Диэлектрические свойства. Диэлектрическая проницаемость: ключевые свойства и применение в электротехнике — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое диэлектрическая проницаемость. Как она влияет на электрические свойства материалов. Какие виды диэлектриков существуют. Где применяются диэлектрики в электротехнике и электронике. Как измеряется диэлектрическая проницаемость.

Содержание

Что такое диэлектрическая проницаемость и как она характеризует материалы

Диэлектрическая проницаемость — это физическая величина, характеризующая способность вещества поляризоваться под действием электрического поля. Она показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в данной среде меньше, чем в вакууме.

Основные свойства диэлектрической проницаемости:

Безразмерная величина, обозначается ε (эпсилон)
Для вакуума ε = 1
Для реальных диэлектриков ε > 1
Чем больше ε, тем сильнее поляризуется материал в электрическом поле
Зависит от частоты переменного электрического поля
Может зависеть от температуры, давления и других факторов

Виды диэлектриков и значения их диэлектрической проницаемости

Диэлектрики можно разделить на несколько основных видов в зависимости от значений их диэлектрической проницаемости:

Газообразные диэлектрики

Газы имеют значения ε близкие к единице:

Воздух: ε ≈ 1,00059
Азот: ε ≈ 1,00058
Гелий: ε ≈ 1,00007

Жидкие диэлектрики

Жидкости обычно имеют ε в диапазоне 2-80:

Трансформаторное масло: ε ≈ 2,2
Керосин: ε ≈ 2,0
Этиловый спирт: ε ≈ 25
Вода: ε ≈ 80

Твердые диэлектрики

Значения ε для твердых диэлектриков могут варьироваться в широком диапазоне:

Полиэтилен: ε ≈ 2,3
Фторопласт: ε ≈ 2,0
Слюда: ε ≈ 6-8
Стекло: ε ≈ 5-10
Керамика: ε ≈ 5-200

Сегнетоэлектрики

Особый класс диэлектриков с очень высокими значениями ε:

Титанат бария: ε ≈ 1000-10000
Сегнетова соль: ε > 10000

Как диэлектрическая проницаемость влияет на электрические свойства материалов

Диэлектрическая проницаемость оказывает существенное влияние на многие электрические характеристики материалов:

Электрическая емкость

Емкость конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды между его обкладками. Чем выше ε, тем большую емкость можно получить при тех же геометрических размерах.

Электрическая прочность

С увеличением ε электрическая прочность диэлектрика обычно снижается. Это связано с усилением поляризации и ослаблением связи электронов с ядрами атомов.

Диэлектрические потери

В диэлектриках с высокой проницаемостью, как правило, наблюдаются более значительные диэлектрические потери энергии при воздействии переменного электрического поля.

Скорость распространения электромагнитных волн

В среде с диэлектрической проницаемостью ε скорость распространения электромагнитных волн в √ε раз меньше, чем в вакууме.

Применение диэлектриков в электротехнике и электронике

Диэлектрики с различной проницаемостью широко используются в электротехнических и электронных устройствах:

Конденсаторы

Диэлектрики применяются в качестве изолирующего слоя между обкладками конденсаторов. Высокая диэлектрическая проницаемость позволяет создавать конденсаторы большой емкости при малых размерах.

Изоляция проводов и кабелей

Полимерные диэлектрики с низкой проницаемостью используются для электрической изоляции проводников. Это обеспечивает высокую электрическую прочность изоляции.

Подложки печатных плат

Материалы с низкой диэлектрической проницаемостью применяются в качестве диэлектрических подложек в высокочастотных печатных платах для уменьшения паразитных емкостей.

Диэлектрические резонаторы

Керамические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью используются для создания компактных СВЧ-резонаторов в фильтрах и генераторах.

Методы измерения диэлектрической проницаемости

Существует несколько основных методов определения диэлектрической проницаемости материалов:

Метод измерения емкости

Основан на измерении емкости конденсатора с известными геометрическими размерами, заполненного исследуемым диэлектриком. По измеренной емкости рассчитывается диэлектрическая проницаемость.

Резонансный метод

Используется измерение резонансной частоты колебательного контура до и после введения в него образца исследуемого диэлектрика. По изменению частоты определяется ε.

Волноводный метод

Основан на измерении параметров распространения электромагнитных волн в волноводе, частично или полностью заполненном исследуемым диэлектриком.

Оптический метод

Диэлектрическая проницаемость в оптическом диапазоне частот определяется по коэффициенту преломления материала: ε = n², где n — показатель преломления.

Зависимость диэлектрической проницаемости от внешних факторов

Диэлектрическая проницаемость материалов может существенно зависеть от различных внешних факторов:

Частотная зависимость

С ростом частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость большинства материалов снижается из-за уменьшения вклада различных механизмов поляризации. Это явление называется диэлектрической дисперсией.

Температурная зависимость

Повышение температуры обычно приводит к росту диэлектрической проницаемости из-за увеличения подвижности диполей и ионов в материале. Однако для некоторых диэлектриков (например, сегнетоэлектриков) зависимость может быть более сложной.

Влияние влажности

Для многих диэлектрических материалов увеличение содержания влаги приводит к значительному росту диэлектрической проницаемости. Это особенно заметно для пористых материалов.

Зависимость от напряженности поля

В сильных электрических полях для некоторых диэлектриков наблюдается нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля. Это явление используется в нелинейных диэлектрических устройствах.

Диэлектрическая проницаемость композитных материалов

Композитные диэлектрические материалы, состоящие из нескольких компонентов, широко применяются в современной электронике. Их диэлектрическая проницаемость зависит от свойств и объемных долей компонентов.

Методы расчета эффективной диэлектрической проницаемости

Для оценки диэлектрической проницаемости композитов используются различные модели и формулы:

Формула Максвелла-Гарнетта
Формула Брюггемана
Формула Лихтенеккера

Выбор конкретной модели зависит от структуры композита и соотношения проницаемостей его компонентов.

Применение композитных диэлектриков

Композитные материалы позволяют создавать диэлектрики с заданными свойствами:

Высокая диэлектрическая проницаемость при низких потерях
Заданная частотная зависимость ε
Улучшенные механические характеристики

Такие материалы находят применение в производстве конденсаторов, подложек интегральных схем, СВЧ-компонентов.

Перспективы развития диэлектрических материалов

Развитие технологий создания новых диэлектрических материалов идет в нескольких направлениях:

Наноструктурированные диэлектрики

Использование наноразмерных частиц и структур позволяет создавать материалы с уникальными диэлектрическими свойствами, недостижимыми для обычных диэлектриков.

Мультиферроики

Материалы, сочетающие высокую диэлектрическую и магнитную проницаемость, перспективны для создания новых типов электронных устройств.

Гибкая электроника

Разрабатываются эластичные диэлектрические материалы для применения в гибких и растягиваемых электронных устройствах.

Развитие этих направлений открывает новые возможности для совершенствования электронных компонентов и устройств.

Диэлектрик — что такое? Свойства диэлектриков

Диэлектрик — это материал или вещество, которое практически не пропускает электрический ток. Такая проводимость получается вследствие небольшого количества электронов и ионов. Данные частицы образуются в не проводящем электрический ток материале только при достижении высоких температурных свойств. О том, что такое диэлектрик и пойдёт речь в этой статье.

Описание

Каждый электронный или радиотехнический проводник, полупроводник или заряженный диэлектрик пропускает через себя электрический ток, но особенность диэлектрика в том, что в нем даже при высоком напряжении свыше 550 В будет протекать ток малой величины. Электрический ток в диэлектрике — это движение заряженных частиц в определённом направлении (может быть положительным и отрицательным).

Виды токов

В основе электропроводимости диэлектриков лежат:

Токи абсорбционные – ток, который протекает в диэлектрике при постоянном токе до тех пор, пока не достигнет состояния равновесия, изменяя направление при включении и подаче на него напряжения и при отключении. При переменном токе напряжённость в диэлектрике будет присутствовать в нём всё время, пока находится в действии электрического поля.
Электронная электропроводность – перемещение электронов под действием поля.
Ионная электропроводность – представляет собой движение ионов. Находится в растворах электролитов – соли, кислоты, щёлочь, а так же во многих диэлектриках.
Молионная электропроводность – движение заряженных частиц, называемых молионами. Находится в коллоидных системах, эмульсиях и суспензиях. Явление движения молионов в электрическом поле называется электрофорезом.

Электроизоляционные материалы классифицируют по агрегатному состоянию и химической природе. Первые делятся на твёрдые, жидкостные, газообразные и затвердевающие. По химической природе делятся на органику, неорганику и элементоорганические материалы.

Электропроводимость диэлектриков по агрегатному состоянию:

Электропроводимость газов. У газообразных веществ достаточно малая проводимость тока. Он может возникать при наличии свободных заряженных частиц, что появляется из-за воздействия внешних и внутренних, электронных и ионных факторов: излучение рентгена и радиоактивного вида, соударение молекул и заряженных частиц, тепловые факторы.
Электропроводимость жидкого диэлектрика. Факторы зависимости: структура молекулы, температура, примеси, присутствие крупных зарядов электронов и ионов. Электропроводимость жидких диэлектриков во многом зависит от наличия влаги и примесей. Проводимость электричества полярных веществ создаётся ещё при помощи жидкости с диссоциированными ионами. При сравнении полярных и неполярных жидкостей, явное преимущество в проводимости имеют первые. Если очистить жидкость от примесей, то это поспособствует уменьшению её проводимых свойств. При росте проводимости жидкого вещества и его температуры возникает уменьшение её вязкости, приводящее к увеличению подвижности ионов.
Твёрдые диэлектрики. Их электропроводимость обуславливается как перемещение заряженных частиц диэлектрика и примесей. В сильных полях электрического тока выявляется электропроводимость.

Физические свойства диэлектриков

При удельном сопротивлении материала равном меньше 10-5 Ом*м их можно отнести к проводникам. Если больше 108 Ом*м — к диэлектрикам. Возможны случаи, когда удельное сопротивление будет в разы больше сопротивления проводника. В интервале 10-5-108 Ом*м находится полупроводник. Металлический материал — отличный проводник электрического тока.

Из всей таблицы Менделеева только 25 элементов относятся к неметаллам, причём 12 из них, возможно, будут со свойствами полупроводника. Но, разумеется, кроме веществ таблицы, существует ещё множество сплавов, композиций или химических соединений со свойством проводника, полупроводника или диэлектрика. Исходя из этого, трудно провести определённую грань значений различных веществ с их сопротивлениями. Для примера, при пониженном температурном факторе полупроводник станет вести себя подобно диэлектрику.

Применение

Использование не проводящих электрический ток материалов очень обширно, ведь это один из популярно используемых классов электротехнических компонентов. Стало достаточно ясно, что их можно применять благодаря свойствам в активном и пассивном виде.

В пассивном виде свойства диэлектриков используют для применения в электроизоляционном материале.

В активном виде они используются в сегнетоэлектрике, а также в материалах для излучателей лазерной техники.

Основные диэлектрики

К часто встречающимся видам относятся:

Стекло.
Резина.
Нефть.
Асфальт.
Фарфор.
Кварц.
Воздух.
Алмаз.
Чистая вода.
Пластмасса.

Что такое диэлектрик жидкий?

Поляризация данного вида происходит в поле электрического тока. Жидкостные токонепроводящие вещества используются в технике для заливки или пропитки материалов. Есть 3 класса жидких диэлектриков:

Нефтяные масла – являются слабовязкими и в основном неполярными. Их часто используют в высоковольтных аппаратурах: масло трансформаторное, высоковольтные воды. Масло трансформаторное — это неполярный диэлектрик. Кабельное масло нашло применение в пропитке изоляционно-бумажных проводов с напряжением на них до 40 кВ, а также покрытий на основе металла с током больше 120 кВ. Масло трансформаторное по сравнению с конденсаторным имеет более чистую структуру. Данный вид диэлектрика получил широкое распространение в производстве, несмотря на большую себестоимость по сравнению с аналоговыми веществами и материалами.

Что такое диэлектрик синтетический? В настоящее время практически везде он запрещён из-за высокой токсичности, так как производится на основе хлорированного углерода. А жидкий диэлектрик, в основе которого кремний органический, является безопасным и экологически чистым. Данный вид не вызывает металлической ржавчины и имеет свойства малой гигроскопичности. Существует разжиженный диэлектрик, содержащий фторорганическое соединение, которое особо популярно из-за своей негорючести, термических свойств и окислительной стабильности.

И последний вид, это растительные масла. Они являются слабо полярными диэлектриками, к ним относятся льняное, касторовое, тунговое, конопляное. Касторовое масло является сильно нагреваемым и применяется в бумажных конденсаторах. Остальные масла — испаряемые. Выпаривание в них обуславливается не естественным испарением, а химической реакцией под названием полимеризация. Активно применяется в эмалях и красках.

Заключение

В статье было подробно рассмотрено, что такое диэлектрик. Были упомянуты различные виды и их свойства. Конечно, чтобы понять всю тонкость их характеристик, придётся более углубленно изучить раздел физики о них.

Виды электроизоляции — новости компании МонтажСтройЭлектро

Некоторые материалы, используемые в электрических приборах и схемах электроснабжения, обладают диэлектрическими свойствами, то есть имеют большое сопротивление току. Эта способность позволяет им не пропускать ток, а поэтому их используют для создания изоляции токоведущих частей. Электроизоляционные материалы предназначены не только для разделения токоведущих частей, но и для создания защиты от опасного воздействия электрического тока. Например, шнуры питания электрических приборов покрыты изоляцией.

Электроизоляционные материалы и их применение

Электроизоляционные материалы широко применяются в промышленности, радио- и приборостроении, развитии электрических сетей. Нормальная работа электрического прибора или безопасность схемы электроснабжения во многом зависит от используемых диэлектриков. Некоторые параметры материала, предназначенного для электрической изоляции, определяют его качество и возможности.

Применение изоляционных материалов обусловлено правилами безопасности. Целостность изоляции является залогом безопасной работы с электрическим током. Весьма опасно использовать приборы с поврежденной изоляцией. Даже незначительный электрический ток может оказать воздействие на организм человека.

Свойства диэлектриков

Электроизоляционные материалы должны иметь определенные свойства, чтобы выполнять свои функции. Главным отличием диэлектриков от проводников является большая величина удельного объемного сопротивления (109–1020 ом·см). Электрическая проводимость проводников в сравнении с диэлектриками раз в 15 раз больше. Это связано с тем, что изоляторы по своей природе имеют в несколько раз меньше свободных ионов и электронов, которые обеспечивают токопроводимость материала. Но при нагревании материала их становится больше, что способствует увеличению токопроводимости.

Различают активные и пассивные свойства диэлектриков. Для изоляционных материалов наиболее важны пассивные свойства. Диэлектрическая проницаемость материала должна быть как можно меньшей. Это позволяет изолятору не вносить в схему паразитные емкости. Для материала, который используется в качестве диэлектрика конденсатора, диэлектрическая проницаемость должна быть, наоборот, как можно большей.

Параметры изоляции

К основным параметрам электроизоляции относят электрическую прочность, удельное электрическое сопротивление, относительную диэлектрическую проницаемость, угол диэлектрических потерь. При оценке электроизоляционных свойств материала учитывается также зависимость перечисленных характеристик от величин электрического тока и напряжения.

Электроизоляционные изделия и материалы обладают большей величиной электрической прочности в сравнении с проводниками и полупроводниками. Важна также для диэлектрика стабильность удельных величин при нагревании, повышении напряжении и других изменениях.

Классификация диэлектрических материалов

В зависимости от мощности тока, проходящего по проводнику, используют разные типы изоляции, которые отличаются своими возможностями.

По каким же параметрам делят электроизоляционные материалы? Классификация диэлектриков основана на их агрегатном состоянии (твердые, жидкие и газообразные) и происхождению (органические: естественные и синтетические, неорганические: природные и искусственные). Наиболее распространен тип твердых диэлектриков, которые можно увидеть на шнурах бытовой техники или любых других электрических приборов.

Твердые и жидкие диэлектрики, в свою очередь, делятся на подгруппы. К твердым диэлектрикам относятся лакоткани, слоистые пластики и различные виды слюды. Воски, масла и сжиженные газы представляют собой жидкие электроизоляционные материалы. Специальные газообразные диэлектрики используются намного реже. К этому типу также относится естественный электрический изолятор – воздух. Его использование обусловлено не только характеристиками воздуха, которые делают его прекрасным диэлектриком, но и его экономичностью. Применение воздуха в качестве изоляции не требует дополнительных материальных затрат.

Твердые диэлектрики

Твердые электроизоляционные материалы – наиболее широкий класс диэлектриков, которые применяются в разных областях. Они имеют различные химические свойства, а величина диэлектрической проницаемости колеблется от 1 до 50000.

Твердые диэлектрики делятся на неполярные, полярные и сегнетоэлектрики. Их главные отличия состоят в механизмах поляризации. Этот класс изоляции обладает такими свойствами, как химическая стойкость, трекингостойкость, дендритостойкость. Химическая стойкость выражается в способности противостоять влиянию различным агрессивным средам (кислота, щелочь и т. д.). Трегингостойкость определяет возможность противостоять воздействию электрической дуги, а дендритостойкость – образованию дендритов.

Твердые диэлектрики применяются в различных сферах энергетики. Например, керамические электроизоляционные материалы наиболее часто используются в качестве линейных и проходных изоляторов на подстанциях. В качестве изоляции электрических приборов используют бумагу, полимеры, стеклотекстолит. Для машин и аппаратов чаще всего применяют лаки, картон, компаунд.

Для применения в различных условиях эксплуатации изоляции придают некоторые особые свойства путем сочетания разных материалов: нагревостойкость, влагостойкость, радиационная стойкость и морозостойкость. Нагревостойкие изоляторы способны выдерживать температуры до 700 °С, к ним относятся стекла и материалы на их основе, органосилиты и некоторые полимеры. Влагостойким и тропикостойким материалом является фторопласт, который негигроскопичен и гидрофобен.

Изоляция, стойкая к радиации используется в приборах с атомными элементами. К ней относятся неорганические пленки, некоторые виды полимеров, стеклотекстолит и материалы на основе слюды. Морозостойкими считаются изоляции, которые не теряют своих свойств при температуре до -90 °С. Особые требования предъявляются к изоляции, предназначенной для приборов, работающих в космосе или условиях вакуума. Для этих целей применяются вакуумно-плотные материалы, к которым относится специальная керамика.

Жидкие диэлектрики

Жидкие электроизоляционные материалы часто применяются в электрических машинах и аппаратах. В трансформаторе роль изоляции играет масло. К жидким диэлектрикам также относят сжиженные газы, ненасыщенные вазелиновые и парафиновые масла, полиорганосилоксаны, дистиллированная вода (очищенная от солей и примесей).

Основными характеристиками жидких диэлектриков являются диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность и электропроводность. Также электрические параметры диэлектриков во многом зависят от степени их очистки. Твердые примеси могут увеличивать электропроводность жидкостей за счет разрастания свободных ионов и электронов. Очистка жидкостей путем дистилляции, ионным обменом и т.д. приводит к возрастанию величины электрической прочности материала, тем самым снижая его электропроводность.

Жидкие диэлектрики разделяют на три группы:

Нефтяные масла;
Растительные масла;
Синтетические жидкости.

Наиболее часто используются нефтяные масла, такие как трансформаторное, кабельное и конденсаторное. Синтетические жидкости (кремнийорганические и фторорганические соединения) также используются в аппаратостроении. Например, кремнийорганические соединения морозоустойчивы и гигроскопичны, поэтому применяются в качестве изолятора в небольших трансформаторах, но их стоимость выше цены нефтяных масел.

Растительные масла практически не используются в качестве изоляционных материалов в электроизоляционной технике. К ним относятся касторовое, льняное, конопляное и тунговое масло. Эти материалы представляют собой слабополярные диэлектрики и используются в основном для пропитки бумажных конденсаторов и в качестве пленкообразующего вещества в электроизоляционных лаках, красках, эмалях.

Газообразные диэлектрики

Наиболее распространенными газообразными диэлектриками являются воздух, азот, водород и элегаз. Электроизоляционные газы делятся на естественные и искусственные. К естественным относится воздух, которые применяется в качестве изоляции между токоведущими частями линий электропередач и электрических машин. В качестве изолятора воздух имеет недостатки, которые делает невозможным его использование в герметичных устройствах. Из-за наличия высокой концентрации кислорода воздух является окислителем, и в неоднородных полях проявляется низкая электрическая прочность воздуха.

В силовых трансформаторах и высоковольтных кабелях в качестве изоляции используют азот. Водород, кроме электроизоляционного материала, также представляет собой принудительное охлаждение, поэтому часто используется в электрических машинах. В герметизированных установках чаще всего применяют элегаз. Заполнение элегазом делает устройство взрывобезопасным. Применяется в высоковольтных выключателях благодаря своим дугогасящим свойствам.

Органические диэлектрики

Органические диэлектрические материалы делятся на естественные и синтетические. Естественные органические диэлектрики в настоящее время используются крайне редко, так все больше расширяется производство синтетических, тем самым снижая их стоимость.

К естественным органическим диэлектрикам относят целлюлозу, каучук, парафин и растительные масла (касторовое масло). Большую часть синтетических органических диэлектриков представляют различные пластмассы и эластомеры, часто используемые в электрических бытовых приборах и другой технике.

Неорганические диэлектрики

Неорганические диэлектрические материалы делят на природные и искусственные. Наиболее распространенным из природных материалов является слюда, которая обладает химической и термической стойкостью. Также для электроизоляции используют флогопит и мусковит.

К искусственным неорганическим диэлектрикам относят стекло и материалы на его основе, а также фарфор и керамику. В зависимости от области применения искусственному диэлектрику можно придать особые свойства. Например, для проходных изоляторов используют полевошпатовую керамику, которая имеет высокий тангенс диэлектрических потерь.

Волокнистые электроизоляционные материалы

Волокнистые материалы часто применяются для изоляции в электрических аппаратах и машинах. К ним относят материалы растительного происхождения (каучук, целлюлозу, ткани), синтетический текстиль (нейлон, капрон), а также материалы из полистирола, полиамида и т. д.

Органические волокнистые материалы обладают высокой гигроскопичностью, поэтому редко используются без специальной пропитки.

В последнее время взамен органических материалов применяют синтетические волокнистые изоляции, которые обладают более высоким уровнем нагревостойкости. К ним относится стеклянное волокно и асбест. Стеклянное волокно пропитывают различными лаками и смолами для повышения его гидрофобных свойств. Асбестовое волокно обладает малой механичной прочностью, поэтому нередко в него добавляют хлопчатобумажное волокно. {2}}}},

а также в уравнение связи вектора электрической индукции с напряжённостью электрического поля:

D=εaE{\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{a}\mathbf {E} }

в рассматриваемой среде^[1]. Вводятся абсолютная (а) и относительная (r, от англ. relative — относительный) проницаемости:

εa=ε0εr{\displaystyle \varepsilon _{a}=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}},

где ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}} — электрическая постоянная^[2]. Cам термин «диэлектрическая проницаемость» применяется и для εr{\displaystyle \varepsilon _{r}}, и для εa{\displaystyle \varepsilon _{a}}; ради краткости, одну из этих величин (в российской литературе чаще εr{\displaystyle \varepsilon _{r}}, в англоязычной εa{\displaystyle \varepsilon _{a}}) переобозначают как ε{\displaystyle \varepsilon } (из контекста всегда ясно, о чём идёт речь). Величина εr{\displaystyle \varepsilon _{r}} безразмерна, а εa{\displaystyle \varepsilon _{a}} по размерности совпадает с ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}} (в Международной системе единиц (СИ): фарад на метр, Ф/м).

Проницаемость εr{\displaystyle \varepsilon _{r}} показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в конкретной среде меньше, чем в вакууме, для которого εr=1{\displaystyle \varepsilon _{r}=1}. Отличие проницаемости от единицы обусловлено эффектом поляризации диэлектрика под действием внешнего электрического поля, в результате которой создаётся внутреннее противоположно направленное поле. В области низких частот ω{\displaystyle \omega } значение проницаемости реальных сред εr>1{\displaystyle \varepsilon _{r}>1}, обычно оно лежит в диапазоне 1—100, но для сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч. Как функция частоты электрического поля величина εr(ω){\displaystyle \varepsilon _{r}(\omega )} слегка возрастает на участках вне линий поглощения данного материала, однако вблизи линий резко спадает, из-за чего высокочастотная диэлектрическая проницаемость ниже статической. Имеет место связь проницаемости и показателя преломления вещества: для немагнитной непоглощающей среды n2(ω)=εr(ω){\displaystyle n^{2}(\omega )=\varepsilon _{r}(\omega )}.

{-2}}

Ниже все формулы приводятся для СИ, а символ ε{\displaystyle \varepsilon } используется как замена εr{\displaystyle \varepsilon _{r}} (εa=ε0ε{\displaystyle \varepsilon _{a}=\varepsilon _{0}\varepsilon }).

Эффект поляризации диэлектрика и проницаемость

Под воздействием электрического поля в диэлектрике имеет место поляризация — явление, связанное с ограниченным смещением зарядов или поворотом электрических диполей. Данное явление характеризует вектор электрической поляризации P{\displaystyle \mathbf {P} }, равный дипольному моменту единицы объёма диэлектрика. В отсутствие внешнего поля диполи ориентированы хаотично (см. верхний рис.), за исключением особых случаев спонтанной поляризации в сегнетоэлектриках. При наличии поля диполи в большей или меньшей степени поворачиваются (нижний рис.), в зависимости от восприимчивости χ(ω){\displaystyle \chi (\omega )} конкретного материала, а восприимчивость, в свою очередь, определяет проницаемость ε(ω){\displaystyle \varepsilon (\omega )}. Помимо дипольно-ориентационного, имеются и другие механизмы поляризации. Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объёме, однако она сопровождается появлением связанных электрических зарядов на поверхности диэлектрика и в местах неоднородностей. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле, как правило, направленное против внешнего наложенного поля. В итоге тот факт, что εa≠ε0{\displaystyle \varepsilon _{a}\neq \varepsilon _{0}}, является следствием электрической поляризации материалов.

Роль диэлектрической проницаемости среды в физике

Относительная диэлектрическая проницаемость ε{\displaystyle \varepsilon } среды, наряду с её относительной магнитной проницаемостью μ{\displaystyle \mu } и удельной электропроводностью σ{\displaystyle \sigma }, влияет на распределение напряжённости электромагнитного поля в пространстве и используется при описании среды в системе уравнений Максвелла. Среду со значениями μ=1{\displaystyle \mu =1} и σ=0{\displaystyle \sigma =0} называют идеальным диэлектриком (диэлектриком без поглощения, диэлектриком без потерь), для неё ε{\displaystyle \varepsilon } определяет такие вторичные параметры, как коэффициент преломления среды, скорость распространения, фазовую скорость и коэффициент укорочения длины электромагнитной волны в среде, волновое сопротивление среды. Относительная диэлектрическая проницаемость реальных диэлектриков (диэлектриков с потерями, диэлектриков с поглощением, для которых σ>0{\displaystyle \sigma >0}) также влияет на значение тангенса угла диэлектрических потерь и погонное затухание электромагнитной волны в среде. Относительная диэлектрическая проницаемость среды влияет на электрическую ёмкость расположенных в ней проводников: увеличение ε{\displaystyle \varepsilon } приводит к увеличению ёмкости. При изменении ε{\displaystyle \varepsilon } в пространстве (то есть если ε{\displaystyle \varepsilon } зависит от координат) говорят о неоднородной среде, зависимость ε{\displaystyle \varepsilon } от частоты электромагнитных колебаний — одна из возможных причин дисперсии электромагнитных волн, зависимость ε{\displaystyle \varepsilon } от напряженности электрического поля — одна из возможных причин нелинейности среды. Если среда является анизотропной, то в материальном уравнении ε{\displaystyle \varepsilon } будет не скаляром, а тензором. При использовании метода комплексных амплитуд в решении системы уравнений Максвелла и наличии потерь в среде (σ>0{\displaystyle \sigma >0}) оперируют комплексной диэлектрической проницаемостью.

Таким образом, ε{\displaystyle \varepsilon } является одним из важнейших «электромагнитных параметров» соответствующей среды.

Диэлектрическая проницаемость непоглощающей среды

Проницаемость и связанные с ней величины

Применительно к диэлектрической среде без потерь действует цепочка соотношений:

D=ε0E+P=ε0(1+χ)E=ε0εE{\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} =\varepsilon _{0}(1+\chi )\mathbf {E} =\varepsilon _{0}\varepsilon \mathbf {E} }.

В большинстве случаев χ{\displaystyle \chi } и, соответственно, ε{\displaystyle \varepsilon } — это просто безразмерные константы конкретного материала. В вакууме χ{\displaystyle \chi } равно нулю.

Особая ситуация возникает для нелинейных сред, когда ε{\displaystyle \varepsilon } зависит от величины поля E{\displaystyle E}; такое возможно в сравнительно сильных полях.{-1}\rho (\mathbf {r} )},

где ρ(r){\displaystyle \rho (\mathbf {r} )} обозначает плотность свободных зарядов. На незаряженной границе двух диэлектрических сред отношение нормальных компонент напряжённости поля En{\displaystyle E_{n}} с обеих сторон равно обратному отношению значений проницаемости сред.

В ситуации однородного диэлектрика его наличие приводит к снижению электрического поля E(r){\displaystyle \mathbf {E} (\mathbf {r} )} в ε{\displaystyle \varepsilon } раз, по сравнению со случаем вакуума при том же распределении свободных зарядов. Помимо закона Кулона, практически важным примером является конденсатор любой геометрии, заряд (не разность потенциалов!) обкладок которого фиксирован.

Проницаемость в оптическом диапазоне частот

Диэлектрическая проницаемость, совместно с магнитной, определяют фазовую скорость распространения электромагнитной волны в рассматриваемой среде, а именно:

ε0ε(ω)μ0μ(ω)=vph−2{\displaystyle \varepsilon _{0}\varepsilon (\omega )\mu _{0}\mu (\omega )=v_{ph}^{-2}}.

Показатель преломления диэлектрика без потерь можно выразить как квадратный корень из произведения его магнитной и диэлектрической проницаемостей:

n(ω)=μ(ω)⋅ε(ω){\displaystyle n(\omega )={\sqrt {\mu (\omega )\cdot \varepsilon (\omega )}}}

Для немагнитных сред μ=1{\displaystyle \mu =1}. Значения ε{\displaystyle \varepsilon } для актуального в данном контексте оптического диапазона могут очень сильно отличаться от статических значений: как правило, ε{\displaystyle \varepsilon } намного ниже, чем для статического поля. Однако, если рассматривать оптический диапазон частот сам по себе, то в нём с ростом ω{\displaystyle \omega } величина ε{\displaystyle \varepsilon } (а значит, и n{\displaystyle n}) чаще всего возрастает. Такое поведение показателя преломления («синий свет преломляется сильнее красного») является случаем так называемой нормальной дисперсии. С противоположной ситуацией аномальной дисперсии можно столкнуться вблизи полос поглощения, но такой случай не может рассматриваться как случай без потерь.

Тензор проницаемости анизотропных сред

Диэлектрическая проницаемость связывает электрическую индукцию D{\displaystyle \mathbf {D} } и напряжённость электрического поля E{\displaystyle \mathbf {E} }. В электрически анизотропных средах компонента вектора напряжённости Ei{\displaystyle E_{i}} может не только влиять на ту же самую компоненту вектора электрической индукции Di{\displaystyle D_{i}}, но и порождать другие его компоненты Dj(j≠i){\displaystyle D_{j}(j\neq i)}. В общем случае проницаемость является тензором, определяемым из следующего соотношения (в записи использовано соглашение Эйнштейна):

Di=ε0εijEj{\displaystyle D_{i}=\varepsilon _{0}\varepsilon _{ij}E_{j}}

или, иначе,

D=εaE{\displaystyle \mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}_{a}\mathbf {E} }

где жирный шрифт использован для векторных и тензорных величин, а

E=E1e1+E2e2+E3e3{\displaystyle \mathbf {E} =E_{1}\mathbf {e} _{1}+E_{2}\mathbf {e} _{2}+E_{3}\mathbf {e} _{3}} — вектор напряжённости электрического поля,

D=D1e1+D2e2+D3e3{\displaystyle \mathbf {D} =D_{1}\mathbf {e} _{1}+D_{2}\mathbf {e} _{2}+D_{3}\mathbf {e} _{3}} — вектор электрической индукции,

εa=ε0εij{\displaystyle {\boldsymbol {\varepsilon }}_{a}=\varepsilon _{0}\varepsilon _{ij}} — тензор абсолютной диэлектрической проницаемости.

В изотропном случае любая компонента вектора напряженности Ei{\displaystyle E_{i}} влияет только на Di{\displaystyle D_{i}}, при этом εij= δijε{\displaystyle \varepsilon _{ij}=~\delta _{ij}\varepsilon }, где δij{\displaystyle \delta _{ij}} — символ Кронекера, поэтому уравнения Максвелла могут быть записаны с использованием скалярной диэлектрической проницаемости (ε{\displaystyle \varepsilon } — просто коэффициент в уравнении).

Статическая проницаемость некоторых диэлектриков

Значение ε{\displaystyle \varepsilon } вакуума равно единице, для реальных сред в статическом поле ε>1{\displaystyle \varepsilon >1}. Для воздуха и большинства других газов в нормальных условиях значение ε{\displaystyle \varepsilon } близко к единице в силу их низкой плотности. В статическом электрическом поле для большинства твёрдых или жидких диэлектриков значение ε{\displaystyle \varepsilon } лежит в интервале от 2 до 8, для жидкой воды значение ε{\displaystyle \varepsilon } достаточно высокое, 88 при 0∘{\displaystyle 0^{\circ }}.{\circ }}. Это объясняется тем, что переход атома Н от одного О-атома к другому вызывает перестройку ковалентных и водородных связей у обоих этих О-атомов и в их в окрестности. В результате вся сеть ковалентных и водородных связей во льду сильно флуктуирует, и это приводит к аномально высокой поляризуемости льда, превосходя диэлектрическую проницаемость жидкой воды^[3]. Значение ε{\displaystyle \varepsilon } велико для веществ с молекулами, обладающими большим электрическим дипольным моментом. Значение ε{\displaystyle \varepsilon } сегнетоэлектриков составляет десятки и сотни тысяч.

Статическая диэлектрическая проницаемость материалов (таблица)
Вещество	Химическая формула	Условия измерения	Характерное значение ε_r
Вакуум	—	—	1
Воздух	—	Нормальные условия, 0,9 МГц	1,00058986 ± 0,00000050
Углекислый газ	CO2{\displaystyle {\ce {CO2}}}	Нормальные условия	1,0009
Тефлон (политетрафторэтилен, фторопласт)	[−CF2−CF2−]n{\displaystyle {\ce {[{-CF2-CF2-}]_n}}}	—	2,1
Нейлон	—	—	3,2
Полиэтилен	[−Ch3−Ch3−]n{\displaystyle {\ce {[{-Ch3-Ch3-}]_n}}}	—	2,25
Полистирол	[−Ch3−(C6H5)H−]n{\displaystyle {\ce {[{-Ch3-{(C6H5)}H-}]_{n}}}}	—	2,4-2,7
Каучук	—	—	2,4
Битум	—	—	2,5-3,0
Сероуглерод	CS2{\displaystyle {{\ce {CS2}}}}	—	2,6
Парафин	C18h48−C35H72{\displaystyle {{\ce {C18h48-C35H72}}}}	—	2,0-3,0
Бумага	—	—	2,0-3,5
Электроактивные полимеры	−	−	2-12
Эбонит	(C6H9S)2{\displaystyle {\ce {(C6H9S)_2}}}	−	2,5-3,0
Плексиглас (оргстекло)	—	—	3,5
Кварц	SiO2{\displaystyle {\ce {SiO2}}}	—	3,5-4,5
Диоксид кремния	SiO2{\displaystyle {\ce {SiO2}}}	−	3,9
Бакелит	—	—	4,5
Бетон	−	−	4,5
Фарфор	−	−	4,5-4,7
Стекло	−	−	4,7 (3,7-10)
Стеклотекстолит FR-4	—	—	4,5-5,2
Гетинакс	—	—	5-6
Слюда	—	—	7,5
Резина	−	−	7
Поликор	98 % Al2O3{\displaystyle {\ce {Al2O3}}}	—	9,7
Алмаз	−	−	5,5-10
Поваренная соль	NaCl{\displaystyle {\ce {NaCl}}}	−	3-15
Графит	C{\displaystyle {\ce {C}}}	−	10-15
Керамика	−	−	10-20
Кремний	Si{\displaystyle {{\ce {Si}}}}	−	11.68
Бор	B{\displaystyle {\ce {B}}}	−	2.01
Аммиак	Nh4{\displaystyle {\ce {Nh4}}}	20 °C	17
		0 °C	20
		−40 °C	22
		−80 °C	26
Спирт этиловый	C2H5OH{\displaystyle {\ce {C2H5OH}}} или Ch4−Ch3−OH{\displaystyle {{\ce {Ch4-Ch3-OH}}}}	−	27
Метанол	Ch4OH{\displaystyle {{\ce {Ch4OH}}}}	−	30
Этиленгликоль	HO−Ch3−Ch3−OH{\displaystyle {{\ce {HO-Ch3-Ch3-OH}}}}	−	37
Фурфурол	C5h5O2{\displaystyle {{\ce {C5h5O2}}}}	−	42
Глицерин	HOCh3(OH)−Ch3OH{\displaystyle {{\ce {HOCh3(OH)-Ch3OH}}}} или C3H5(OH)3{\displaystyle {\ce {C3H5(OH)_3}}}	0 °C	41,2
		20 °C	47
		25 °C	42,5
Вода	h3

Диэлектрические свойства

Из всех диэлектрических характеристик диэлектрическая проницаемость воды демонстрирует необычные для жидкости особенности. Во-первых, она очень велика — для статических электрических полей она равна 81, в то время как для большинства других веществ она не превышает значения 10. Если на любое вещество воздействовать переменным электрическим полем, то диэлектрическая проницаемость перестанет быть постоянной величиной, а зависит от частоты приложенного поля, уменьшаясь для высокочастотных полей. Но диэлектрическая проницаемость воды уменьшается не только в переменных во времени полях, но также и в пространственно переменных полях, т.е. вода является нелокально поляризующейся средой.

Большое значение диэлектрической проницаемости объясняется особенностями молекулы H₂O. Большая величина статической диэлектрической проницаемости воды =81 связана с тем, что вода — сильно полярная жидкость и поэтому её молекулы обладают степенью свободы и вращением. Каждая молекула воды обладает значительным дипольным моментом. В отсутствие электрического поля диполи ориентированы случайным образом, и суммарное электрическое поле, создаваемое ими, равно нулю. Если воду поместить в электрическое поле, то диполи начнут переориентироваться так, чтобы ослабить приложенное поле. Такая картина наблюдается и в любой другой полярной жидкости, но вода благодаря большому значению дипольного момента молекул H₂O способна очень сильно (в 80 раз) ослабить внешнее поле. Так реагирует вода на внешнее электрическое поле, если приложенное поле постоянно по времени и слабо меняется в пространстве, заполняемом водой. В переменных электрических полях диэлектрическая проницаемость воды уменьшается с ростом частоты приложенного поля, достигая значения 4-5 для частот больше 10¹²Гц. Реакция воды на внешнее электрическое поле с помощью комплексной диэлектрической проницаемости:

Диэлектрические свойства воды и льда

Численная модель диэлектрических свойств льда позволяет осуществить расчет показателя преломления и показателя поглощения электромагнитных волн в диапазоне частот от 0 до 6.7·10¹⁵Гц.
Показатель преломления электромагнитных волн определяется выражением:

а показатель поглощения электромагнитных волн определяется выражением:

где
— показатель преломления электромагнитных волн;
— показатель поглощения электромагнитных волн;
— действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости;
— мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости.

В диапазоне частот от 0 до 3.49·10⁷Гц значения относительной диэлектрической проницаемости рассчитываются с помощью теории Дебая, в диапазоне от 3.49·10⁷до 6.66·10¹⁵Гц — по табличным данным, полученным в результате натурных экспериментов. Значение в соответствии с теорией Дебая рассчитывается по формуле:

где
— действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости;
— относительная диэлектрическая проницаемость на высоких частотах, для льда равная 3.1;
— относительная диэлектрическая проницаемость на низких частотах;
— частота электромагнитного поля, Гц;
— ремя релаксации диэлектрической проницаемости, с.

Значение в соответствии с теорией Дебая рассчитывается по формуле:

Зависимость относительной диэлектрической проницаемости льда в статическом пределе от температуры может быть рассчитана по формуле, полученной нами в результате аппроксимации табличных данных работы [22]:

где
— относительная диэлектрическая проницаемость льда при постоянном электрическом поле.
В диапазоне температур от 233 до 273 К (от -40 до 0 °С) относительная ошибка расчета по формуле не превышает 1.5 %.

Время релаксации диэлектрической проницаемости льда может быть рассчитано по формуле, которая аппроксимирует табличные данные работы [22]:

В диапазоне температур от 233 до 273 К (от -40 до 0 °С) относительная ошибка расчета по формуле не превышает 1.5 %.

В диапазоне частот электромагнитного излучения от 3.49·10⁷до 6.66·10¹⁵Гц модель возвращает значение, полученное путем интерполяции табличных данных [23] о показателях преломления и поглощения льда. Табличные данные соответствуют диапазону температуры от 213.16 до 272.16 K (от -60 до -1 °C).

Для целей обеспечения гладкости функций действительной и мнимой частей относительной диэлектрической проницаемости льда на частоте 3.49·10⁷Гц (для льда), где стыкуется модель Дебая и табличные данные, используются следующие уточняющие формулы для относительной диэлектрической проницаемости в статическом пределе.

Для действительной части комплексной относительной диэлектрической проницаемости:

и для мнимой части комплексной относительной диэлектрической проницаемости:

где
— относительная диэлектрическая проницаемость на высоких частотах;
— действительная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости на частоте f;
— мнимая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости на частоте f;
— относительная диэлектрическая проницаемость на низких частотах;
— частота электромагнитного поля, Гц;
— время релаксации диэлектрической проницаемости, с.

Результаты численного расчета значений относительной диэлектрической проницаемости льда в зависимости от частоты электромагнитного излучения при двух значениях температуры представлены в таблице. На рисунках 1 — 4 представлены результаты расчета зависимости от частоты электромагнитных волн показателя преломления, показателя поглощения, действительной части комплексной диэлектрической проницаемости, мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости воды и льда.

Таблица — Зависимость комплексной относительной диэлектрической проницаемости льда от частоты электромагнитных волн при двух значениях температуры

Зависимость показателя преломления воды и льда от частоты электромагнитных волн

Зависимость показателя поглощения воды и льда от частоты электромагнитных волн

Зависимость действительной части относительной диэлектрической проницаемости воды и льда от частоты электромагнитных волн

Диэлектрические характеристики. Силикатные стекла при температурах ниже Тg являются диэлектриками. В электрическом поле в диэлектриках происходит поляризация, т.е. локальное пространственное перераспределение зарядов.
Диэлектрические свойства стекла имеют важное значение для ряда отраслей промышленности, особенно для электротехники, микроэлектроники и характеризуются диэлектрической проницаемостью, диэлектрическими потерями, электрической прочностью.

Диэлектрическая проницаемость количественно характеризует поляризацию диэлектрика и определяется отношением емкостей вакуумного конденсатора и конденсатора с диэлектриком (безразмерная величина).
Диэлектрическая проницаемость стекол зависит от их состава, изменяясь для силикатных стекол от 3,81 (для кварцевого стекла) до 16,2 (для стекол с содержанием оксидов тяжелых металлов до 80%). Она возрастает с увеличением в составе стекла оксидов щелочных и щелочноземельных металлов. Для обычных промышленных стекол диэлектрическая проницаемость находится в пределах 5-7.

Диэлектрические потери характеризуют долю энергии переменного электрического поля, превратившуюся в тепловую в объеме диэлектрика. Диэлектрические потери стекла характеризуются значением тангенса угла, связанного со сдвигом фаз напряженности электрического поля и электрической индукции.
Химический состав влияет на диэлектрические потери так же, как и на электропроводность. Кварцевое стекло имеет очень малые потери (tg d = 0,0002), а стекла, содержащие оксиды щелочных и щелочноземельных металлов — более высокие (tg d = 0,009). Закаленное стекло имеет диэлектрические потери в два раза больше, чем отожженное стекло.

Кристаллизация стекла приводит обычно к снижению его диэлектрических потерь, особенно когда щелочные ионы входят в состав кристаллической фазы.

Электрическая прочность характеризует способность диэлектрика выдерживать действие высокого напряжения без разрушения и ухудшения диэлектрических характеристик. Электрическая прочность оценивается обычно величиной пробивного напряжения (Uпр), отнесенной к толщине диэлектрика в месте пробоя (размерность — кВ/м). Для обычных промышленных стекол Uпр составляет (1,6-6,4) x 104 кВ/м, кварцевого стекла — 2-4 x 104 кВ/м. Электрическая прочность очень важна для изоляторов высоковольтных линий передачи электроэнергии. Поэтому для изготовления изоляторов применяют алюмосиликатные малощелочные стекла, обладающие высокой электрической прочностью.

Удельное электрическое сопротивление промышленных стекол

Бутылочное зеленое стекло				Свинцовый хрусталь
Оксид	Содержание, %	t, °С	*r, Омм**	Оксид	Содержание, %	t, °С	*r, Омм**
SiO2	70,7	1000	0,152	SiO2	57	900	0,56
Al2O3	4	1120	0,09	PbO	24	1000	0,27
Fе2O3	0,65	1220	0,066	Na2О	1	1100	0,135
СаО	6,5	1300	0,0526	K2О	16	1200	0,095
МgО	3,5	1350 1400	0,0476 0,0433	ZnO	1	1300	0,064
Na2О	14,5	1450	0,039	B2O3	1	1380 1430	0,05 0,044
Cr2O3	0,15

Величина, показывающая, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если воздушную прослойку между пластинами заменить такой же толщины прокладкой из данного материала, называется диэлектрической проницаемостью этого материала. Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная) для некоторых материалов приведена в таблице.

Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов.

Материал	Диэлектрическая проницаемость	Древесина	Диэлектрическая проницаемость
Воздух	1,00	Ель сухая: вдоль волокон	3,06
		в тангенциальном направлении	1,98
Парафин	2,00
		в радиальном направлении	1,91
Фарфор	5,73
Слюда	7,1—7,7	Бук сухой: вдоль волокон	3,18
		в тангенциальном направлении	2,20
Мрамор	8,34
		в радиальном направлении	2,40
Вода	80,1

Данные для древесины показывают заметное различие между диэлектрической проницаемостью вдоль и поперек волокон; в то же время диэлектрическая проницаемость поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлении различается мало. Диэлектрическая проницаемость в поле высокой частоты зависит от частоты тока и влажности древесины. С увеличением частоты тока диэлектрическая проницаемость древесины бука вдоль волокон при влажности от 0 до 12% уменьшается, что особенно заметно для влажности 12% (рис. 45). С увеличением влажности древесины бука диэлектрическая проницаемость вдоль волокон увеличивается, что особенно заметно при меньшей частоте тока.

виды, свойства, характеристики и области применения :: SYL.ru

Изоляционные материалы предназначены для ограничения конструкций и отдельных элементов от контакта с теми или иными средами. По этому принципу работают строительные водо-, паро- и теплоизоляционные материалы. В сферах, где используются электротехнические проводники, требуется изоляция другого рода – в виде диэлектриков. Их задача заключается в исключении контактов между активными эксплуатируемыми проводниками тока и материалами, которые не рассчитываются на обеспечение данной функции. В качестве целевых объектов могут выступать технические средства, прибора, строительные конструкции и даже декоративные покрытия. В свою очередь, электроизоляционные материалы создают барьер для прохождения электрического тока независимо от того, переменный он или постоянный.

Классификации изоляторов

Электроизоляторы различаются по своему происхождению и агрегатному состоянию. Что касается происхождения, то в качестве признаков выделяют принадлежность к органическим и неорганическим материалам, а также к натуральному и синтетическому сырью. К природным материалам можно отнести слюду, которая характеризуется прочностью, гибкостью и способностью к расщеплению. Это неорганический диэлектрик естественного происхождения. И напротив, в группе синтетических органических материалов можно отметить химические высокомолекулярные соединения. В готовом к использованию виде они предлагаются как пластмассы и эластомеры. Основные эксплуатационные различия определяет классификация электроизоляционных материалов по агрегатному состоянию. Выделяются твердые и жидкостные, а также газообразные диэлектрики.

Свойства изоляторов тока

Основная задача диэлектрика заключается в обеспечении изоляционной функции. Поэтому в качестве базовых эксплуатационных свойств можно отметить повышенное удельное сопротивление, небольшой тангенс потерь диэлектрика и высокое пробивное напряжение – уже упомянутый пробой. Сопротивление определяет, насколько материал сможет препятствовать проводимости тока при разных параметрах контактирующей электрической цепи. Потери диэлектрика, в свою очередь, указывают на влияние изолятора на показатели активного проводника – нормативно это значение должно стремиться к нулю, но чаще всего высокая сопротивляемость как раз приводит и к повышению потерь в основной цепи. Немаловажны и пробивные свойства электроизоляционных материалов, которые определяются напряжением. В данном случае можно говорить о непосредственной проницаемости целевого материала. При этом все перечисленные свойства фиксируются лишь в том случае, если была отмечена стабильность их «работы» во времени и при заданной температуре. Иногда в качестве параметра стабильности при испытаниях указывается и частота электрического поля.

Характеристики электроизоляторов

Одной из главных характеристик диэлектриков является поверхностное сопротивление. Это сопротивление, которое возникает в момент прохождения тока по поверхности материала. Следующей по значимости характеристикой можно назвать диэлектрическую проницаемость. Как уже говорилось, проницаемость напрямую связана с пробиваемостью целевого материала. И отдельного внимания заслуживают физико-химические характеристики. В их числе отмечают водопоглощаемость, вязкость и кислотность. Водопоглощаемость указывает на степень пористости материала и присутствие в нем водорастворимых элементов. Чем выше это значение, тем выше эффективность материала как диэлектрика. В свою очередь, вязкость характеризуется текучестью, что важно для определения взаимодействия материала с жидкостными или расплавленными диэлектриками. Кислотным числом обычно характеризуются жидкие диэлектрики. Например, основные особенности электроизоляционных материалов сводятся к способности нейтрализовать свободные кислоты, содержащиеся в 1 г материала. Присутствие свободных кислот понижает электроизоляционные качества электроизоляторов.

Газообразные изоляторы

Практически все газообразные электроизоляционные материалы обеспечивают диэлектрическую проницаемость, в коэффициенте равную 1. К плюсам таких изделий можно отнести небольшую долю диэлектрических потерь, хотя и степень пробоя тоже невелика. Как правило, основной газообразной средой с функцией электрического изолятора выступает воздух, дополненный специальными включениями. Но к сегодняшнему дню получил широкое распространение и элегаз, который применяется в качестве диэлектрической основы. Газообразные виды электроизоляционных материалов базируются на гексафториде серы, что обеспечивает более высокую защиту в показателе пробоя, а в некоторых случаях наблюдается и дугогасительная способность. Когда речь идет о сложных условиях эксплуатации целевого объекта защиты, газовая среда может дополняться органическими изоляторами.

Твердые диэлектрики

Традиционно под изоляторами данного типа понимаются такие материалы, как стекло, кварц, фарфор, пластики и резина. Их происхождение может быть натуральным и синтетическим. В тонких слоях изоляторов могут быть повышенные показатели удельного сопротивления и напряжения пробоя – эти значения зависят от диэлектрической проницаемости и электрической прочности структуры. Увеличение разности потенциалов по отношению к твердому или жидкому диэлектрику будет повышать ток, проходящий целевой объект. В итоге это явление способствует формированию вблизи катода положительного пространственного заряда на фоне отрыва электронов. Электрический пробой можно будет рассматривать как результат искажения заряженного поля в структуре самого изолятора. Твердотельные электроизоляционные материалы подвергаются поляризации, поэтому их диэлектрическая постоянная превышает единицу. Также в момент приложения переменных электрических полей поляризация способствует образованию диэлектрических потерь. В этом контексте стоит выделить материалы, которые даже в высокочастотных полях имеют минимальные диэлектрические потери. К таким можно отнести полиэтилен и кварц.

Жидкие диэлектрики

К жидким изоляторам относятся синтетические жидкости, масла, пасты, лаки и смолы. Особенно распространены минеральные масла, являющиеся продуктом нефтяной переработки и представляющие собой комбинацию жидких углеводородов. Они используются в масляных выключателях, небольших трансформаторах, конденсаторах и кабелях. Популярна и жидкая электроизоляция в виде пропитки. Ее часто применяют при подготовке кабелей и тех же конденсаторов к работе. Материал представляет собой бумажную изоляцию, в которой бумага является носителем, а пропитка – активной защитной средой.

Гильзовая электроизоляция

Это материал из группы механических защитных устройств, который обеспечивает внешнюю физическую защиту. Обычно используются гибкие гильзы, которыми защищаются проводники силовых агрегатов, трансформаторы и кабели. По этому же принципу работает традиционная изоляционная лента, задача которой заключается в создании физической преграды. Гильзы также выступают прослойкой, никак не взаимодействующей с источником тока на электрохимическом уровне. Однако среди недостатков этого материала отмечается быстрый износ.

Конденсаторы

Электрическая изоляция является важным условием полноценной работоспособности конденсаторов. В некоторых случая сам конденсатор выступает как диэлектрик в составе сложной электротехнической цепи. Такие приборы имеют разное применение, в том числе выделяется нейтрализация индукционных эффектов в линиях с переменным током, накопление заряда, а также получение токовых импульсов для всевозможных приложений. Для использования конденсатора в качестве изоляционной точки необходимо иметь представление о требуемой емкости. В приборах она рассчитывается исходя из характеристик системы или посредством вычисления размера заряда на обкладке. В самой конструкции для обеспечения защитной функции могут применяться электроизоляционные материалы в виде лаков и масел. В зависимости от типа конденсатора определяется и набор вторичных функций – например, учитывается горючесть, влагостойкость, износостойкость и т.д.

Вакуум как изолятор

Газовая среда при крайне низком давлении может создавать условия, когда газ просто не сможет образовывать заметный ток в межэлектродном зазоре. Такие условия называют изоляционным вакуумом. При столкновении с электронами или положительными ионами, которые вылетают из электродов, ионизация молекул газа под низким давлением происходит очень редко. Так называемый высокий вакуум при условии постоянного напряжения до 20 кВ на поверхности катода может обойтись без пробоя при напряженности поля порядка 5 МВ/см. Если речь идет об аноде, то напряженность должна быть в разы выше. И все же заметное увеличение напряжения способствует тому, что вакуумные электроизоляционные материалы утрачивают свой защитный потенциал. Пробой в данном случае может наступать в результате обмена заряженными частицами в связке катод-анод. Диэлектрики такого типа чаще используются в электронике. Их применяют и в целях ускорения электронов в обычных приборах, и в рентгеновских аппаратах для обеспечения высоковольтных приложений.

Компаунд как основной диэлектрик в радиотехнике

Довольно практичный в использовании и недорогой способ диэлектрической защиты. Компаунд наносится на рабочую зону, после чего застывает, в полной мере обретая свои основные функциональные качества. При этом нельзя сказать, что компаунды – это обязательно твердые электроизоляционные материалы, так как встречаются и разновидности жидкостного типа. Даже в рабочем состоянии они не отвердевают. Также существуют заливочные и пропиточные виды данного материала. Отличительной чертой всех компаундов является полное отсутствие растворителей в составе. Это дает возможность обеспечивать деликатную пропитку сложных электромеханических деталей и аппаратов.

Современные электроизоляционные материалы

К электроизоляторам нового поколения относится широкая группа полимерных материалов. В основном это пленочные изделия, которые обеспечивают эффект диэлектрика путем создания соответствующей оболочки. Пленка производится в формате рулонов, толщина которых варьируется от 5 до 250 мкм. Помимо основных электроизоляционных свойств, такие пленки характеризуются гибкостью, эластичностью, прочностью и стойкостью на разрыв. Удобна в применении и полимерная изоляционная лента, которая имеет толщину 0,2-0,3 мм. Такие материалы проигрывают многим традиционным диэлектрикам лишь в одном качестве – экологической безопасности. Это не самый безобидный материал в плане токсической угрозы, поэтому его используют по большей части в промышленности, хотя бывают и исключения.

Сферы применения электроизоляторов

Практически все сферы, в которых задействуется электропроводка, в том или ином виде применяют и диэлектрические средства. Базовым примером можно назвать кабели, которые получают несколько слоев изоляции – как электрической, так и механической. Приборостроение можно назвать второй по популярности сферой использования данной изоляции. От воздействия токов ограничивают как отдельные детали аппаратной части, так и технологические узлы в электротехнических машинах. В строительстве также востребованы средства изоляции от тока. Например, в прокладке домашней и уличной проводки тоже задействуются электроизоляционные материалы. Применение диэлектриков позволяет сохранить материалы, которые находятся рядом с токопроводящим контуром. В некоторых случаях подобная изоляция себя оправдывает и как средство понижения потерь в напряжении основной линии.

Заключение

Спектр вариантов электрической изоляции довольно широк, что дает возможность целенаправленно подобрать материал специально под конкретные нужды. Например, в быту распространены твердотельные виды электроизоляционных материалов, а также диэлектрики в форме деталей. В промышленности и строительстве могут применяться газовые и жидкостные среды. Коммунальная же сфера охватывает практически весь диапазон электрической изоляции, поскольку условия защиты могут быть очень разными.

Диэлектрический материал — свойства, примеры и применение

Материалы классифицируются как проводники, изоляторы и полупроводники в зависимости от их электропроводящих свойств. Каждый материал состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов. Под воздействием электрического поля эти атомы в материале претерпевают определенные смещения и изменения свойств. В октябре 1745 года эксперимент, проведенный Эвальдом Георгом фон Клейстом из Германии, подключив высоковольтный электростатический генератор к объему воды, собранной в переносном сосуде, с помощью провода показал, что заряд может быть сохранен.Используя это явление, Питер ван Мушенбрук изобрел первый конденсатор под названием «Лейденская банка». Новое свойство материала, которое поддерживало это изобретение, было «диэлектриком».

Что такое диэлектрик?

Каждый материал состоит из атомов. Атомы содержат как отрицательно, так и положительно заряженные частицы. Центральное ядро атома заряжено положительно. В любом материале атомы расположены в виде диполей с положительным и отрицательным зарядом на конце. Когда эти материалы подвергаются действию электрического поля, возникает дипольный момент.

Материал проводника начинает проводить при подаче электричества. Изолятор противодействует потоку электричества, поскольку в его структуре нет свободно движущихся электронов. Но диэлектрик — это особый тип изолятора, который не проводит электричество, но поляризуется под действием электричества.

Поляризация в диэлектрике

В диэлектрических материалах под действием электрического поля положительные заряды, присутствующие в материале, смещаются в направлении приложенного электрического поля.Отрицательные заряды смещены в направлении, противоположном приложенному электрическому полю. Это приводит к диэлектрической поляризации. В диэлектрическом материале электрические заряды не проходят через материал. Поляризация уменьшает общее поле диэлектрика.

Свойства диэлектрика

Термин «диэлектрик» впервые ввел Уильям Уэвелл. Это сочетание двух слов — «диа» и «электрический». Электропроводность идеального диэлектрика равна нулю. Диэлектрик накапливает и рассеивает электрическую энергию подобно идеальному конденсатору.Некоторые из основных свойств диэлектрического материала: электрическая восприимчивость, диэлектрическая поляризация, диэлектрическая дисперсия, диэлектрическая релаксация, настраиваемость и т. Д.

Электрическая восприимчивость

Насколько легко диэлектрический материал может поляризоваться под действием электрического поля, измеряется с помощью электрическая восприимчивость. Эта величина также определяет электрическую проницаемость материала.

Диэлектрическая поляризация

Электрический дипольный момент — это мера разделения отрицательного и положительного заряда в системе.Связь между дипольным моментом (M) и электрическим полем (E) определяет свойства диэлектрика. Когда приложенное электрическое поле снимается, атом возвращается в исходное состояние. Это происходит с экспоненциальным затуханием. Время, необходимое атому для достижения исходного состояния, известно как время релаксации.

Общая поляризация

Поляризация диэлектрика определяется двумя факторами. Это образование дипольного момента и их ориентация относительно электрического поля.По типу элементарного диполя может быть либо электронная поляризация, либо ионная поляризация. Электронная поляризация P _e возникает, когда молекулы диэлектрика, формирующие дипольный момент, состоят из нейтральных частиц.

Ионная поляризация P _и, и электронная поляризация не зависят от температуры. Постоянные дипольные моменты возникают в молекулах при асимметричном распределении заряда между разными атомами. В таких случаях наблюдается ориентационная поляризация P _o.Если в диэлектрическом материале присутствует свободный заряд, это приведет к поляризации пространственного заряда P _s. Полная поляризация диэлектрика включает все эти механизмы. Таким образом, общая поляризация диэлектрического материала составляет

P _Всего = P _i + P _e + P _o + P _s

Диэлектрическая дисперсия

Когда P — максимальная достигаемая поляризация диэлектриком, t _r — время релаксации для определенного процесса поляризации, процесс диэлектрической поляризации можно выразить как

P (t) = P [1-exp (-t / t _r)]

Время релаксации различно для разных поляризационных процессов.Электронная поляризация происходит очень быстро, за ней следует ионная поляризация. Ориентационная поляризация происходит медленнее, чем ионная. Поляризация пространственного заряда происходит очень медленно.

Пробой диэлектрика

При приложении более сильных электрических полей изолятор начинает проводить и ведет себя как проводник. В таких условиях диэлектрические материалы теряют свои диэлектрические свойства. Это явление известно как пробой диэлектрика. Это необратимый процесс. Это приводит к выходу из строя диэлектрических материалов.

Типы диэлектрических материалов

Диэлектрики классифицируются в зависимости от типа молекулы, присутствующей в материале. Есть два типа диэлектриков — полярные диэлектрики и неполярные диэлектрики.

Полярные диэлектрики

В полярных диэлектриках центр масс положительных частиц не совпадает с центром масс отрицательных частиц. Здесь дипольный момент существует. Молекулы асимметричны по форме. При приложении электрического поля молекулы выравниваются с электрическим полем.Когда электрическое поле удаляется, наблюдается случайный дипольный момент, и суммарный дипольный момент в молекулах становится равным нулю. Примеры: h3O, CO2 и т. Д.…

Неполярные диэлектрики

В неполярных диэлектриках центр масс положительных и отрицательных частиц совпадает. В этих молекулах нет дипольного момента. Эти молекулы симметричны по форме. Примерами неполярных диэлектриков являются h3, N2, O2 и т. Д.

Примеры диэлектрических материалов

Диэлектрическими материалами могут быть твердые тела, жидкости, газы и вакуум.Твердые диэлектрики широко используются в электротехнике. Некоторыми примерами продаваемых диэлектриков являются фарфор, керамика, стекло, бумага и т. Д. Сухой воздух, азот, гексафторид серы и оксиды различных металлов являются примерами газообразных диэлектриков. Дистиллированная вода, трансформаторное масло — распространенные примеры жидких диэлектриков.

Применения диэлектрического материала

Некоторые из применений диэлектриков следующие:

Они используются для хранения энергии в конденсаторах.
Для улучшения характеристик полупроводникового прибора используются диэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью.
В жидкокристаллических дисплеях используются диэлектрики.
В генераторе диэлектрического резонатора используется керамический диэлектрик.
Тонкие пленки титаната бария-стронция являются диэлектриками, которые используются в перестраиваемых микроволновых устройствах, обеспечивающих высокую настраиваемость и низкий ток утечки.
Парилен, используемый в промышленных покрытиях, действует как барьер между подложкой и внешней средой.
В электрических трансформаторах минеральные масла используются в качестве жидкого диэлектрика и помогают в процессе охлаждения.
Касторовое масло используется в высоковольтных конденсаторах для увеличения значения емкости.
Электреты, специально обработанный диэлектрический материал, действует как электростатический эквивалент магнитов.

Часто задаваемые вопросы

1). Какая польза от диэлектрика в конденсаторах?

Диэлектрики, используемые в конденсаторе, помогают уменьшить электрическое поле, которое, в свою очередь, снижает напряжение, тем самым увеличивая емкость.

2). Какой диэлектрический материал широко используется в конденсаторах?

В конденсаторах широко используются такие диэлектрические материалы, как стекло, керамика, воздух, слюда, бумага, пластиковая пленка.

3). Какой материал имеет самую высокую диэлектрическую прочность?

Отмечено, что идеальный вакуум имеет самую высокую диэлектрическую прочность.

4). Все ли изоляторы диэлектрики?

Нет, хотя диэлектрики ведут себя как изоляторы, не все изоляторы являются диэлектриками.

Таким образом, диэлектрики составляют важную часть конденсаторов. Хороший диэлектрический материал должен иметь хорошую диэлектрическую постоянную, диэлектрическую прочность, низкий коэффициент потерь, высокотемпературную стабильность, высокую стабильность при хранении, хорошую частотную характеристику и должен быть адаптирован для промышленных процессов. Диэлектрики также играют жизненно важную роль в высокочастотных электронных схемах. Измерение диэлектрических свойств материала дает информацию о его электрических или магнитных характеристиках. Что такое диэлектрическая проницаемость?

диэлектрические свойства

Ресурс исследования
Исследовать
- Искусство и гуманитарные науки
- Бизнес
- Инженерная технология
- Иностранный язык
- История
- Математика
- Наука
- Социальная наука
Лучшие подкатегории
- Продвинутая математика
- Алгебра
- Основы математики
- Исчисление
- Геометрия
- Линейная алгебра
- Предалгебра
- Предварительный расчет
- Статистика и вероятность
- Тригонометрия
- Другое →
Лучшие подкатегории
- Астрономия
- Астрофизика
- Биология
- Химия
- Науки о Земле
- Наука об окружающей среде
- Здравоохранение
- Физика
- Другое →
Лучшие подкатегории
- Антропология
- Закон
- Политология
- Психология
- Социология
- Другое →
Лучшие подкатегории
- Бухгалтерский учет
- Экономика
- Финансы
- Менеджмент
- Другое →
Лучшие подкатегории
- Аэрокосмическая техника
- Биоинженерия
- Химическая промышленность
- Гражданское строительство
- Компьютерные науки
- Электротехника
- Промышленное проектирование
- Машиностроение
- Веб-дизайн
- Другое →
Лучшие подкатегории
- Архитектура
- Связь
- Английский
- Гендерные исследования
- Музыка
- Исполнительское искусство
- Философия
- Религиоведение
- Письмо
- Другое →
Лучшие подкатегории
PPT — Диэлектрические свойства PowerPoint Презентация, бесплатная загрузка
Диэлектрические свойства
Электромагнитный нагрев • Микроволновый и радиочастотный (RF) нагрев используются во многих процессах в промышленности и дома • Повторный нагрев • Предварительная обработка • Темперирование • Выпечка • Сушка • Пастеризация • Стерилизация • Процессы электромагнитного нагрева, связанные с диэлектрическими свойствами материала
СВЧ-нагрев • СВЧ-нагрев обычен во многих пищевых процессах • Определение диэлектрических свойств становится важным для понимания профиля нагрева продукты в микроволновой печи и для разработки оборудования и продуктов, пригодных для использования в микроволновой печи
Микроволновая частота • Типичная частота в домашней микроволновой печи составляет 2450 МГц или 915 МГц для промышленного использования.• Помехи радарам или другим устройствам связи
Поглощение микроволновой энергии в пище включает в основном 2 механизмов: 1. ионное взаимодействие 2. диполярное вращение
Ионное взаимодействие (ионная проводимость) Тепловое перемешивание молекул
Диполярное вращение
Диэлектрические свойства пищевых продуктов • Диэлектрическая постоянная, ε ‘• Способность материала хранить микроволны энергия • Коэффициент диэлектрических потерь, ε » • Способность материала рассеивать микроволновую энергию в тепло • Параметр, измеряющий поглощающую способность микроволн • Диэлектрическая постоянная и коэффициент потерь — важная роль в определении взаимодействия микроволн с пищей
Диэлектрическая постоянная Диэлектрические свойства воды и продуктов с высоким содержанием влаги, таких как фрукты, овощи и мясо, высоки из-за диполярного вращения. Коэффициент диэлектрических потерь
Диэлектрические свойства продуктов питания • Способность продукта к микроволновому или радиочастотному нагреву • Оценка качество пищевых продуктов Диэлектрические свойства пищевых продуктов зависят на: • Влагосодержание • Температура • Состав материала • Также зависит от частоты печи
Свободная и связанная вода • Взаимодействие компонентов пищи с водой влияет на диэлектрические свойства • Силы связи между белком и углеводами и водой сильны , меньшее значение ε ‘и ε’ ‘• Регулируйте содержание влаги при приготовлении пищевых продуктов, пригодных для использования в микроволновой печи
Пищевые компоненты • Углеводы • Жир • Белок • Влага • Содержание соли
Микроволны • Микроволны очень короткие волны электромагнитной энергии, которая движется со скоростью света (186 282 мили в секунду).• Микроволны, используемые в микроволновых печах, относятся к тому же семейству частот, что и сигналы, используемые в радио- и телевещании. • Электромагнитные волны сами по себе являются запасенной энергией в движении.
Микроволны проникают и поглощаются некоторыми веществами. • Микроволны проникают и поглощаются некоторыми веществами, в первую очередь пищевыми продуктами. По мере того, как энергия проникает в пищу, ее сила постепенно поглощается или теряется в каждом последующем слое молекул.• Скорость потери энергии и глубина проникновения зависят от глубины, плотности, химических свойств и температуры пищи. • Однако в среднем мощность снижается вдвое примерно через каждые три четверти дюйма проникновения. Следовательно, поскольку интенсивность электромагнитного поля в центре пищевого продукта меньше, чем на поверхности, молекулы, расположенные ближе к центру пищевого продукта, не ощущают полного воздействия энергии.
Микроволны обладают 3 основными характеристиками: • Так же, как солнечный свет просвечивает через окно, микроволны проходят сквозь некоторые материалы.Такие материалы, как стекло, бумага и пластик, прозрачны и обычно не подвержены воздействию микроволн. • Микроволны отражаются от металлических поверхностей так же, как мяч отскакивает от стены. Металлические стенки рабочей камеры в микроволновых печах фактически образуют объемный резонатор.
Микроволны обладают 3 основными характеристиками: • Чтобы проиллюстрировать эту третью характеристику, обратите внимание на приготовленную индейку ниже. Волны микроволновой энергии циклически перемещаются выше и ниже горизонтальной базовой линии.Половина цикла ниже базовой линии обладает отрицательными свойствами, а полупериод над линией, соответственно, положительной. По сути, эффект этой волны, когда он чередуется между положительным и отрицательным, был бы подобен вращению магнита взад и вперед.
Все жидкости и пищевые продукты, такие как индейка, состоят из молекул. В этих молекулах есть положительные и отрицательные частицы, поэтому они имеют тенденцию вести себя как микроскопические магниты. Когда положительный полупериод микроволн проникает в пищу, отрицательные частицы молекул притягиваются и пытаются выровняться с этим положительным полем энергии.Затем, когда микроволновая энергия сменяется отрицательным полупериодом, происходит обратное: отрицательные частицы отталкиваются, а положительные частицы притягиваются, вызывая перевернутое движение (на самом деле эта реакция — это движение частиц внутри каждой молекулы, поэтому , технически они меняют полярность). • Это можно сравнить с комнатой, полной людей, которые пытаются бегать взад и вперед, с одной стороны на другую. Очевидно, будет много ударов, трения, волнения и трения.
Приготовление в микроволновой печи • Теперь учтите, что реальная частота радиочастотной энергии, используемой в микроволновых печах, составляет 2450 миллионов циклов в секунду! Более того, учтите, что в течение одного из этих циклов молекулы фактически изменят свое направление (полярность) дважды — один раз для положительного полупериода и один раз для отрицательного полупериода. Эта резкая вибрация вызывает сильное трение внутри еды, и — так же, как трение рук согревает их, — это трение производит тепло.
Приготовление в микроволновой печи • Таким образом, тепло выделяется непосредственно в пище, но она не готовится, как принято считать, изнутри. На самом деле приготовление пищи начинается непосредственно под внешней поверхностью и оттуда внутрь и наружу, при этом большая часть энергии расходуется на внешние слои. • Скорость и степень нагрева зависят от глубины и плотности пищи, а также от ее способности проводить тепло. Поскольку микроволновая энергия превращается в тепловую, как только она поглощается пищей, она не может сделать пищу радиоактивной или загрязненной.• Когда микроволновая энергия выключена и пища вынута из духовки, в ней не остается остаточного излучения. В этом плане микроволновая печь очень похожа на электрический свет, который перестает светиться, когда его выключили.
МВт: неионизирующее излучение • Как видно из частотного спектра вверху, микроволны, используемые в микроволновых печах, аналогично микроволнам, используемым в радиолокационном оборудовании, а также телефонной, телевизионной и радиосвязи, находятся в неионизирующем режиме. диапазон электромагнитного излучения.Неионизирующее излучение сильно отличается от ионизирующего излучения • Неионизирующее излучение сильно отличается. Из-за более низких частот и пониженной энергии он не обладает такими же повреждающими и кумулятивными свойствами, как ионизирующее излучение. Микроволновое излучение (на частоте 2450 МГц) неионизирует и при достаточной интенсивности просто заставляет молекулы в веществе вибрировать, вызывая трение, которое производит тепло, необходимое для приготовления пищи.
Ионизирующее излучение • Ионизирующий диапазон частот включает рентгеновские лучи, гамма-лучи и космические лучи.Ионизирующее излучение — это вид излучения, который мы связываем с радиоактивными веществами, такими как уран, радий, и выпадениями в результате атомных и термоядерных взрывов.
Микроволновая печь • Сердце каждой микроволновой печи — это система высокого напряжения. Его цель — генерировать микроволновую энергию. Компоненты высокого напряжения достигают этого, повышая напряжение сети переменного тока до высокого напряжения, которое затем изменяется на еще более высокое напряжение постоянного тока. Эта мощность постоянного тока затем преобразуется в радиочастотную энергию, необходимую для приготовления пищи.
Магнетронная трубка • Ядром высоковольтной системы является магнетронная трубка. • Магнетрон представляет собой электронную лампу диодного типа, которая используется для выработки необходимой микроволновой энергии в 2450 МГц. Он классифицируется как диод, потому что в нем нет сетки, как в обычной электронной лампе. Магнитное поле, наложенное на пространство между анодом (пластиной) и катодом, служит сеткой. Хотя внешние конфигурации разных магнетронов будут различаться, основные внутренние структуры одинаковы.К ним относятся анод, нить / катод, антенна и магниты.
Магнетронная трубка
Приготовление в микроволновой печи • Микроволновая печь, вероятно, чаще используется для разогрева остатков или замороженных продуктов. В отличие от обычной духовки, которую необходимо предварительно разогреть, микроволновая печь не расходует энергию на нагрев воздуха внутри духовки. Нагревается только еда. • Пластик, керамика и стекло также не поглощают микроволновые радиоволны. По этой причине некоторые продукты, пригодные для использования в микроволновой печи, поставляются со светоотражающим «листом для подрумянивания», который усиливает нагрев в определенной области, чтобы подрумянить, например, нижнюю часть пиццы или верхнюю часть теста.
Приготовление в микроволновой печи • При приготовлении в микроволновой печи радиоволны проникают в пищу и почти равномерно возбуждают молекулы воды и жира в ней. • Тепло не должно переноситься внутрь помещения за счет теплопроводности. • Тепло присутствует везде и сразу, потому что все молекулы возбуждены вместе. • Конечно, есть ограничения. Радиоволны неравномерно проникают в толстые куски пищи (они не доходят до середины), а также есть «горячие точки», вызванные помехами волн, но вы поняли.• Весь процесс нагрева отличается, потому что вы «возбуждаете атомы», а не «проводите тепло».
What’s Cooking • Когда пища в микроволновой печи поглощает радиоволны, энергия преобразуется в атомное движение, которое становится теплом. • Другими словами, микроволновые радиоволны возбуждают атомы, из которых состоит пища. Это приводит к равномерному и быстрому приготовлению пищи при прочих равных условиях. • На самом деле, некоторые виды продуктов питания не допускают равного проникновения радиоволн, что приводит к «холодным точкам».«Это проблема с птицей, мясом и яйцами, где бактерии могут выжить в сырых местах.
Опасно! • Несмотря на свои небольшие размеры, они несут огромное количество энергии. Одним из недостатков микроволн является то, что они могут повредить живые клетки и ткани. Вот почему микроволны могут быть вредными для людей — и почему микроволновые печи окружены прочными металлическими ящиками, которые не позволяют волнам уйти. • Микроволны могут быть очень опасными, поэтому никогда не возитесь с микроволновой печью.• Микроволны также используются в мобильных телефонах (мобильных телефонах), где они передают ваш голос взад и вперед по воздуху и на радарах.
Проще говоря • Вопрос: Как работают микроволновые печи и являются ли они вредными? Ответ: Микроволновые печи производят электромагнитное излучение с точно такой длиной волны, чтобы возбуждать молекулы воды. Когда молекулы воды возбуждаются, они нагреваются. Поскольку большая часть нашей пищи содержит изрядное количество воды, мы можем нагревать пищу, выборочно нагревая воду в ней.Микроволновое излучение также проходит через стекло и пластик, что позволяет ему проходить через посуду и нагревать пищу внутри. Однако микроволновое излучение не проникает очень глубоко в саму пищу, поэтому, если вы поместите что-то большое в микроволновую печь на короткое время, она будет горячей снаружи, но все еще прохладной в середине. Чтобы нагреть что-то большое, например грудку индейки, тепло должно распространяться с поверхности внутрь.
Микроволновые печи определенно могут причинить вред при неправильном использовании .Микроволновое излучение может проходить сквозь пластик и стекло, но отражаться от металла. Если вы поместите металлический предмет (например, металлическую миску или вилку) в микроволновую печь, это может привести к отражению микроволн обратно к источнику, который их производит (так называемый «магнетрон»), и может привести к значительному повреждению устройства. духовой шкаф. (Металлическая проводка в стеклянном окошке дверцы не позволяет микроволнам покидать духовку, но не отражает их обратно к источнику.)
Влияние состава пищевых продуктов на диэлектрические свойства • Углеводы, жир, влага, белок и содержание солей являются основными компонентами пищевых продуктов • Наличие свободной и связанной воды, поверхностных зарядов, электролитов, неэлектролитов и водородных связей в пищевом продукте • Физические изменения во время обработки, потеря влаги и денатурация белка • Диэлектрические свойства важны для технологов пищевых продуктов и инженеры для улучшения качества пищевых продуктов в микроволновой печи, разработки продуктов, пригодных для использования в микроволновой печи, и разработки новых процессов в микроволновой печи.
Использование диэлектрических свойств. зерно, семена или сельскохозяйственные продукты • Обнаружение загрязняющих веществ в воде при частоте микроволн 2.685 ГГц
Измерение диэлектрических свойств • Тип продукта питания • Степень точности • Частота • Отражение типа передачи • Методы • Линия передачи • Коаксиальный зонд • Возмущение полости • Передача в свободном пространстве
Измерение диэлектрической проницаемости • Генерируется микроволновый сигнал на интересующей частоте • Сигнал направляется через образец • Измеряются изменения сигнала, вызванные образцом • На основании этих изменений определяются диэлектрическая постоянная и коэффициент потерь

Альтернативы для ламинатов печатных плат: диэлектрические Измерения свойств на микроволновых частотах

1.Введение

1.1. Цель

Определить диэлектрические свойства рисовых отходов как потенциального альтернативного материала традиционным ламинатным материалам для печатных плат. Остатки рисовых отходов, которые уже обладают характеристиками этих обычных ламинатов, можно упрочнить, изготовив их в плотно уплотненной, очень плотной упаковке. Эти ламинаты для печатных плат должны быть изолированы, чтобы избежать короткого замыкания, и быть физически жесткими, чтобы механически обеспечить стабильность размещения меди.Эти свойства затем позволят создать недорогое, устойчивое и возобновляемое решение с характеристиками, сопоставимыми с доступными на рынке ламинатами печатных плат.

1.2. История вопроса

Перлис — самый маленький штат Малайзии, основным видом экономической деятельности которого является сельское хозяйство. Богатые рисовые поля покрывают большую часть штата, обеспечивая легкий доступ к рисовым отходам для производства этих древесностружечных плит. В качестве сырья в этой работе использовалась рисовая шелуха и рисовая солома, собранные после уборки урожая.Известно, что волокна с наименьшим размером частиц демонстрируют наивысшие прочность на разрыв и твердость [1], следовательно, их использование и спрос на него увеличиваются. Только за период 2010-2011 годов в мире было произведено около 577 миллионов тонн риса (Oryzae Sativa). Малайзия — одна из более чем 80 стран, вносящих вклад в эту сумму, где производится 100 000 тонн ежегодно. По сравнению с большим количеством производимых сельскохозяйственных остатков (рисовая шелуха и рисовая солома) только небольшая часть резервируется в качестве корма для животных, а остальная часть сжигается открыто, что вызывает опасения по поводу загрязнения воздуха [2].Различные другие подходящие приложения для таких остатков, такие как производство ковров, пешеходный мост, дизайн микроволновой электроники и т. Д. [3-4].

Диэлектрические свойства материала определяют физико-химические свойства, связанные с накоплением и потерей энергии, содержащейся в материале или веществе. Знание диэлектрических свойств материала необходимо для определения его пригодности для конкретного применения. Это свойство, которое включает комплексную диэлектрическую проницаемость и коэффициент рассеяния, уникально для каждого типа материала.Эти уникальные наборы электрических характеристик зависят от электромагнитных свойств материалов. Измерение диэлектрических свойств включает измерение комплексной относительной диэлектрической проницаемости (εr) и комплексной относительной проницаемости (μr). Комплексная относительная диэлектрическая проницаемость (εr) состоит из действительной и мнимой частей. Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости, также известная как диэлектрическая проницаемость, является мерой количества энергии внешнего электрического поля, хранящейся в материале.Мнимая часть равна нулю для материалов без потерь и также известна как коэффициент потерь. Это мера количества потери энергии материалом из-за внешнего электрического поля. Термин тангенциальные потери (tan δ) представляет собой отношение мнимой части к действительной части комплексной диэлектрической проницаемости и также известен как тангенс угла потерь, коэффициент рассеяния или коэффициент потерь. Точные измерения этих свойств позволяют ученым и инженерам включать материал для подходящего применения, для более прочных конструкций или для мониторинга производственного процесса для улучшения контроля качества [5].

2. Определения диэлектрической проницаемости и касательных потерь

Диэлектрические свойства по определению являются мерой поляризуемости материала при воздействии электрического поля. Для оценки материалов диэлектрические свойства представлены относительной комплексной диэлектрической проницаемостью, εr = ε ‘- jε’ ‘, где ε’ — диэлектрическая проницаемость, которая описывает способность материала накапливать энергию, ε », с другой стороны. , — коэффициент диэлектрических потерь, который отражает способность материала рассеивать энергию электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая проницаемость)

K = εε0 = εr = ε′r − jε ″ rE1ε0 = — свободное пространство взаимодействия диэлектрической проницаемости материала в присутствии внешнего электрического поля.
Диэлектрическая проницаемость (ε), также известная как диэлектрическая проницаемость, описывает взаимодействие материала с электрическим полем. Диэлектрическая проницаемость (k) эквивалентна относительной диэлектрической проницаемости (εr) или абсолютной диэлектрической проницаемости (ε) относительно диэлектрической проницаемости свободного пространства (ε0). Действительная часть диэлектрической проницаемости (ε’r) — это мера того, сколько энергии внешнего электрического поля хранится в материале.Мнимая часть диэлектрической проницаемости (jε ”r) называется коэффициентом потерь и является мерой того, насколько диссипативными или являются потери материала для внешнего электрического поля.
Касательная потери
Когда комплексная диэлектрическая проницаемость изображается как простой вектор, действительная и мнимая составляющие сдвинуты по фазе на 900. Векторная сумма образует угол δ с действительной осью (ε0). Относительная «потеря» материала — это отношение потерянной энергии к запасенной.
В некоторых случаях используется термин «добротность или добротность» по отношению к электронному микроволновому материалу.
Сельскохозяйственные остатки в течение нескольких десятилетий подвергались растущему интересу, изучению и использованию. Усиление экологических проблем рационализирует сокращение использования полимеров не только из-за их небиоразлагаемости, но и из-за энергоемкого производства. Другими словами, производство и переработка полимеров требует большого количества нефти в качестве сырья, которое, как известно, не является возобновляемым. Все эти проблемы вызывают потребность в альтернативах.
Остатки рисового риса, такие как рисовая шелуха и рисовая солома, показанные на Рисунке 1, представляют интерес для широкого спектра применений.Неразрушающие измерения диэлектрических свойств необходимы для правильного понимания их электрических свойств и обеспечения их эффективного применения. Использование остатков рисового риса выгодно из-за высокого содержания кремнезема и толстых стенок, что обеспечивает огнестойкость. В случае типичного волокна из отходов риса горение приводит к образованию слоя обугливания на внешней поверхности, изолирующего внутреннюю солому [6].
Рис. 1.
Остатки рисового риса (a) рисовая солома (b) рисовая шелуха
В радио- и микроволновом диапазоне диэлектрические свойства рисовых отходов зависят от частоты, содержания влаги и температуры.Фактически, на этих частотах вода является наиболее влиятельным фактором из-за ее полярной природы. Влияние температуры также связано с водой, когда изменение температуры влияет на энергетическое состояние молекул воды, следовательно, влияет на их способность следовать за переменным электрическим полем [6]. Поскольку вода внутри рисовых растений связана с внутренней структурой, частотная зависимость диэлектрических свойств не столь впечатляющая, как у жидкой воды. Образцы сельскохозяйственных отходов, рисовой шелухи и рисовой соломы с различным содержанием влаги в смоле были приготовлены путем заливки образцов рисового риса на основе карбамида формальдегида (UF) или фенолформальдегида (PF) для доведения их до желаемого уровня влажности [8].Измерения на высоких частотах часто проводятся с использованием двух разных методов измерения с разной степенью точности, учитывая гранулированный характер предлагаемых материалов.
На микроволновых частотах были разработаны различные методы для определения этих сложных свойств, начиная от методов временной или частотной области, используя один или два порта и т. Д. Каждый метод имеет свои собственные ограничения либо до определенного диапазона частот. , материалы или приложения.Несколько популярных методов измерения — это методы линий передачи (волноводные, коаксиальные и в свободном пространстве), методы измерения импеданса, диэлектрического зонда и резонатора [1-8]. Среди этих методов выбираются измерения в свободном пространстве и высокотемпературные диэлектрические датчики, исходя из их пригодности для измерения диэлектрических свойств рисовых отходов. Обе схемы показаны на рисунке 2. Метод измерения в свободном пространстве позволяет проводить измерения отражения и пропускания без прямого контакта с образцом.Напротив, метод диэлектрического зонда осуществляется путем соприкосновения или погружения зонда в образец. Оба метода не требуют каких-либо специальных приспособлений или контейнеров, и они лучше всего подходят для тонких, плоских материалов с параллельными гранями или других материалов, которым можно придать такую форму. Эти методы измерения являются неразрушающими и могут быть собраны в реальном времени, что позволяет использовать их в технологиях анализа процессов.
Для системы измерения свободного пространства пара рупорных антенн, обеспечивающих плоские волны на определенном расстоянии, размещается на обоих концах испытуемого материала (MUT), как показано на рисунке 2.Требуется минимальная пробоподготовка [9-11]. Толщина образца выбирается так, чтобы обеспечить одностороннее затухание не менее 10 дБ, а функция стробирования во временной области анализатора цепей серии PNA используется для обеспечения точных измерений. Диэлектрическая проницаемость образца материала может быть рассчитана автоматически с помощью программного обеспечения Agilent 85071 E, когда сигналы передаются и отражаются от образца. Ширина и высота образца (перпендикулярно направлению распространения волны) должны быть достаточно большими, чем рупорные антенны, чтобы избежать неточности, вызванной дифракцией сигнала на краях образца.
На рис. 2 (а) показана процедура измерения высокотемпературным датчиком, которая выполняется путем прикосновения датчика к плоской поверхности твердого тела или погружения его в жидкость или полутвердое вещество. Поля на конце зонда «врезаются» в материал и изменяются при контакте с ИУ. Отраженный сигнал (S ₁₁) может быть измерен и затем соотнесен с ε _r. С другой стороны, на рисунке 2 (b) показан метод измерения свободного пространства на основе коэффициента отражения (S ₁₁), коэффициента передачи (S ₂₁) или обоих.В популярном подходе «S-параметра» (Николсон-Росс или Вейр) используются как S ₁₁, так и S ₂₁ для расчета ε _r и μ _r, где S ₁₁ и S ₂₁ составлены многократных отражений от обеих границ. Образец должен быть достаточно толстым, чтобы соответствовать длине волны, ℓ представляющей интерес, чтобы его можно было измерить, в идеале 180 ^o или ½. На миллиметровых частотах образцы толщиной более 1 67 могут создавать множественные корневые ошибки.Образец должен располагаться достаточно далеко от антенны, чтобы не попадать в реактивную область, в идеале не менее 2d ²/ ℓ , где d — наибольший размер антенны.
Рис. 2.
Методы измерения рисовых отходов (a) Метод высокотемпературного диэлектрического зонда (b) Метод измерения свободного пространства.
Ламинат для микроволновых печей — это диэлектрический материал, который обычно плохо проводит электрический ток и обычно используется в качестве изоляционного слоя при сборке печатных плат.Фарфор, слюда, стекло, пластмассы и некоторые оксиды металлов являются несколькими примерами этих диэлектриков. Чем ниже диэлектрические потери (доля энергии, теряемой в виде тепла), тем эффективнее диэлектрический материал. Если напряжение на диэлектрическом материале становится слишком большим, и его электростатические поля усиливаются, материал начинает проводить ток. Примеры популярных ламинатов для печатных плат показаны на рисунке 3, например, Rogers 5880, Rogers 4350, FR-4, Taconic TLY-5 и т. Д.
Рисунок 3.
Существующие на рынке ламинаты для печатных плат.
Это исследование направлено на анализ диэлектрических свойств двух основных видов рисовых отходов, то есть рисовой шелухи и рисовой соломы, каждый из которых представляет собой значительные структурные и композиционные различия. Диэлектрические свойства рисовых отходов измеряются с использованием метода измерения в свободном пространстве и комплекта высокотемпературных диэлектрических зондов в диапазоне микроволновых частот при комнатной температуре. Это потенциально интересно для микроволновой промышленности, поскольку также проводится сравнение с имеющимися на рынке ламинатами печатных плат.
Body:
В рамках этой работы выбираются рисовые отходы в связи с устойчивой практикой использования натуральных побочных продуктов из-за растущей заботы об окружающей среде. Около миллиона тонн этих остатков производится на всех 200 000 гектаров за сезон в Перлисе. Таким образом, помимо того, что он доступен в большом количестве, его использование позволяет избежать открытого сжигания, которое является его обычным методом утилизации [6]. Очевидно, что такая деятельность ухудшает качество воздуха и повышает риск для здоровья. При запрете открытого сжигания требуются выгодные и экологически безопасные альтернативные методы удаления таких сельскохозяйственных отходов.Кроме того, материалы для изготовления ламинатов для печатных плат являются дорогостоящими и менее экологичными из-за использования химикатов. Общее количество химических соединений, используемых при производстве древесностружечных плит из рисовых отходов, в данном случае составляет всего 9,3% от общего количества используемого материала. Таким образом, необходимо будет определить характеристики этих плит из древесно-стружечных отходов, чтобы их можно было предложить в качестве альтернативного ламината для печатных плат, который является недорогим и устойчивым.
Проект разделен на три основных этапа, состоящих из:
Этап 1: сбор сырых рисовых отходов
Этап 2: производство ДСП,
Этап 3: измерение диэлектрических свойств
Производство рисовых ДСП
Рисунок 4.
Этап анализа рисовых отходов
Рисовые отходы, то есть рисовая шелуха и рисовая солома, прессуются в твердый картон для диэлектрических измерений с использованием различных процентных долей мочевины формальдегида (UF) и фенолформальдегида (PF). Оба являются важными компонентами в определении его диэлектрических свойств. На рисунке 4 представлен процесс производства рисовой шелухи и ДСП из рисовой соломы. Рисовые отходы сначала собираются с рисовых полей, а затем превращаются в древесно-стружечные плиты.Затем диэлектрические свойства плат определяются с использованием метода измерения свободного пространства (FSM) и метода высокотемпературного диэлектрического зонда.
На рис. 5 показаны типы сырья для рисовых отходов, которые использовались для изготовления.
Во-первых, два разных связующих вещества, мочевина формальдегид (UF) и фенолформальдегид (PF), смешиваются с соответствующими рисовыми отходами в емкости. UF, также известный как мочевина-метаналь, названный так из-за общего пути синтеза и общей структуры, производится из мочевины и формальдегида.Он обладает высокой прочностью на разрыв, низким водопоглощением и высокой твердостью поверхности. С другой стороны, PF является результатом реакции отщепления фенола с формальдегидом. Он образуется в результате реакции ступенчатой полимеризации, которая может быть катализируемой кислотой или основанием. На рисунке 6 показаны два типа смолы, которые важны для обеспечения содержания влаги в рисовых досках и напрямую влияют на их диэлектрические свойства.
Рисунок 5.
Рисовые отходы (а) рисовая шелуха (b) рисовая солома
Рисунок 6.
a) Формальдегид мочевины и фенолформальдегидные смолы (b) смесь отходов смола-подушечка
20627 906
Падди отходы Смола, процентное содержание,%
Формальдегид мочевины
29 Фальдегид
Формальдегид
10 10
20 20
30 30
Рисовая солома 10 10
Таблица 1.
Матрица для получения процентного содержания смолы в рисовой шелухе и рисовой соломе.
Рис. 7.
a) Форма прямоугольной формы (b) Перенос смеси рисовых отходов и смолы в форму
Сначала взвешивают 500 г рисовой шелухи и смешивают с тремя различными композициями УФ-смолы: 10%, 20% и 30%. Этот процесс и процедура повторяются также для рисовой соломы. Также готовится другой набор смеси аналогичного состава с использованием УФ, рисовой шелухи и рисовой соломы. На рисунке 6 (b) показана процедура смешивания смол и рисовых отходов, а в таблице 1 представлена производственная матрица.Затем смешанный материал помещают в прямоугольную форму размером 245 x 245 мм, показанную на фиг. 7. Эта форма выбрана для изготовления ДСП большего размера для использования в методике измерения свободного пространства.
Затем смесь, помещенная в форму для формования, помещается на машину горячего прессования, как показано на рисунке 8. Это машина для обработки материалов с низким давлением и низкой скоростью деформации для формования компактных материалов при высокой температуре. Он состоит из верхней и нижней формы, первая имеет более высокую температуру для сжатия твердых веществ, а вторая предназначена для процесса охлаждения и закалки.Для автоматизации всего процесса можно установить заранее заданную температуру и продолжительность сжатия. Это позволяет избежать перегрева при сжатии, который влияет на характеристики твердого вещества.
После охлаждения готовые древесно-стружечные плиты обрезают кромку по косметическим причинам. Они показаны на рисунке 9.
Аппаратное измерение включает настройку метода измерения в свободном пространстве, высокотемпературного диэлектрического зонда и соответствующего программного обеспечения для измерений (программное обеспечение Agilent 85071 E и Agilent 85070 E).Перед измерениями необходимо принять во внимание калибровку измерительной системы (анализатора цепей серии PNA, системы измерения свободного пространства и комплекта высокотемпературного диэлектрического зонда), помимо теоретического понимания обеих схем измерения.
Рисунок 8.
Машина горячего прессования
Рисунок 9.
Пэдди ДСП
Рисунок 10.
a) коаксиальные кабели (b) Калибровочный комплект Agilent 85052 D
Перед тем, как приступить к измерению, выполните калибровку коаксиальные кабели с использованием известной диэлектрической и длиной референсной платы осуществляются.Калибровка выполняется как на передатчике, так и на приемнике, чтобы удалить нежелательные ошибки и обеспечить точность измерения. Полная двухпортовая калибровка с использованием стандарта SOLT (Short — Open — Load — Through) выполняется с использованием калибровочного набора Agilent 85052 D 3,5 мм, который включает тестовые адаптеры и динамометрический ключ [11-16]. На рисунке 10 показаны коаксиальные кабели и калибровочный комплект, используемые для этой цели.
Процедура, описанная на Рисунке 11, используется для измерения ДСП для рисовых отходов.Его установка, показанная на рисунке 12, состоит из анализатора цепей производительности (PNA), измерительного программного обеспечения Agilent 85071 E, рупорных антенн, коаксиальных кабелей, адаптеров и ДСП в качестве тестируемого материала (MUT).
Рис. 11.
Методика измерения в свободном пространстве Процедура измерения
Для этого метода необходимо выполнить настройку калибровки MUT. Эталонная плата с известной диэлектрической проницаемостью сначала помещается между двумя рупорными антеннами. В этом случае в качестве эталонной платы используется медная пластина, диэлектрическая постоянная которой отображается на дисплее программного обеспечения Agilent 85071 E Material Measurement.Затем эталонная плата удаляется, чтобы убедиться, что диэлектрическая проницаемость, ε _r равна или близка к 1, аналогично воздуху. Когда и эталонная плата, и воздух близки к своим реальным диэлектрическим постоянным, процесс настройки калибровки считается завершенным.
Рис. 12.
Установка для измерения свободного пространства
Размер рупорных антенн, используемых в этой установке, составляет 30,9 см x 23,85 см x 29,4 см. Размер антенны влияет на расстояние передатчик-приемник, меньший размер антенны приводит к меньшему расстоянию между двумя антеннами.Следует также учитывать длину коаксиального кабеля, поскольку более длинный кабель приводит к большему затуханию и более слабому сигналу на передающем рупоре [14-16]. Две антенны направлены на линию прямой видимости (LOS) и поляризованы горизонтально относительно MUT для обеспечения точности.
Минимальное расстояние между MUT и антенной является еще одним важным определяющим фактором для обеспечения точного определения диэлектрических свойств. Это расстояние можно определить, применив настройку временного стробирования на анализаторе цепей серии PNA, когда образец помещается во время калибровки, как показано на рисунке 13.Эта функция полезна для снижения эффекта отражений, проявляющихся в виде шума во временной области. Среднее значение S ₁₁, измеренное с использованием неметаллической и металлической пластин, должно давать разницу не менее 40 дБ. В анализаторе цепей показаны три пика, первый — это ответ, вызванный передающим рупором, второй — для функции стробирования во временной области, а третий — отклик, вызванный приемным рупором. В этом примере разница между двумя пластинами составляет 52.713 дБ, что достаточно для оптимизации расстояния между двумя рупорными антеннами. Для каждого измерения MUT производится набор значений диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь, перечисленных в таблице. Кроме того, графические графики также можно просматривать с помощью измерительного программного обеспечения 85071E.
Мы также включили исследование комплекта высокотемпературных диэлектрических пробников Agilent 85070 B для определения диэлектрических свойств рисовых отходов. Система состоит из высокотемпературного диэлектрического зонда Agilent 85070 D, анализатора цепей Agilent Performance Network Analyzer (PNA) и программного обеспечения Agilent 85070 B.Этот метод прост в исполнении, эффективен по времени и прост, не требует каких-либо специальных приспособлений или контейнеров. MUT, либо картон из рисовой шелухи, либо картон из рисовой соломы, прессуется с помощью диэлектрического зонда, как показано на рисунке 14. Этот зонд передает сигнал в MUT [17], и полученные измеренные отражения затем преобразуются в значения диэлектрических свойств с помощью программного обеспечения Agilent 85070B. . Эта система способна определять диэлектрические свойства до 20 ГГц.
Рисунок 13.
Настройка стробирования во временной области
Перед использованием комплект высокотемпературного диэлектрического зонда необходимо откалибровать с помощью трех элементов и программного обеспечения, показанного на рисунке 15 (а).Элементы — воздух, металлический перемычка и вода. Этот закорачивающий блок показан на Рисунке 15 (b), в то время как для воды пользователям необходимо убедиться в отсутствии пузырьков воздуха. После завершения калибровки MUT может быть помещен под зонд для проведения измерений.
В данной работе для измерений рассматриваются прямоугольные рисовые отходы и блоки цилиндрической формы из титаната бария-стронция (BST). Измерения рисовых досок для мусора проводятся в 16 различных точках, как показано на Рисунке 16, для обеспечения точности измерения.С другой стороны, BST измеряются в пяти точках вверху и внизу соответственно. Средняя часть этого BST-блока не рассматривалась из-за высокой вероятности получения неточных результатов. В основном это связано с высокой вероятностью существования воздушного зазора между диэлектрическим зондом и материалом BST из-за его искривленной поверхности.
Рисунок 14.
Система высокотемпературных диэлектрических датчиков
Рисунок 15.
Калибровочные компоненты (a) окно программного обеспечения для выбора типа калибровки (b) закорачивающий блок
Рисунок 16.
Измерение 16 различных точек на MUT (a) вид сверху (b) вид снизу.
Методика измерения в свободном пространстве и комплект высокотемпературного диэлектрического зонда использовались для получения следующих диэлектрических свойств в различных условиях, а именно:
Диэлектрические свойства рисовой шелухи, смолы PF или UF.
Диэлектрические свойства для двух рисовых отходов (рисовая шелуха и рисовая солома) с разным процентным содержанием смолы PF (10%, 30% и 50%) расстояния, исследованные с использованием обоих типов досок.
Изменение диэлектрических свойств плит из рисовой лузги с частотой.
Сравнение техники измерения в свободном пространстве и высокотемпературного диэлектрического зонда с использованием 50% PF рисовой шелухи и рисовой соломы MUT.
Диэлектрические свойства рисовой шелухи с использованием как PF, так и UF смол
Из таблицы 2 можно заметить, что диэлектрическая проницаемость, ε ’MUT рисовой шелухи с использованием смолы PF выше, чем для UF. Для 10% содержания PF и UF диэлектрическая проницаемость MUT с клеем PF (3.2355) больше по сравнению с MUT с УФ клеем (2,8907). Это аналогичное наблюдение также постоянно наблюдается для 30% и 50% состава для обеих смол. Помимо того, что UF является низким водопоглощающим материалом, преимущественно более высокая диэлектрическая проницаемость PF-MUT связана с его более высокой плотностью жидкости, что приводит к более высокому уровню влажности по сравнению с панелями из рисовой шелухи с композитом UF [16].
Смола Процент,% Диэлектрические свойства
ε ’ ε”
PF 10 3.2355 0,2742
30 3,2745 0,2680
50 3,5813 0,4393
UF 30246
9024 2,86 0,3286
50 3,6808 0,2725
Таблица 2.
Диэлектрические свойства плит из рисовой шелухи, изготовленных с использованием разного процентного содержания смолы.
Тангенс угла потерь для древесностружечных плит рисовой шелухи весьма схож для смолы PF и UF, наблюдаемых для всех 10%, 30% и 50% состава UF и PF. Это связано с уплотнением прямоугольной доски рисовой шелухи. Когда электромагнитное излучение падает на поверхность материальной платы, степень отражения, испытываемого платой, выше, чем передача в материал [16]. Следовательно, это можно описать как процесс потери энергии, поскольку больше сигнала отражается, чем поглощается.
907 903,28 3,2745
Материал Процентное соотношение,% Диэлектрические свойства
ε ‘ ε ”
Шелуха риса 10 0,2680
50 3,5813 0,4393
Рисовая солома 10 1,9061 0,135
300127 0,123
50 2,7358 0,2236
Таблица 3.
Диэлектрические свойства плит из двух материалов, изготовленных с использованием различного процентного содержания фенолформальдегидной смолы (PF).
Рисовые отходы — это известный немагнитный материал [14]. Измеренные ε ‘и ε ”плит, изготовленных с использованием различных концентраций UF и PF смол (10%, 30% и 50%), приведены в таблице 3. ε _r увеличивается с увеличением концентрации UF. и PF увеличены с 10% до 50%.Это связано с более высокой объемной долей химической смолы в композите. Ожидается, что значения ε ”будут больше или равны нулю, тогда как отрицательные значения ε ” вызваны погрешностями измерения. Таким образом, полученные значения тангенса угла диэлектрических потерь больше нуля указывают на точность измерения. Подводя итог, можно сказать, что в диапазоне частот от 2,2 до 3,3 ГГц тангенс угла потерь и диэлектрическая постоянная имеют тенденцию к увеличению с увеличением содержания влаги, обеспечиваемого смолами PF и UF.
Этот объем исследования направлен на определение взаимосвязи между измеренными диэлектрическими свойствами с использованием трех различных расстояний между преобразователем и рупором. В таблице 4 показаны диэлектрическая проницаемость ε ‘и тангенциальные потери ε ”в диапазоне от 2,2 ГГц до 3,3 ГГц при комнатной температуре от 27 ^до ° C. Результаты показывают, что диэлектрическая проницаемость ε ‘ , постоянно уменьшается при увеличении расстояния с 215 мм до 475,5 мм.
Эту тенденцию к снижению также можно постоянно наблюдать для MUT как рисовой соломы, так и рисовой шелухи, а также для различного содержания смолы PF.Это связано с уменьшением глубины проникновения в плиты материала, вызванным увеличением расстояния между MUT и рогом, и наоборот, для более коротких расстояний. Другими словами, более длинное расстояние от MUT до рупора привело к ослаблению и рассеянию излучаемых сигналов, что привело к меньшему поглощению MUT [6]. Из-за этого ε ’ниже при измерении с использованием большего расстояния, поскольку тестовые сигналы не могут достичь MUT. С другой стороны, при увеличении расстояния измерения для ε ”наблюдается противоположная тенденция.В целом, можно сказать, что рисовые доски для отходов невозможно точно измерить из-за слабого сигнала при увеличении расстояния измерения.
ε8 0,617
8 0,617 906
Материалы Процент,% Расстояние (мм)
215 377 475,5
ε ” ε ‘ ε”
Рисовая шелуха 10 3.2355 0,2742 3,1386 0,4766 2,8854 0,4964
30 3,2745 0,2680 3,2745 0,2680 3,4727 4,4912 0,484 4,0305 0,5389
Рисовая солома 10 1,9061 0,135 1.8905 0,2153 1,8138 0,246
30 2,0127 0,123 1,974 0,2106 1,9068 0,23356
2,4848 0,3921
Таблица 4.
Диэлектрические свойства рисовой шелухи и рисовой соломы при различных расстояниях между MUT и рогом.
В таблице 5 представлены изменения измеренных диэлектрических свойств в зависимости от частоты.Это показывает, что частота существенно влияет на тангенс угла потерь MUT ( ε ”), который возрастает с увеличением частоты. В большинстве случаев зависимость тангенса угла потерь частоты почти линейна. С другой стороны, результат ε ”, полученный в Таблице 5, выше на обоих концах тестового диапазона частот и немного уменьшается в середине. Эта тенденция наблюдается для всех трех различных процентных соотношений смол PF для древесностружечных плит из рисовой шелухи. Это несоответствие вызвано распространением косвенного сигнала, известного в этой методике измерения, что снижает точность результатов измерения [18-19].
6
84,50
Частота
(ГГц) Процент фенолформальдегида
10% 30%
30%
906 ε ‘(%) ε’ ε ” ε ‘(%) ε’ ε” ε ‘(%)
2,2 3,4897 0,38284 100624 3,9276 0.4859 100 5,0302 0,2363 100
2,3 3,4742 0,2888 99,56 3,9074 0,4576 99246
3,4046 0,2632 97,56 3,8234 0,4165 97,34 4,8626 0,1563 96,65
2.5 3,3571 0,2675 96,16 3,7452 0,4266 95,29 4,7671 0,1809 94,69
2,611246
93,36
4,6695 0,1813 92,64
2,7 3,2514 0,2637 92,99 3,604 0.4253 91,48 4,5813 0,196 90,75
2,8 3,1997 0,263 91,40 3,5342
3,5342
3,1543 0,2681 89,98 3,4711 0,4341 87,75 4,4135 0,2241 87,05
3.0 3,1154 0,2716 88,75 3,4175 0,4406 86,20 4,3473 0,2358 85,55
4,27 0,2509 83,77
3,2 3,299 0,2852 92,46 3,2932 0.4591 82,52 4,1956 0,2813 82,03
3,3 2,9902 0,2999 83,1 3,2999 83,1 3,2353
5.
Измеренные диэлектрические свойства картона из рисовой шелухи по частоте
Хотя значения диэлектрических свойств уменьшались с увеличением частоты, линейный наклон выполнялся по-разному, в зависимости от типа сельскохозяйственных отходов и содержания влаги.Помимо этой тенденции, его уменьшение с процентным содержанием UF и PF также очевидно в Таблице 5 и на Рисунке 17. Однако существует набор паразитных значений измерения с содержанием PF 10% на частоте 3,2 ГГц. Эта ошибка связана с неопределенностью формы и размера образца, а также с шероховатостью поверхности плит материала [20], что ухудшило ее точность. Следует отметить, что расчет действителен только для геометрически идеального образца, чего можно избежать, применяя очень строгий процесс подготовки образца.Короче говоря, частота, тангенс угла потерь и диэлектрическая проницаемость влияют на количество энергии, рассеиваемой в сельскохозяйственных отходах. Более высокий тангенс угла потерь приводит к более высокому поглощению микроволнового сигнала платами, и, наоборот, более низкая диэлектрическая проницаемость способствует более высокому поглощению тепла в волокнах [19-21].
Рис. 17.
Диэлектрическая постоянная и тангенциальные потери по частоте
Сравнение диэлектрических свойств рисовой шелухи, измеренных с использованием метода измерения свободного пространства и комплекта высокотемпературных диэлектрических пробников, показано на рисунке 18.Оценка касательных потерь аналогичного картона из рисовой шелухи (с 50% смолы) с использованием этих двух различных методов дает отличное согласие. Это также наблюдается при измерении картона из рисовой соломы, что дает почти такие же значения. Между тем, измерение диэлектрической проницаемости с использованием двух методов измерения показывает, что комплект высокотемпературного диэлектрического зонда дает более высокие значения диэлектрической проницаемости. Это вызвано способностью высокотемпературного диэлектрического пробника подавать тестовые сигналы непосредственно в MUT.Расстояние от MUT до рупора, которое существует в методике измерения в свободном пространстве, вносит дополнительный фактор неопределенности, потенциально вызывая потери между трактами прохождения сигнала. Кроме того, на измерения также влияют другие погрешности — несовместимая геометрия, шероховатость и однородность поверхности ИУ. Дополнительные ограничения могут возникать из-за системной неопределенности конкретного прибора, а также из-за недостатков испытательного оборудования и настройки.
Рис. 18.
Измерение диэлектрических свойств рисовой шелухи и рисовой соломы с использованием двух различных методов измерения.
Таким образом, мы описали два эффективных метода определения диэлектрических свойств изготовленных на заказ плит из рисовых отходов. Процедура, преимущества, ограничения и работа в нескольких различных конфигурациях также тщательно исследованы и объяснены. Это заложило основу для лучшего понимания диэлектрических свойств, что поможет инженерам микроволновых или электронных компонентов оптимально спроектировать свои компоненты и будет способствовать использованию альтернативных экологически безопасных материалов.
Влияние диэлектрика на емкость — учебный материал для IIT JEE
Полный курс физики — 11 класс
ПРЕДЛАГАЕМАЯ ЦЕНА: Rs.2 968
Просмотр подробностей

Что такое диэлектрик?
Диэлектрики — это непроводящие вещества, которые являются изоляционными материалами и плохо проводят электрический ток.Диэлектрические материалы могут удерживать электростатический заряд, рассеивая при этом минимальную энергию в виде тепла. Примеры диэлектрика: Mica , Plastics , Glass , Porcelain и различные оксиды металлов , и даже сухой воздух также является примером диэлектрика.
Рисунок 1.1 Диэлектрический конденсатор
Что такое диэлектрическая постоянная?
В конденсаторе с параллельными пластинами, когда диэлектрическая пластина помещается между двумя пластинами, отношение напряженности приложенного электрического поля к напряженности уменьшенного значения конденсатора электрического поля называется диэлектрической постоянной, то есть:
K = E _o / E
K — диэлектрическая проницаемость
E ₀ больше или равно E
Где E _o диэлектрик
И поле нетто
Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше заряда может сохраняться.Полное заполнение пространства между пластинами конденсатора диэлектриком увеличивает емкость на коэффициент диэлектрической проницаемости:
C = KC _o, где C _o — емкость без диэлектрика между пластинами.
Влияние диэлектрика на емкость
Диэлектрики обычно помещают между двумя пластинами конденсаторов с параллельными пластинами. Они могут полностью или частично занимать область между пластинами.
Когда диэлектрик помещается между двумя пластинами конденсатора с параллельными пластинами, он поляризуется присутствующим электрическим полем. Плотности поверхностных зарядов рассматриваются как σ _p и — σ _p.
Когда диэлектрик полностью помещен между двумя пластинами конденсатора, его диэлектрическая проницаемость увеличивается по сравнению с вакуумным значением.
Рисунок 1.2 Диэлектрик, помещенный между двумя пластинами
Электрическое поле внутри конденсатора определяется
Итак,
А,
Ɛ — диэлектрическая проницаемость вещества.
Разница потенциалов между пластинами равна
Для линейных диэлектриков
Где k — диэлектрическая проницаемость вещества
K = 1 иначе,
Как диэлектрик увеличивает емкость конденсатора?
Электрическое поле между пластинами конденсатора с параллельными пластинами прямо пропорционально емкости C конденсатора. Напряженность электрического поля уменьшается из-за присутствия диэлектрика, и если общий заряд на пластинах поддерживается постоянным, то уменьшается разность потенциалов на пластинах конденсатора.
Таким образом, диэлектрик увеличивает емкость конденсатора.
Рисунок 1.3 Параллельно-пластинчатый конденсатор с диэлектриком
Проба
Рассмотрим следующую схему
Рис. 1.4 диэлектрик между двумя конденсаторами
Диэлектрическая поляризация
Когда к диэлектрическому материалу прикладывают внешнее электрическое поле, его поведение может быть определено и известно как Диэлектрическая поляризация , что можно понять по смещению зарядов (положительных и отрицательных) при приложении электрического поля
Основная задача диэлектрической поляризации — связать макроскопические свойства с микроскопическими свойствами.Где макроскопические свойства могут быть от диэлектрической постоянной до поляризуемости
Поляризация возникает под действием электрического поля или других внешних факторов, таких как механическое напряжение в случае пьезоэлектрических кристаллов (пьезоэлектрические кристаллы — это те твердые материалы, которые накапливают в них электрический заряд). Диэлектрическая поляризация также может спонтанно возникать в пироэлектрических кристаллах, особенно в сегнетоэлектриках (сегнетоэлектричество — это свойство некоторых материалов, которые имеют спонтанную электрическую поляризацию, которую можно обратить на противоположную путем приложения внешнего электрического поля).
1,5 Диэлектрическая поляризация
Вставка диэлектрика в конденсатор
Когда диэлектрический материал вводится между пластинами А, когда диэлектрический материал помещается между пластинами конденсатора с параллельными пластинами, то из-за поляризации зарядов по обе стороны от диэлектрика он создает собственное электрическое поле, которое действует в направлении противоположно полю из-за источника.
Это делает чистый электрический поток равным нулю.Этот эффект приводит к увеличению емкости.
Влияние диэлектрика на пластины при постоянном напряжении или заряде
Вставка диэлектрика между пластинами конденсатора при постоянном напряжении или заряде имеет тот же эффект, что и отношение заряда к напряжению.
Рисунок 1.6 Влияние диэлектрика на пластины, когда напряжение или заряд остаются постоянными

Что диэлектрик делает с конденсатором?
Диэлектрики часто называют изоляторами , когда изолятор помещен между двумя пластинами конденсатора.
Сторона изолятора, ближайшая к положительной пластине, будет отрицательной, а сторона, ближайшая к отрицательной пластине, будет положительной.
Чистое поле внутри конденсатора и разность потенциалов на конденсаторе уменьшаются, когда электрическое поле от заряда пластин конденсатора компенсируется электрическим полем поляризованного диэлектрика. Конденсатору требуется больший заряд, чтобы вернуться к своему первоначальному потенциалу разница.
Чистый эффект диэлектрика заключается в увеличении количества заряда, который конденсатор может хранить при заданной разности потенциалов.Весь смысл использования конденсатора заключается в накоплении заряда, поэтому придумать способ накопить больше заряда при том же количестве усилий — это хорошо.
Добавление диэлектрика в конденсатор
Добавление диэлектрика к конденсатору увеличивает емкость в K и
раз.
Заряд конденсатора увеличивается, когда напряжение остается постоянным, и
Если конденсатор отключен, то есть заряд остается постоянным, потенциал на конденсаторе будет уменьшаться.
Емкость параллельного пластинчатого конденсатора
Емкость конденсатора с параллельными пластинами зависит от:
Расстояние d между двумя пластинами
Область A между пластинами
Согласно закону Гаусса электрическое поле можно записать как
Поскольку мы знаем, что емкость определяется как V = Q / C, поэтому емкость можно переписать как
Когда пластины расположены очень близко, и , площадь пластин большая , мы получаем максимальную емкость .
Емкость параллельного пластинчатого конденсатора при размещении диэлектрической пластины
Рис. 1.7 диэлектрик, расположенный между двумя электродами
На двух пластинах микроскопический дипольный момент материала будет экранировать заряды. Таким образом, изменится влияние диэлектрического материала, который вставлен между двумя пластинами. Материалы имеют проницаемость , которая задается относительной проницаемостью K
Таким образом, емкость определяется как:
Емкость конденсатора с параллельными пластинами может быть увеличена путем введения диэлектрика между пластинами, так как диэлектрик имеет проницаемость k, которая больше 1.K также иногда называют диэлектрической постоянной .
Емкость при наличии диэлектрика
1. Когда диэлектрик полностью заполнен между пластинами
Когда пространство между двумя пластинами полностью заполнено диэлектриком, то относительная проницаемость er,
C ₀ = C x e r
2. Когда диэлектрик частично заполнен между пластинами
Когда в конденсаторе с параллельными пластинами, пространство между пластинами частично заполнено воздухом и частично другим веществом, его емкость можно рассчитать.
Пусть существует конденсатор с параллельными пластинами, в котором среда между параллельными пластинами состоит в основном из воздуха и частично из другого вещества.
Дополнительная информация
Влияние диэлектриков на емкость

Особенности курса
101 Видеолекции
Примечания к редакции
Документы за предыдущий год
Интеллектуальная карта
Планировщик исследования
Решения NCERT
Обсуждение Форум
Тестовая бумага с видео-решением

6.2 Частотная зависимость диэлектрических свойств
З.-М. Dang et al. / Успехи материаловедения 57 (2012) 660–723
703
Повышение проводимости полупроводниковых наполнителей с температурой. Например, Dang et al. [35] сообщили о пересчитанной температурной зависимости диэлектрического поведения сегнетоэлектрических полимерных композитов LTNO / PVDF. Композит PVDF – LTNO с керамическими частицами LTNO с высокой проводимостью также обладает высокой диэлектрической проницаемостью.Однако тангенс угла диэлектрических потерь такого композита всегда невелик. Этот результат можно объяснить сложной поляризацией, такой как межфазное поляризационное взаимодействие, возникающее между фазами PVDF и LTNO. Это также показывает, что диэлектрические свойства композитов LTNO / PVDF могут быть адаптированы путем использования керамических наполнителей LTNO с различными химическими стехиометрическими количествами. Результаты группы Данга подтверждают это объяснение [45, 247].
6.1.4. Электропроводящие наполнители / полимерные композиты
В отличие от упомянутых выше наполнителей, когда частицы металла наполняют полимеры, высокая диэлектрическая проницаемость при перколяционной концентрации часто резко снижается с повышением температуры [19], что может быть связано с неизбежным тепловым расширением полимерных композитов.Возможно, что тепловое расширение приводит к нарушению структуры проводящей сети. Уменьшение проводимости композитов Ni / PVDF с температурой подтверждает эффект теплового расширения. Однако, когда проводящие наполнители с большим соотношением сторон, такие как CNT и CF, смешиваются с полимерами, диэлектрическая проницаемость волокнистых наполнителей / полимерных композитов увеличивается с повышением температуры. Причина может заключаться в том, что между волокнистыми наполнителями и полимерной матрицей существует химическая связь, которая блокирует тепловое расширение композитов.Для практического применения материалов с высокой диэлектрической проницаемостью очень важна слабая температурная зависимость диэлектрической проницаемости полимерных композитов. Таким образом, как уменьшить температурно-зависимую нестабильность диэлектрической проницаемости, является очень важной задачей. В этом направлении достигнуты успехи. Например, Qi et al. [21] сообщили, что когда наноразмерные частицы Ag были диспергированы в эпоксидной смоле, нанокомпозиты Ag / эпоксидная смола проявляли высокую диэлектрическую проницаемость (300) вблизи порога перколяции (23 об.% Ag).Кроме того, диэлектрическая проницаемость имела более высокую температурную стабильность от 25 до 135 ЖК. Причина может заключаться в том, что наноразмерные частицы Ag были приготовлены непосредственно в эпоксидной смоле (метод in situ). Таким образом, микроструктура композитов Ag / эпоксидная смола стала более устойчивой к изменению структуры, вызванному температурой. Группа Нэна сообщила о другом методе определения температурной стабильности диэлектрической проницаемости в композитах металлических частиц и полимеров [245, 246]. Использование частиц структуры ядро / оболочка Ag @ C с тонким (наноразмерным) слоем органической оболочки, как показано на рис.40, привел к замечательной температурной стабильности диэлектрической проницаемости в композитах Ag @ C / эпоксид. Здесь органические нанооболочки служили электрическими барьерами между ядрами Ag, чтобы сформировать непрерывную сеть межчастичных барьерных слоев и сохранить стабильную высокую диэлектрическую проницаемость и низкие потери. Очевидно, что использование наноразмерных металлических частиц и их структуры ядро-оболочка является эффективным для настройки диэлектрических свойств композитов проводящих наполнителей / полимеров.
Как описано в главе 2, изменение диэлектрических свойств материалов всегда зависит от частоты, потому что разные группы и структуры молекул имеют разные характеристики отклика в разных частотных диапазонах.Следовательно, диэлектрические свойства композитов, состоящих из разных компонентов, могут иметь разную частотную зависимость.
6.2.1. Органические наполнители / полимерные композиты
Два вида органических наполнителей, CuPc и PANI, часто используются для получения полимерных композитов с высоким k [64–73,75,76,122,250–254,257–259]. CuPc и PANI — это органические материалы, их композиты демонстрируют отличную гибкость и могут использоваться в качестве электрострикционных материалов [64,68,73]. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости в этих композитах органических наполнителей / полимеров также сильна.Например, Zhang et al. [64] сообщили, что, хотя диэлектрическая проницаемость композитов 40 мас.% CuPc / P (VDF – TrFE) значительно увеличилась по сравнению с полимерной матрицей, как показано на рис. 41а, она также очень сильно зависит от частоты. Простой метод решения был бы эффективным для создания сильного взаимодействия между CuPc и P (VDF – TrFE).
704
З.-М. Dang et al. / Успехи материаловедения 57 (2012) 660–723
После облучения композита CuPc / P (VDF – TrFE) его диэлектрическая проницаемость увеличилась, особенно при 50 ЖК, как показано на рис.41b. Однако диэлектрическая проницаемость резко снижается с температурой. Основываясь на этой идее, модификация поверхности частиц CuPc и методы химической прививки были использованы для создания превосходных композитов. Wang et al. [262] исследовали нанокомпозит, состоящий из PVDF в качестве матрицы и PCMS с привитой CuPc с высокой диэлектрической проницаемостью (PCMS-g-CuPc) в качестве наполнителя. По сравнению с композитами PVDF и CuPc / PVDF, композит (PCMS-g-CuPc) / PVDF показал заметное увеличение диэлектрической проницаемости и относительно слабую частотную зависимость диэлектрической проницаемости.Значительное усиление диэлектрического отклика можно объяснить усилением эффекта обменной связи, а также поляризационным механизмом Максвелла – Вагнера – Силларса. Wang et al. [65,66] также использовали P (VDF – TrFE) и P (VDF – TrFE – CFE) в качестве матриц, соответственно, для изучения влияния процессов прививки и смешения композитов CuPc / полимер на их диэлектрические свойства. Они обнаружили, что по сравнению с простой смесью P (VDF – TrFE – CFE) и CuPc в привитом нанокомпозите были достигнуты более низкие диэлектрические потери и более высокое поле пробоя.Это можно объяснить более равномерным распределением частиц o-CuPc в полимерной матрице, а также гораздо меньшим размером включений. Более того, диэлектрическая проницаемость привитого нанокомпозита на частотах выше 1 кГц намного выше, чем у простой смеси, что указывает на усиление межфазного эффекта, такого как обменная связь, которая может усиливать диэлектрический отклик.
Используя полиуретан в качестве полимерной матрицы, Huang et al. [70] сообщили о полностью функционализированных нанофазных полимерах с высокой диэлектрической постоянной и высоким электромеханическим откликом.Трехкомпонентные многофункциональные композиты ПАНИ-g-PolyCuPc-g-PU имеют относительно слабую частотную зависимость. Такой нанофазный полимер обладает сильным межфазным эффектом, который за счет обменной связи заметно увеличивает диэлектрический отклик до такой степени, которая может превышать то, что можно было бы ожидать от простых правил смешивания для диэлектрических композитов, что подтверждает недавнее теоретическое предсказание [199]. Следовательно, эти самоорганизованные нанофазные полимеры демонстрируют высокую диэлектрическую проницаемость, уменьшенные диэлектрические потери, улучшенные поля пробоя и надежность, все из которых очень желательны для материалов с высокой диэлектрической проницаемостью для исполнительных механизмов и диэлектрических приложений.
Когда органические проводящие частицы (ПАНИ) используются в качестве наполнителей, частотная зависимость диэлектрических свойств часто бывает сильной [74–76,250]. Bobnar et al. [250] сообщили о повышенном диэлектрическом отклике в полностью органическом композите ПАНИ / П (VDF – TrFE – CFE). Хотя проводимость на самых низких частотах приближается к проводимости при постоянном токе, данные по диэлектрической проницаемости и проводимости сильно напоминают диэлектрическую релаксацию с характерной частотой 104 Гц.Эффект Максвелла – Вагнера — заряд границ раздела, который происходит в электрически неоднородных материалах, сам по себе приводит к диэлектрическому отклику с частотным характером, идентичным таковому у дебаевского диполярного поглощения. Очевидно, что чистый тройной сополимер проявляет диэлектрические свойства, характерные для неорганических релаксоров, но его диэлектрическая проницаемость намного ниже. С другой стороны,
Рис. 41. (a) Зависимость диэлектрической проницаемости слабого поля (100 В / см) от частоты для композита (квадраты) и полимерной матрицы (крестики).Показаны точки данных, а сплошные кривые — ориентир для глаз [64]. (б) Зависимость диэлектрической проницаемости слабого поля от частоты облученной композитной пленки с 40 мас.% олигомера CuPc, измеренная при 25 и 50 ЖК [257].
З.-М. Dang et al. / Успехи материаловедения 57 (2012) 660–723
705
примесь PANI, проводимость которой соответствует скачкообразному поведению Мотта, сильно увеличивает диэлектрическую проницаемость терполимера, особенно при приближении к порогу перколяции.Частотная зависимость диэлектрического отклика композита предварительно описывается в рамках расширенного подхода смеси Максвелла – Вагнера. Wang et al. [74] сообщили об улучшении электрических свойств сегнетоэлектрических полимеров за счет добавления полианилиновых нановолокон с контролируемой проводимостью. Как показано на рис. 42, диэлектрическая проницаемость композитов ПАНИ – HCl (2.9 мас.%) / П (ВДФ – ТрФЭ) в 2–4 раза выше, чем у полимерной матрицы, на частотах выше 0,1 МГц. Обменная связь между наноразмерным наполнителем и P (VDF – TrFE) с большой разницей в диэлектрическом отклике или неоднородном распределении поля в матрице, вероятно, ответственна за наблюдаемое усиление диэлектрической проницаемости [263].
Принято считать, что различие в работе выхода электронов в полупроводнике и проводнике приводит к появлению тонкого слоя в полупроводнике вблизи перехода, который обеднен переносчиками подвижных электронов. Когда концентрация проводящих нановолокон PANI, случайно распределенных в изолирующем сегнетоэлектрическом полимере, близка к порогу перколяции, композиты являются полупроводящими, и области обеднения могут быть расположены на границе раздела между композитами и металлическими электродами.Возникновение обедненного слоя возможно также из-за частичного перекрытия границ зерен нановолокна вблизи порога перколяции. Когда PANI был легирован додецилбензолсульфоновой кислотой (DBSA) и смолой перфторсульфоновой кислоты (PFSA), соответственно, дебаевская релаксация композита PANI – PFSA нановолокно / P (VDF – TrFE) происходит с меньшей частотой, чем у композита композит PANI – HCl / P (VDF – TrFE) и эффективно сдерживает ток утечки первого. Однако по сравнению с композитом ПАНИ – ПФСК / ПАНИ композит ПАНИ – ДБСА / ПАНИ имеет слабую частотную зависимость диэлектрической проницаемости.
6.2.2. Керамические наполнители / полимерные композиты
Для получения композитов полимер – матрица с высокой диэлектрической проницаемостью использовались все виды керамических наполнителей [28–44,108–111]. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости в изолирующих керамических наполнителях / полимерных композитах относительно слабая. Высокий k композитов в основном от
Рис. 42. Диэлектрическая проницаемость, потери и проводимость как функция частоты, измеренные для композитов с 2.9 мас.% Нановолокон ПАНИ – HCl. На вставке: эквивалентная схема нанокомпозитов (R — резистор. C — конденсатор. Индексы c и b обозначают область контакта и объемную матрицу соответственно) [74].
706
З.-М. Dang et al. / Успехи материаловедения 57 (2012) 660–723
поляризация интерфейса и высокая диэлектрическая проницаемость самих керамических наполнителей, которые имеют слабую частотную зависимость.Медленное уменьшение диэлектрической проницаемости может быть связано с высокочастотной релаксацией диэлектрика. Например, Kuo et al. В [108] сообщается о частотной зависимости диэлектрических свойств композитов BaTiO3 / эпоксидная смола в объемном виде с различными термообработанными сегнетоэлектрическими керамическими наполнителями. Диэлектрическая проницаемость немного уменьшается, а диэлектрические потери немного увеличиваются с увеличением тестовой частоты. Сообщается, что значения тангенса угла потерь являются высокими на низких частотах до 1 кГц и очень низкими на частотах от 10 кГц до 1 МГц.Диэлектрические потери снова увеличиваются на частотах выше 1 МГц. Поведение диэлектрических потерь на низких частотах ниже 1 кГц объясняется движением доменов и неоднородной проводимостью, а на частотах выше 1 МГц — движением доменной стенки. Dang et al. [29,43] сообщили, что диэлектрическая проницаемость композитов BaTiO3 / PVDF слабо зависит от частоты. Если нанокомпозит BaTiO3 / PI был приготовлен путем полимеризации in situ, частотная зависимость диэлектрической проницаемости могла быть дополнительно уменьшена.Это связано с тем, что процесс полимеризации in situ может обеспечить сильное межфазное взаимодействие между наноразмерными частицами BaTiO3 и полимерными цепями.
Когда полупроводниковые керамические наполнители используются для приготовления полимерных композитов, их диэлектрическая проницаемость заметно улучшается из-за очень высокой диэлектрической проницаемости и относительно высокой проводимости керамики [37,45,264]. Однако в большинстве случаев можно наблюдать замечательную частотную зависимость диэлектрических свойств. Например, Dang et al.[37] сообщили, что диэлектрическая проницаемость достигает примерно 150, когда объемная доля LTNO составляет 0,30 в композите LTNO / PVDF. Однако диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери сильно зависят от температуры. Для гибридных пленок CCTO / PI, когда концентрация CCTO ниже 20 об.%, Диэлектрическая проницаемость гибридной пленки не изменяется с увеличением частоты. Однако при концентрации CCTO 30 об.% Диэлектрическая проницаемость слабо зависит от частоты [45]. Очевидная частотная зависимость диэлектрической проницаемости наблюдается при концентрации CCTO более 40 об.%.А именно, диэлектрическая проницаемость резко уменьшается с увеличением частоты. Это явление можно также приписать полупроводниковым характеристикам наполнителя CCTO. Арбатти и др. [117] сообщили о диэлектрических спектрах многослойных композитных образцов горячего прессования при комнатной температуре, как показано на рис. 43. Диэлектрическая проницаемость увеличивается с увеличением начального количества слоев, используемых в горячем прессе, а затем выравнивается при дальнейшем увеличении. увеличение этого числа. Например, разница в диэлектрических свойствах четырех- и шестислойных композитов очень мала.График Коула – Коула диэлектрического поведения композитов при комнатной температуре показан на рис. 43б. В дополнение к основному процессу диэлектрической релаксации, на низкочастотном конце (левый верхний конец кривой) наблюдался низкочастотный процесс, который отвечает за диэлектрические потери, полученные на низкой частоте. Этот низкочастотный процесс может быть вызван проводящим поведением композитов или процессом релаксации, вызванным неоднородной природой композитов (гетерогенная релаксация).
Рис. 43. (a) Диэлектрическая проницаемость в зависимости от частоты от 100 Гц до 1 МГц для композитов при комнатной температуре. (б) График Коула-Коула диэлектрического поведения композитов горячего прессования при комнатной температуре. Пунктирными линиями показаны результаты, согласованные с использованием уравнения Коула – Коула [117].
З.-М. Dang et al. / Успехи материаловедения 57 (2012) 660–723
707
6.2.3. Электропроводящие наполнители / полимерные композиты
Многие исследования доказали сильную частотную зависимость диэлектрической проницаемости в проводящих наполнителях / полимерных композитах [19–25,58,61,72–77,265,266].А именно, низкочастотная диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери в композитах высоки, что можно отнести к решающей поляризации электрода и низкочастотному току утечки. Например, Panda et al. В [265] сообщается о слабой частотной зависимости нанокристаллических композитов Ni / PVDF во всем диапазоне частот, когда объемная доля Ni составляла 0,25. Когда его концентрация приближается к порогу перколяции, изменение диэлектрической проницаемости с частотой становится более выраженным.Когда проводящие xGnP диспергировали в PVDF с образованием нанокомпозитов xGnP / PVDF, также сообщалось об очевидной частотной зависимости диэлектрической проницаемости [49], которая подчинялась тому же закону, что и при использовании CNF [123] и CNT [50,51] в качестве проводящие наполнители. Чтобы уменьшить частотную зависимость проводящих наполнителей / полимерных композитов, разработаны трехкомпонентные (керамический наполнитель-проводящий наполнитель) / полимерные композиты [20,54,57,59,61,68,27,204,209]. Например, Dang et al. В [20] сообщается, что частотная зависимость диэлектрической проницаемости ослабляется при смешивании изоляционной керамики BaTiO3 и проводящих частиц Ni с PVDF вместе.Кроме того, композит (Ni – BaTiO3) / PVDF имел низкую проводимость даже при низкой частоте (100 Гц). Другой способ уменьшить частотную зависимость диэлектрической проницаемости — использовать частицы со структурой ядро-оболочка, что доказало свою эффективность [245, 246]. Например, группа Нэна изучала перколяционные нанокомпозиты, используя частицы со структурой ядро / оболочку в качестве наполнителя. Ядра из серебра были покрыты оболочкой из углеродсодержащего органического материала (обозначенной как Ag @ C). Матрица — эпоксидная смола. Толщина углеродистой углеродистой оболочки оказывает очень существенное влияние на частотную зависимость диэлектрической проницаемости композита Ag @ C / эпоксид. Результаты группы Данга также подтверждают, что частицы ядро-оболочка Ag @ TiO2 с тонким слоем TiO2 приводят к слабая частотная зависимость диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь в композитах Ag @ TiO2 / PVDF [247].Эти результаты показывают, что сильная частотная зависимость диэлектрических свойств в композитах проводящие наполнители / полимеры может быть уменьшена путем изменения состава композитов и использования частиц структуры ядро-оболочка.
6.3. Зависимость диэлектрических свойств от электрического поля
Как уже говорилось в разделе 2.4, полимерные композиты с высоким коэффициентом k часто используются в качестве диэлектрических материалов для электроэнергии. Как показано в формуле. Согласно (9) максимальная плотность накопления энергии (wmax) материалов прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости и квадрату поля пробоя.Очень желательно, чтобы полимерные композиты обладали высокой диэлектрической проницаемостью и большим полем пробоя. Хорошо известно, что диэлектрическая проницаемость материала зависит от его электрической поляризации. Это заставляет нас использовать сильное электрическое поле, чтобы вызвать сильную электрическую поляризацию. Однако электрическое поле не сильнее, чем поле пробоя материала. Что касается диэлектрических полимерных композитов, мы должны исследовать зависимость диэлектрических свойств неорганических / полимерных композитов от электрического поля.Совсем недавно этому вопросу были посвящены многочисленные исследования [12,64,67–70,73,245,246,251,254,257]. Кроме того, высокая диэлектрическая проницаемость также способствует возникновению сильной электрострикции полимерных композитов [64,67–70,73,252,254,257].
Группа
Чжана сообщила об индуцированной электрическим полем высокой диэлектрической проницаемости в композите 40 мас.% CuPc / P (VDF-TrFE), полученном с помощью простого процесса растворения [64]. Максимальное значение диэлектрической проницаемости достигает 450 при 10 кВ / мм, в то время как без электрического поля всего 220.Таким образом, высокая диэлектрическая проницаемость вносит большой вклад в электрическую деформацию, как показано на рис. 44 [64]. Nan et al. [245] показывает, что приложенное электрическое поле не улучшает существенно диэлектрическую проницаемость в композитах ядро – оболочка Ag @ C / эпоксид (рис. 45а). Однако на ВАХ этого композита наблюдается явная зависимость от электрического поля (рис. 45б). Сильно нелинейная зависимость ВАХ наблюдается только в композитах, где объемная концентрация наполнителей превышает порог перколяции.Wang et al. [74] показали, что приложенное поле существенно влияет на электрическую поляризацию композитов PANI / P (VDF – TrFE). Более того, поляризация очень сильно зависит от легирующего состава ПАНИ. Петли гистерезиса — типичные характеристики сегнетоэлектрических материалов. Нанокомпозиты P (VDF – TrFE) с 2 мас.% Нановолокон PANI – HCl проявляют поляризационный гистерезис, который постепенно увеличивается с увеличением поля. Однако для текущего композита поле пробоя все еще находится в диапазоне, обеспечивающем значительный электромеханический отклик.Хуанг и др. [72] подтверждают
708
З.-М. Dang et al. / Успехи материаловедения 57 (2012) 660–723
Рис. 44. (а) Диэлектрические свойства композитов в зависимости от амплитуды приложенного поля для композита с 40 мас.% CuPc. (б) Амплитуда деформации как функция амплитуды приложенного поля, измеренная при комнатной температуре. Частота приложенного поля — 1 Гц. Крестики — это данные, а сплошная кривая — ориентир для глаз.Для сравнения также показана деформация электрострикционного сополимера P (VDF – TrFE) в том же диапазоне полей (пунктирная кривая) [64].
, что композиты ПАНИ / П (ВДФ – ТрФЭ – ХТФЭ) с высокой диэлектрической проницаемостью вблизи перколяционной концентрации наполнителей ПАНИ демонстрируют большую электрострикционную деформацию при слабом приложении электрического поля. Они также получили полностью функционализированные нанофазные полимеры с высокой диэлектрической проницаемостью и высокими электромеханическими характеристиками [70], что очень высоко по сравнению с другими типами электроактивных полимеров [267, 268].Продольная деформация или деформация по толщине — это деформация 13%, вызванная ниже 27 кВ / мм, что в настоящее время является очень высоким значением деформации. Однако он ниже ожидаемого от результата [86]. Фактически, недавние работы показывают, что улучшение диэлектрической проницаемости — не единственный способ получить большую электромеханическую деформацию [86] и высокую плотность накопления электрической энергии [269]. Карпи и Росси сообщили, что после того, как порошок TiO2 был диспергирован в силиконовом диэлектрическом эластомере, диэлектрическая проницаемость очень медленно увеличивалась с увеличением концентрации в TiO2.Однако увеличение приложенного электрического поля может вызвать неожиданно высокую электромеханическую деформацию. Zhang et al. также сообщили, что нанокомпозиты из сегнетоэлектрических полимеров с наночастицами TiO2 демонстрируют значительно увеличенную плотность электрической энергии [269]. Когда объемная концентрация наночастиц TiO2 увеличивается, диэлектрическая проницаемость композитов TiO2 / P (VDF – TrFE – CTFE) и композитов TiO2 / P (VDF – CTFE) показывает очень слабые зависимости от поля, как показано на рис. 46a. С другой стороны,
Рис.45. (a) Зависимость от смещения диэлектрической проницаемости при 103 Гц композитных пленок, содержащих частицы Ag @ C с более толстой или более тонкой оболочкой. (б) ВАХ этих композитных пленок: на вставке показаны повторные измерения ВАХ 24 об.% Ag @ C / эпоксидного композита с более толстыми оболочками [245].
.
Навигация по записям
Что такое чип. Чипирование людей: технологии, применение и этические вопросы
Импульсная зарядка автомобильного аккумулятора схема. Импульсное зарядное устройство для автомобильного аккумулятора: схемы и принципы работы
Похожие записи

21.11.2024 0
Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

19.11.2024 0
Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

19.11.2024 0
Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *
Имя *
Email *
Сайт

Рубрики
Карта сайта
© M-Gen