كان تردد التذبذبات القسرية الناتجة عن المجال الكهربائي يتزامن مع التردد الطبيعي لجزيئات المادة الصلبة. إن وجود الحد الأقصى في اعتماد التردد لـ tg هو أيضًا سمة من سمات آلية فقدان الرنين، ولكن في في هذه الحالةدرجة الحرارة لا تؤثر على موقف الحد الأقصى.
تم العثور على خسائر العزل الكهربائي الناجمة عن التوصيل الكهربائي في العوازل التي لها حجم ملحوظ أو موصلية سطحية.
يمكن حساب ظل فقدان العزل الكهربائي في هذه الحالة باستخدام الصيغة
لا تعتمد خسائر العزل الكهربائي من هذا النوع على تردد المجال؛ يتناقص tg مع التردد وفقًا لقانون الزائدي.
تزداد خسائر العزل الكهربائي الناتجة عن التوصيل الكهربائي مع زيادة درجة الحرارة وفقًا للقانون الأسي
PaT=Aexp(-b/T) (3-16)
حيث A، b ثوابت مادية. يمكن إعادة كتابة الصيغة (3-16) تقريبًا على النحو التالي:
بات=Pa0exp(ر) (3-17)
حيث PaT - الخسائر عند درجة الحرارة t، درجة مئوية؛ Pa0 - الخسائر عند درجة حرارة 0 درجة مئوية؛ - ثابت المادة .
يختلف ظل فقدان العزل الكهربائي مع درجة الحرارة وفقًا لنفس القانون الذي تم استخدامه لتقريب اعتماد درجة الحرارة لـ Pa، حيث يمكن إهمال التغير في درجة الحرارة في السعة.
تعتبر خسائر عازلة التأين من سمات العوازل والحالة الغازية. تظهر خسائر التأين في شكل غير متجانس المجالات الكهربائيةعند الفولتية التي تتجاوز القيمة المقابلة لبداية تأين غاز معين. يمكن حساب خسائر التأين باستخدام الصيغة
Pa.u=A1f(U-Ui)3 (3-18)
حيث A1 هو معامل ثابت؛ و - تردد المجال؛ U - الجهد المطبق. Ui هو الجهد المقابل لبداية التأين.
الصيغة (3-18) صالحة لـ U > Ui والاعتماد الخطي لـ tg على E. يعتمد جهد التأين Ui على الضغط الذي يقع عنده الغاز، نظرًا لأن تطور التأين الارتطامي للجزيئات يرتبط بالمتوسط الحر مسار ناقلات الشحنة.
يتم ملاحظة فقدان العزل الكهربائي بسبب عدم التجانس الهيكلي في العوازل الكهربائية ذات الطبقات، من الورق والنسيج المشربين، في البلاستيك المملوء، في السيراميك المسامي في الميكانيت، الميكاليكس، إلخ.
ونظرًا لتنوع بنية العوازل غير المتجانسة وخصائص المكونات التي تحتوي عليها، فلا يوجد صيغة عامةحساب خسائر العزل الكهربائي من هذا النوع.