CAP.3 Materiale dielectrice

download CAP.3 Materiale dielectrice

of 92

  • date post

    01-Feb-2017
  • Category

    Documents

  • view

    220
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of CAP.3 Materiale dielectrice

  • MATERIALE DIELECTRICE CONDENSATOARE

    157

    CAPITOLUL 3

    MATERIALE DIELECTRICE CONDENSATOARE

    3.1 Polarizarea dielectricilor

    Materialele dielectrice numite i electroizolante sunt caracterizate de o

    rezistivitate electric deosebit de mare cuprins ntre 1012

    i 1023

    mm2/m.

    Ele servesc pe de o parte la izolarea electric ntre elementele

    conductoare de curent electric, care se gsesc la poteniale electrice diferite, ct

    i a elementelor conductoare fa de masa de referin i mpmntare, iar pe de

    alt parte, ca dielectric n condensatoarele electrice.

    Materialele electroizolante sunt cele mai numeroase materiale

    electrotehnice, numrul lor fiind n continu cretere, pentru a corespunde ct

    mai bine din punct de vedere electric, mecanic, chimic, termic i totodat s aib

    cost de producie redus i fiabilitate ridicat.

    Materialele electroizolante fiind cele care i pierd mai repede

    proprietile (mbtrnesc) n comparaie cu materialele conductoare i

    magnetice, determin de fapt durate de serviciu (de via) a echipamentelor

    i instalaiilor n care sunt utilizate (maini i aparate electrice,

    transformatoare electrice, linii electrice de transport, distribuie i utilizare a

    energiei electrice etc.).

    Fig.3.1 Diagrama benzilor energetice

    Dielectricii se deosebesc de materialele conductoare prin existena unui

    numr extrem de mic de electroni liberi care pot s se orienteze ntr-un cmp

    electric; banda interzis este att de mare (WD = 2 10 eV) nct n

    condiii normale nu se observ conductivitate electric, fig.3.1.

    Deoarece rezistivitatea electric a materialelor electrizolante este foarte

    mare dar nu infinit (dac , = 0 i dielectricul ar fi un izolant ideal),

  • MATERIALE DIELECTRICE CONDENSATOARE

    158

    materialul aflat n cmp electric este strbtut de un curent de conducie

    extrem de mic, numit i curent de scurgere.

    Prin introducerea unui material dielectric ntr-un cmp electric se constat

    c acestea se influeneaz reciproc:

    - cmpul electric modific proprietile electrice ale materialului.

    - materialul dielectric modific geometria liniilor de cmp ale cmpului

    electric.

    Astfel, n materialele electroizolante situate n cmp electric, pe lng

    fenomenul de conducie (apariia curentului de scurgere), apare i un al doilea

    fenomen numit de polarizare. De altfel, aceste materiale se numesc dielectrici

    pentru c au capacitatea de a se polariza sub aciunea cmpului electric E.

    Starea de polarizaie electric P caracterizeaz starea materiei prin

    existena momentului electric al unitii de volum diferit de zero.

    Efectul materialului dielectric asupra cmpului electric de intensitate E, n

    care este plasat materialul respectiv, se poate pune n eviden urmrind ceea ce

    se ntmpl cu valoarea induciei electrice D a cmpului electric, mrime care

    se mai numete i densitate de flux electric. Unitile de msur ale celor dou

    mrimi electrice menionate sunt prezentate mai jos,

    2 ,SI SIC V

    D Em m

    unde C = Coulomb, V = volt, m = metru.

    n cazul n care cmpul electric este aplicat n vid, legtura dintre inducia

    electric D i intensitatea cmpului electric E este dat de relaia:

    0 0D E (3.1)

    unde 0 este permitivitatea electric a vidului i reprezint o mrime fizic

    care furnizeaz o msur asupra abilitii mediului (n acest caz vidul) de a

    permite trecerea cmpului electric prin el i se msoar n farad/metru:

    0 SIF

    m

    i are valoarea: 0 = (1/36)10-9

    sau 8,85410-12

    F/m.

    n cazul n care, n cmpul electric se introduce un material dielectric se

    constat c valoarea induciei electrice D crete, iar aceast cretere este datorat

    chiar polarizrii materialului dielectric respectiv. Legea care leag aceste mrimi

    scris n complex simplificat este:

    0D E P sau 0D E P (3.2)

    Polarizaia electric P a materialului dielectric este direct proporional cu

    intensitatea cmpului electric E i depinde de tipul materialului dielectric:

    0 eP E (3.3)

    unde mrimea e se numete susceptivitate dielectric i reprezint o msur a

    dielectricului de a se polariza, sau, altfel spus, rspunsul dielectricului la

  • MATERIALE DIELECTRICE CONDENSATOARE

    159

    aplicarea asupra sa a unui cmp electric. Din relaiile de mai sus, se constat c

    inducia electric D a cmpului electric aplicat asupra unui material dielectric se

    poate determina cu relaia:

    0 0 0 1e eD E E E (3.4)

    unde suma 1 e reprezint prin definiie permitivitatea electric relativ a materialului dielectric,

    1r e (3.5)

    Permitivitatea electric relativ furnizeaz informaii despre creterea

    induciei electrice a cmpului aplicat asupra unui material dielectric, raportat la

    cazul n care acesta se aplica vidului, cu alte cuvinte d o msur a influenei

    materialului dielectric asupra cmpului electric:

    0rD D (3.6)

    Un fenomen caracteristic materialelor dielectrice const n apariia, n

    structura lor, a dipolilor electici. Dipolul electric este prezentat n fig.3.2 i este

    compus dintr-o pereche de sarcini electrice de valoare Q inseparabile, de valori

    egale, dar de semn opus, aflate la o anumit distan d . Dipolii electrici pot fi de dou tipuri: dipoli electrici indui, respectiv dipoli electrici permaneni.

    Oricare dipol electric este caracterizat printr-un moment electric elementar p ,

    care se mai numete i momentul dipolului.

    Fig.3.2 Dipol electric

    Momentul dipolului este un vector orientat de la sarcina negativ ctre cea

    pozitiv, iar relaia de definire a acestuia este urmtoarea:

    p Q d (3.7)

    unde Q reprezint sarcina electric a dipolului electric.

    Astfel, se deosebesc dou tipuri de dielectrici: nepolari i polari,

    fenomenul de polarizare manifestndu-se n funcie de tipul dielectricului.

    Dielectricii nepolari n lipsa cmpului electric sunt neutri din punct

    de vedere electric. n prezena unui cmp electric exterior E nucleul i

    electronii sufer mici deplasri, astfel nct atomul se comport ca fiind

    format din dou sarcini egale i de semn contrar +q i q; acest ansamblu

    formeaz un dipol, un dipol indus, fig.3.3.

    De asemenea, fenomenul este caracteristic i materialelor cu structur

    ionic. Astfel, n fig.3.4a se prezint trei ioni succesivi de pe o linie reticular

  • MATERIALE DIELECTRICE CONDENSATOARE

    160

    NaCl, n cazul n care nu se aplic un cmp electric. n absena cmpului

    electric, cei trei ioni sunt plasai la distane egale. Fiecare pereche de ioni

    formeaz cte un dipol carecterizat de ctre un moment electric elementar 1p ,

    respectiv 2p .

    Fig.3.3 Polarizarea dielectricilor nepolari

    a atom n absena i b n prezena cmpului electric, polarizare de deplasare electronic

    Datorit distanei egale la care se afl ionii respectivi, vectorii 1p i 2p sunt egali i de sens opus i din acest motiv, momentul electric elementar

    rezultant va fi nul:

    1 2

    0p p p (3.8)

    Fig.3.4 Polarizare de deplasare ionic

    n cazul n care materialul dielectric este introdus ntr-un cmp electric,

    forele de natur electrostatic vor deplasa ionii cu o distan d1 fa de poziiile

    iniiale, ca n fig.3.4b, astfel nct distanele dintre cele dou perechi de ioni se

  • MATERIALE DIELECTRICE CONDENSATOARE

    161

    vor modifica, iar momentele electrice elementare ale dipolilor formai nu vor

    mai fi egale n modul i n consecin, momentul electric elementar rezultant va

    fi nenul:

    1 20p p p (3.9)

    Dup aplicarea cmpului electric, fenomenul se instaleaz rapid i dureaz

    att timp ct se menine cmpul electric, dup ndeprtarea acestuia cei 3 ioni

    revenind n poziiile iniiale. Orientarea dipolilor la aplicarea cmpului electric

    este rapid (dar mai lent dect n cazul polarizrii electronice), fenomenul fiind

    prezent pn la frecvene de ordinul miilor de megahertzi.

    Toate materialele polarizate ionic prezint i fenomenul de polarizare

    electronic, dar de intensitate de cel puin de dou ori mai mic.

    Fenomenul de formare a dipolilor se numete polarizarea dielectricului.

    Dipolul produce un cmp electric propriu Ep, avnd sens contrar

    cmpului aplicat E. La ncetarea cmpului electric E nceteaz i polarizarea.

    Dielectricii polari sunt dielectrici ai cror atomi formeaz dipoli i n

    absena cmpului electric E, dipoli permaneni, care sunt dispui dezordonat n

    material, astfel nct cmpul electric rezultant al dielectricului este nul. Sub

    influena cmpului electric E dipolii tind s se roteasc, astfel nct axele lor

    s coincid cu direcia cmpului exterior.

    n concluzie, sub influena cmpului electric E exterior, fenomenul de

    polarizare const n formarea de dipoli n cazul materialelor nepolare sau n

    rotirea dipolilor la materialele polare. Cnd dipolii sunt aliniati dup direcia lui

    E, se spune c materialul este polarizat, ca n fig.3.5.

    Fig.3.5 Dielectric polarizat

    Pentru materialul dielectric, starea de polarizare electric P , ce reprezint

    densitatea volumetric a momentelor electrice elementare p , se exprim

    cantitativ