Тема 3. Резистори

План лекції:

1. Загальні відомості про резистори

2. Параметри резисторів постійного та змінного опору.

З. Маркування та позначення резисторів.

Література до вивчення лекції:

1. Пасінков В.В.. Сорокин В.С. Материали злекгронной техники, - М; Вьісш. Школа. 1986.

2. Богородский Н.П.. Тареев Б. М. Злектроте.хничсские матсриальї. Я: Радио и свяь. 1989.

3. Рмчина Т. А. Зеленский А,В. Уетройства функціюиатьной злектронмки и злекітюрадиозлементьі. М..: Радио и связь. 1989

4. Толюпа С. В., Латипов І. М., Еремеєв Ю.І., Електричні матеріали. Пасивні електронні елементи інфокомунікаційних систем та мереж. навч. посібник, 2010р.

1. Загальні відомості про резистори.

Резистори являються одними з основних пасивних елементів радіоелектронної апаратури. Тому вивчення основних параметрів, властивостей та типів резисторів являється необхідним для розуміння процесів, які проходять в електричних колах.

1.1. Призначення та конструкція резисторів

На базі деяких електроматеріалів виготовляються резистори,які є найрозповсюдженими радіодеталями в пристроях радіоелектроніки.

В резисторах використовують їх опір. Опір резистора К залежить від властивостей резистивного матеріалу та його геометричних параметрів. Наприклад, для дротяного резистора

К=р-8

де Е - питомий опір резистивного матеріалу;

5- площа перерізу резистивного матеріалу;

l - довжина резистивного матеріалу.

Опір вимірюється в Омах або кратних йому одиницях.

Опір в 1 Ом має провідник, через який при напрузі в 1 В проходить струм в 1 А.

Головна функція резисторів - регулювання та розподіл енергії між електричними ланцюгами та їх елементами, а також створення відповідних співвідношень між струмом та напругою на заданому елементі. Конструкцію резистора постійного опору зображено на рис. 1.

 

Рис. 1. Типова конструкція плівкового резистора постійного опору

 

На діелектричній основі (частіше всього циліндричній) розміщуеться струмопровідний шар резистивного матеріалу. З обох боків основи щільно, для забезпечення надійного контакту, закріплюють ковпаки з виводами. З метою збільшення опору на струмопровідному шарі резистора роблять спіральну канавку.

При цьому резистивний шар "подовжується" -витягується у стрічку. Для захисту від зовнішніх впливів резистор фарбується або покривається лаком.

Основу резистора виготовляюгь з кераміки, скла, пластмаси та інших діелектричних матеріалів, які мають мале значення діелектричних утрат,

велику міцність та теплостійкість.

Виводи резисторів виготовляються у виді стрічок, дротів, "пелюсток", контактних поясів із латуні, яка покривається нікелем або сріблом. Високочастотні резисторі та резистори для автоматичного монтажу мають по краях резистивного шару контактні площадки.

1.2. Класифікація резисторів.

Резистори класифікуються за різними ознаками. По можливості регулювання величини опору в процесі експлуатації резистори розподіляють на постійні та змінні.

По призначенню - на резистори:

- загального застосування (резистори навантаження, дільники напруги і т.і.);

- прецізіонні (в вимірювальних приладах, в обчислювальний техніці і автоматиці і т.і.);

- високочастотні (в високочастотних підсилювачах, генераторах, хвилеводах, антенах і т.і.)

- високовольтні (в ланцюгах високої напруги);

- високомегаомні (в приладах нічного бачення, дозиметрах, вимірювальних приладах).

За резистивним матеріалом - на дротяні та недротяні. Недротяні можуть бути: з вуглецю та композиціонні, метало діелектричні та металоокисні.

За потужністю розсіяння - потужні та малопотужні.

За типом вольт-амперної характеристики І=:/(ІІ) - лінійні (рис,2,а) та нелінійні (рис.2,б,в).

До нелінійних відносяться: варистор, терморезистор і магніторезистор.

За конструкцією - дискретні та набори резисторів (в корпусах інтегральних мікросхем).

 

Рис. 2 Вольт-амперна характеристика резистора

2. Параметри резисторів постійного та змінного опору.

2.1. Основні параметри постійних лінійних резисторів

- Номінальний оиір;

- допуск;

- номінальна потужність розсіювання;

- температурний коефіцієнт опору:

- рівень власних шумів;

Номінальний опір.

Номінальний опір резистора (номінал) R_ном - це-значення електричного опору, яке маркується на його корпусі. Він вимірюється, в Омах або кратних йому одиницях: кілоомах - кОм (10"¹ Ом), мегаомах - МОм (10⁶ Ом), гигаомах - ГОм (10⁹ Ом), терраомах ТОм (10¹²) та знаходиться в межах від 0.1 Ом до 1 ТОм. /

Значення номінальних опорів резисторів установлюються шкалами номіналів, які позначаються кодом ЕЗ, Е 2, Е24, Е48, Е96, Е 192,

Кожна шкала є дискретним рядом послідовних чисел, які зростають (табл.1). Число в позначенні шкали відповідає кількості номіналів у ряду.

Для того, щоб знайти всі значення номінальних опорів резисторів, треба кожне число ряду помножити на 10", де п - ціле позитивне або негативне число.

 

Шкали та ряди номінальних опорів резистора Таблиця 1

 

Шкала	Е24	Е12	Е6	ЕЗ
	1,0 і і	1,0	1,0	1,0
	і»1 1,2 1,3	1,2
	1,5	1,5	1,5
	1,6 1,8	1,8
	2,0
			2,2	7?
Д	2,4 2.7 3,0
	3,3 3,6 3,9 4,3	3,3 3,9	3,3
	4,7 5,1 5,6 6,2	4,7 5.6	4,7	4,7
	6,8 7,5 8,2 9,1	6,8 8,2	6,8
Допуск	±5%	+10%	+20%	+ 10%

Допуск характеризує відхилення фактичного опору резистора від номіналу. Це відхилення пов'язано з похибками {погрішностями) виготовлення резистора.

Допуск або клас точності - не максимальна різниця між фактичним опором резистора, який вимірюється за допомогою вимірювальних приладів, і номіналом у відсотках відносно номіналу

д = ±_І— ^.100%

Допуски стандартизовані. Іх значення частіше всього знаходяться в межах від ±0,1% до ±20% і маркується на корпусі резистора цифрами або літерами (табл.2).

 

Цифрові та літерні позначення допусків Таблиця 2.

 

Цифрові позначення,%	±0,1	±0,25	±0,5	±1	±2	±5	±10	±20	±30
Літепле позначення	ж	У	д	Р	Л	Й	с	В	ф

 

Кількість значень опорів резисторів в ряду номіналів залежить від допуску. Чим менший допуск, тим більше номіналів і навпаки.(Табл. Л)

Номінальна потужність розсіювання. Електрична енергія, що надходить до резистора, перетворюється в ньому в теплову та розсіюється. Найбільша потужність, яку може розсіювати резистор в заданих умовах на протязі гарантійного терміну служби при збереженні параметрів в установлених межах називають номінального потужністю розсіювання Р_ном,

Фактична потужність розсіювання резистора залежить від температури середовища оточування та електричного навантаження, тобто від температури нагріву корпуса резистора.

Для кожного типа резистора в довідниках наводять графік Р залежності нормованої допустимої потужності розсіяння Р/Р_ном, від температури.

Цей графік дозволяє обрати електричне навантаження для заданої температури резистора.

Стандартом встановлюються такі градації номінальної потужності: 0,062;0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 8; 10; 16; 20; 25; 40; 50; 75; 100 Вт. Найчастіше зустрічаються резистори з номінальними потужностями 0,125; 0,25; 0,5; 1 та 2Вт.

На принципових електричних схемах резистор позначається прямокутником, в середині якого знаходиться риска, яка вказує на номінальну потужність (рис.4)

 

Рис.4 Умовне графічне позначення величини допустимої потужності

розсіювання (Вт)

 

Найбільша робоча напруга

Для кожного типу резистора з урахуванням його конструкції, розмірів, застосованих матеріалів та забезпечення тривалої працездатності встановлюється значення робочої напруги, перевищувати яке не можна. Це найбільша напруга, яка обмежується тепловими процесами у струмопровідному шарі резистора та електричною міцністю його ізоляції.

Найбільша робоча напруга Ир обмежується значеннями номінального опору резистора К_нт та його номінальною потужністю розсіювання:

Температурний коефіцієнт опору. Зміна температури резистора приводить до зміни його опору. Для кількісної оцінки цієї зміни застосовують температурний коефіцієнт опору (ТКО). ТКО - це відносна зміна опору резистора при зміні температури на 1°С.

1/°С

де ∆К.=К₂-К_.і- абсолютна зміна опору при зміні температури від нормальної Т| до допустимої Т₂;

∆Т =Т₂> -Т₁ -абсолютна зміна температури.

Значення опору та знак ТКО резистора визначаються головним чином, температурною залежністю опору резистивного матеріалу ТКр та матеріалу основи.

Резистори типа А застосовуються для регулювання режиму в пристроях, типа Б - у регуляторах гучності, типа В - у регуляторах тембру.

Найбільш кращу точність відтворення необхідної функціональної характеристики мають потенціометри.

До специфічних параметрів змінних резисторів належать:

- межі зміни опору;

- максимальний кут повороту рухомої системи;

- шуми руху,

- сталість до зносу.

Шуми руху виникають у вигляді напруг завад на виводах при переміщенні рухомої системи по резистивному шару. У приймачах ці шуми приводять до шорхання та трісків. Рівень шумів руху досягає і 00 мкВ.

В пристроях електроніки застосовуються дві схеми підключення змінного резистора К на резистор навантаження К_и: потенціометрична

(рис. 5.а.) та реостатна (5.б). Вибір схеми підключення залежить від того, що необхідно регулювати - струм чи напругу. Реостатна схема застосовується для регулювання струму, потенціометрична - для регулювання напруги.

Рис. 5. Схеми включення змінних резисторів

3. Маркування та позначення резисторів

 

Маркування резистора, яке виконується на його корпусі, найчастіше, складається з таких елементів: тип резистора, номінальна потужність, номінальний опір, допуск та дата виготовлення.

Наприклад: Р1 - 46 Вт 47к0м +10% ії-90.

Номінальний опір позначається цифрами з одиницями вимірювання: Ом, кОм, МОм, ГОм, ТОм.

Допуск наноситься у вигляді літер або відповідних цифр.

Подекуди номінали та допуски маркуються на корпусі спеціальним літерно-цифровим кодом. Перші три знака цього коду позначають номінал, літери Е, К, М, Г, Т відповідають одиницям вимірювання: Ом, кОм, МОм, ГОм, ТОм відповідно. Ці літери розміщаються після номіналу або замість коми. Четвертий знак коду (літера) -відповідає допуску.

Наприклад: ЗЕОИ - 3,0 Ом ±5%; К10 - 0,1 кОм; 5М1В - 5,1 МОм +20%.

Четвертий знак коду - літера, відповідає допуску.

Маркування резисторів змінного опору найчастіше складається з літери РП або СП; цифри, яка вказує на матеріал резистивного шару (3 -тонкій композиційний матеріал; 4 - об'ємний композиційний матеріал; 5 -дротяні); числа - номера розробки; літери - конструктивного варіанта (а -одинарний для об'ємного монтажу; б -одинарний для друкованого монтажу; в - одинарний з вимикачем для об'ємного монтажу; 4 - одинарний з вимикачем для друкованого монтажу); номінальної потужності розсіювання, номінального опору та допуску, а гакож літери - типа функціональної характеристики.

Наприклад: СПЗ - 4а - 0,5Вт - 4700 Ом ±20% - А. Це резистор змінний з тонкого композиційного шару з номером розробки - 4 для одинарного об'ємного монтажу з номінальним опором - 4,7 кОм, допуском ±20% та з функціональною характеристикою тииа А.

В подвійних резисторах номінальний опір, допуск та функціональну характеристику вказують у виді дробу: в чисельнику - для другого резистора, в знаменнику - для першого, рахуючи з боку вала.

Наприклад:

Маркування блоків резисторів складається з літер НР, цифри - варіації конструктивного виконання, числа - номера за порядком розробки, цифри -типа схеми побудови набору, номінального опору (якщо опір всіх резисторів однаковий), допуску, значення ТКО в 10⁶ разів більшого.

Наприклад, НР - 17 - 7 - 100 кОм ±0,05% - 10

На електричних схемах поруч із графічним позначенням резистора наводиться його позиційне позначення, яке складається з літери К та числа за порядковим номером резистора в схемі. Інколи тут наводиться І величина опору.

Якщо до позначення резистора входить позначка (*), то значення опору резистора вказано орієнтовано і його необхідно підбирати при налагоджені пристрою. Графічне позначення резистора (крім дротяного) має знак номінальної потужності в виді відповідних рисок. Схемне позначення дротового резистора має напис "дрот".

Маркування резисторів може бути і кодом в виді кольорових кілець або смут, які наносяться на корпус резистора біля одного із його виводів. Якщо розміри резистора не дозволяють розмістити код ближче до одного виводу, то площина останнього знаку мусить бути в 1,5...2 рази більше площини інших знаків. Таких кілець може бути три або чотири. Перші два кільця визначають номінальний опір в Омах, наступне кільце визначає множник, а останнє - допуск (табл. 3).

При допуску ±20% четверте кільце не маркується. Приклад кольорового маркування резистора К_ІММ=4,7 кОм ±5% наведено на рис. 6.

 

Таблиця 3.

Колір кільця (смуги)	Номінальний опір, Ом	Допуск, %
	Перша цифра	Друга цифра	Третя цифра	Множник
Соіблистий	_	_	_	10-2	±10
Золотистий	_	_	-	10-1	±5
Чопний	.		-		-
Кооичневий		]			±1
Чеовоний				102	±2
Оранжевий				103	-
Жовтий				104	-
Зелений	5|			105	±0.5
Блакитний				106	±0.25
Фіолетовий			7	107	±0.1
Сірий				108	±0.05
Білий				10у	-

 

Рис. 6. Приклад кольорового маркування резистора

 

Резистори постійного опору відносяться до елементів підвищеної надійності: середня інтенсивність їх відмов дорівнює 10*⁶ 1/год,

Резистори змінного опору мають середню інтенсивність відмов на порядок меншу.

Найбільш частим видом відмов резисторів є перегорання резистивного шару, обрив виводів в місці кріплення, зміна величини опору вище допустимої, у резисторів змінного опору - механічний знос рухомих частин.

Гарантійний ресурс резисторів загального застосування 5 - 10 тис. год., термін зберігання - до 11 років в складських умовах, або 3 роки - в польових умовах.

Термін зберігання резисторів обмежується допустимим відхиленням їх опору за визначений проміжок часу.

Система умовних позначень резисторів складається з таких елементів:

1-й елемент (одна або дві літери) - позначає підклас резистора (Р -резистор постійний, РП - резистор змінний, НР - набір резисторів, Б - блоки резисторів).

2-й елемент (цифра) - позначає групу резисторів за матеріалом резистивного шару (1 - недротові, 2 - дротові та металофольгові)

З- елемент (цифра),через дефіс, позначає реєстраційний номер. Наприклад: РП1-46 - резистор змінний, недротовий з реєстраційним номером 46. До системи умовних позначень наборів резисторів входять таки елементи:

1 -й елемент - літери НР;

2-й елемент - (цифра) - варіант конструктивного виконання;

3-й елемент - (число) - номер за порядком розробки;

4-й елемент - (цифра) - типова схема побудови набору. Наприклад: НР 1-17-7. Зустрічаються резистори із застарілими позначеннями, в яких:

1-й елемент:СП - резистор змінний; С - резистор постійний;

2-й елемент (цифра), яка вказ\є на вид резистивного матеріалу:

1 - тонкошарові з карбону та із суміші бору та карбону;

2 -.тонкошарові метало діелектричні та металоокісні;

3 - композиційні плівкові;

4 - композиційні об'ємні;

5 - дротяні;

6 - тонкошарові металізовані.

3-й елемент,через дефіс - регістраційний номер типа резистора. Наприклад: С2-33 - резистор постійний, тонкошаровий, металодіелектричний з номером 33.

4-й елемент - вказує на номінальну потужність розсіювання, Вт;

5-й елемент» номінальний опір. Ом;

6-й елемент - допуск, вказується в процентах;

7-й елемент - якщо Д< ±1%, то резистор вважається прецизійним і

цей елемент вказує на температурний коефіцієнт опору А - 0,001% °С або В = 0,002% °С; якщо А> ±1%, то вказується група по шумам А, якщо Е_ш < ІмкВ/В, В, якщо Е„, < 2мкВ/В;

8-й елемент - вказує на варіант кліматичного виготовлення.

Враховуючи те, що корпус резистора має малі розміри і відобразити повне умовне позначення маркування неможливо, тому вводять скорочене умовне позначення, куди входить: тип резистора, величина номінального опору та величина допустимого відхилення фактичного опору від номінального, а якщо дозволяють розміри, то вказується і величина номінальної потужності розсіювання (рис. 7).

Допустиме відхилення фактичного опору від номінального ± 10%.

Номінальний огтІр К_ном =~ 5,6 кОм

Номінальна потужність розсіювання Р,_ІНМ = 0,5 Вт

Матеріал резистивного шару:

1- вуглецеві ■ •

2- металоп лівкові та металоокисні

3 - плівкош, композиційні

4- об'ємні композиційні 5- дротяні

С - постійні СП - змінні

Рис. 4 Скорочене умовне позначення резисторів

Часто ще зустрічаються старі позначення резисторів,де вказується тип, вид захисту резистивного елементу, та особливі властивості резисторів.

Перша літера - вид резистивного елементу - У-вуглецеві

К-композиційні М-металоплівкові Б - боровуглецеві

Друга літера - вид захисту резистивного елементу - Л. - лаковий

Г - герметичний

Е - емальований І - ізольований В - вакуумний

Третя літера - особливі властивості - Т - термостійкий

П - прецизійний В - високоомний О - об'ємний Н - низькоомний

 

Рис. 7. Скорочене умовне позначення резисторів

Наприклад:

МЛТ - 0,5 - 300 кОм ±5 - А - резистор постійного опору, метало-плівковий, лакований, термостійкий, допустима потужність розсіювання 0,5 Вт, номінальний опір -300 кОм, допустиме відхилення фактичного опору від номінального - ±5, група з шуму А - менше 1 мкВ/В;

ГОВТ - 10 - 47 кОм ±10% - резистор постійного опору, дротяний, емальований, вологостійкий, термостійкий, допустима потужність розсіювання 10 Вт, номінальний опір 47 кОм, допуск ±10%;

__;УЛИ - 0,125 - 5к6И - резистор постійного опору, вуглецевий, лакований, вимірювальний, допустима потужність розсіювання 0,125 Вт, номінальний опір 5.6 кОм. допуск ±5%;

ТВО - теплостійкий, вологостійкий, об'ємний;

МОН - металоокисний низькоомний резистор;

ОМЛТ - особливо стійкий до механічної дії, металоплівковий, лакірований, термостійкий резистор.

Резистори постійного опору відносяться до елементів підвищеної надійності: середня інтенсивність їх відмов дорівнює - 10-⁶1/год.

Резистори змінного опору мають середню інтенсивність відмов на порядок меншу.

Найбільш часто видом відмов резисторів є перегорання резистивного шару, обрив виводів в місці кріплення, у резисторів змінного опору механічним знос частин, які ковзають, зміна величини опору вище допустимої. Гарантійний ресурс резисторів загального застосування 5-10 тис. год., термін зберігання - до 11 років в складських умовах, або 3 роки - в польових умовах.

Термін зберігання резисторів обмежується допустимим відхиленням опору їх за визначений проміжок часу.

Лекція № 4.

Тема 3. Діелектричні матеріали

План лекції:

1. Загальні відомості про діелектричні матеріали

2. Органічні та неорганічні діелектрики

Література до вивчення лекції:

1. Пасинков В.В., Сорокин В.С. Материалы електронной техники. – М.: Высш. Школа, 1986, с. 182-192, 225-259, 261-266

2. Толю па С. В., Латипов І. М., Еремеєв Ю.І., Електричні матеріали. Пасивні електронні елементи інфокомунікаційних систем та мереж. навч. посібник, 2010р.

1. Загальні відомості про діелектричні матеріали

Діелектрики в радіотехніці знайшли розповсюдження, як ізолятори в електричних проводах, радіодеталях і як конструкційні матеріали в різних пристроях. Наприклад, для ізоляції обмотувальних проводів та кабелів, для каркасів котушок індуктивності, підкладок гібридних інтегральних мікросхем і т. ін.

Властивості діелектриків характеризуються їх параметрами:

- діелектричною проникністю

- електропровідністю G

- діелектричними втратами Rіз

- електричною міцністю E_Пр

-температурним коефіцієнтом діелектричної проникності ТК_Є.

Параметри діелектричних матеріалів

Діелектрична проникність та її температурний коефіцієнт

Здатність діелектрика поляризуватися характеризує його діелектрична проникність .

Діелектрична проникність - це величина, яка показує, у скільки разів збільшується ємність повітряного конденсатора, якщо простір між його обкладками заповнити замість повітря даним діелектриком і визначається по формулі:

,

де С ₁ - ємність конденсатора з даним діелектриком;

С₀ - ємність повітряного конденсатора.

Таким чином, властивість будь-якого діелектричного матеріалу порівнюють із властивістю повітря. Кращі конденсатори мають велику .

Діелектрична проникність залежить від температури і визначається температурним коефіцієнтом діелектричної проникності ТК , яка характеризується відносною змінною проникністю при зміні температури на 1 °С.

Температура, при якій діелектрична проникність максимальна, називається температурою Кюрі.

Електропровідність діелектриків

Ідеальний діелектрик не має електропровідності. Електропровідність у діелектрику виникає тоді, коли він має вільні або слабо пов'язані заряди (іони), які переміщуються під дією електричного поля Е, приводячи до виникнення електричного струму.

Електропровідність - це здатність діелектрика проводити електричний струм.

В діелектриках необхідно розрізняти два вида провідності: об'ємну та поверхневу, згідно струму витоку через товщину діелектрика або по його поверхні.

Для порівняльної оцінки твердих діелектриків по відношенню їх об'ємної та поверхневої електропровідності користуються значеннями питомого об'ємного та питомого поверхневого опору.

Струм електропровідності називається струмом витоку І_вит. Він визначається опором ізоляції Rіз по формулі:

Тоді ,

де d- товщина діелектрика (м);

S- площа бокової поверхні (м²).

Питомий об'ємний опір рv численно дорівнює опору куба з ребром в мислено вирізаного із досліджує мого матеріалу, якщо струм проходить через дві протилежні грані цього куба.

В випадку плоского зразка матеріалу при однорідному полі питомий об'ємниі опір в Ом*м можна визначити по формулі:

де R - об'ємний опір зразка, Ом;

S - площа електрода, м²;

h- товщина зразка, м.

Питомий поверхневий опір s числено дорівнює опору квадрата, мислено виділеного на поверхні матеріалу, якщо струм проходить через дві протилежні сторони цього квадрата.

Питомий поверхневий опір в Ом можна визначити по формулі:

,

де Rs -поверхневийопір зразка між паралельно поставленими електродами;

l - ширина електродів;

d - відстань між електродами (див. рис. 3.1). По питомому опорові визначається питомі провідності .Повна провідність твердого діелектрика складається з об'ємної та поверхневої провідностей

.

Електропровідність діелектриків зумовлюється станом речовини: газоподібним, рідким або твердим, а також залежить від температури й вологості навколишнього середовищя.

Діелектричні втрати

Енергетичні втрати в діелектрику пов'язані з наявністю струмів витоку, уповільнення поляризаційних процесів іонізації газових вкраплень, зміни орієнтації дипольних молекул, які приводять до тертя та деформації атомів.

Усі фактори втрат можна звести до дії активного опору ізоляції Rіз.

Енергетичні втрати діелектрика через наявність опору Rіз приводять до його нагріву й розсіювання тепла в оточуюче середовище.

Якість діелектрика при змінній напрузі характеризують питомими втратами, кутом діелектричних втрат або тангенсом кута діелектричних втрат.

В ідеальному діелектрику кут дорівнює нулю. Чим більше потужність розсіювання, тим більше кут діелектричних втрат.

Діелектричні втрати можна розділити на чотири основні види:

- діелектричні втрати, зумовлені поляризацією;

- діелектричні втрати наскрізної провідності;

- діелектричні втрати, зумовлені неоднорідністю структури;

- іонізаційні діелектричні втрати.

Величину діелектричних втрат в ізоляційному матеріалі можна характеризувати величиною реактивної складової потужності розсіювання, віднесеної до одиниці об'єму, а також тангенсом кута діелектричних втрат.

Кутом діелектричних втрат називається кут, доповнюючий до кут зсуву фаз між струмом та напругою в ємкісному колі. Чим більше потужність яка розсіюється в діелектрику, яка переходить в тепло, тим менше кут зсуву фаз і тим більше кут діелектричних втрат і його функція (рис1).

З векторної діаграми отримаємо:

для паралельної схеми

для послідовної схеми

Величину потужності, яка розсіюється можна визначити по

 

Рис. 1. Паралельна (а) та послідовна (б) еквівалентні схеми діелектрика
з втратами та векторними діаграмами до них

 

Із данної формули видно, що діелектричні втрати мають серйозні значення для діелектриків, які використовуються в високовольтній апаратурі, високочастотних пристроях, так як величина діелектричних втрат пропорційна квадрату прикладеної до діелектрика напруги та частоти струму.

Електрична міцність.

Характеризує здатність діелектрика витримувати без пробою велику електричну напругу.

Ізоляційні властивості діелектрика, який знаходиться в електричному полі, втрачаються якщо напруженість поля перевищить критичне значення, після якої виникає пробій.

Під пробоєм діелектрика розуміють процес утворення в ньому каналу великої провідності.

Напруга, за якою порушується міцність ізоляції діелектрика і виникає його пробій називається напругою пробою (Uпр).

Напруженість поля, за якою виникає пробій діелектрика, називається електричною міцністю ізоляції (Eпр):

де d - товщина діелектрика.

Частіше виникають електричний та електротепловий пробої.

Електричний пробій обумовлюється, головним чином, ударною іонізацією атомів кристалічних ґрат вільними електронами провідності. Вони прискорюються зовнішнім електричним полем та віддають надлишок енергії валентним електронам, які відриваючись від атому, стають вільними і, розганяючись електричним полем, в свою чергу, звільняють нові електрони. Виникає лавиноподібне нарощування процесу, яке і приводить до пробою.

Електротепловий пробій обумовлюється стрімким зростанням провідності та втрат у діелектрику при зростанні температури. При цьому порушується рівновага між тепловою потужністю підведеною до діелектрика та відведеною в оточуюче середовище. Це приводить до збільшення струму витоку, тобто до ще більшого зростання температури діелектрика і його руйнування - плавлення, обвуглення або випаповування.

 

Поляризація діелектриків

Якщо до діелектрика прикладається зовнішнє електричне поле, то він поляризується. Сенс поляризації - в оборотному зміщенні зарядів при відповідній орієнтації молекул діелектрика.

В результаті поляризації виникає електричне поле, направлене проти зовнішнього поля.

В діелектриках в залежності від їх структури можуть виникати слідуючи види поляризації: електронна, Іонна, іонно - релаксаційна, дипольно - релаксаційна, електронно - релаксаційна, пружно - дипольна, структурна, ядерного зміщення, спонтанна, залишкова.

Електронна поляризація представляє собою пружне зміщення й деформацію електронних оболонок атомів та іонів. Процес поляризації протікає майже миттєво (10 с). Такі діелектрики використовуються на всіх частотах включаючи і надвисокі частоти.

Електронна поляризація спостерігається у всіх видах діелектриків і не зв'язана з утратою енергії. Тепловий рух молекул на величині електронної поляризації не відображається.

Іонна поляризація зумовлена зміщенням пружного зв'язаних іонів і характерна для твердих діелектриків з іонною будовою. Величина поляризації з підвищенням температури збільшується в результаті ослаблення пружних сил, діючих між іонами, із-за збільшення відстані між іонами при тепловому розширенні. Іонна поляризація відноситься до миттєвих і не залежить від частоти.

Іонно - релаксаційна поляризація (ІРП) спостерігається в неорганічному склі та в деяких кристалічних неорганічних речовинах із негустою скупченістю іонів. В них слабо зв'язані іоні під дією зовнішнього електричного поля отримують допоміжні перекидання в направленні поля. Поляризація цього типу має сповільнений характер. Діелектрики з ІРП на високих частотах не застосовуються.

Дипольно - релаксаційна (ДРП) поляризація визначається поворотом і орієнтацією диполів у направленні поля і зв'язана з тепловим рухом часток. Дипольні молекули, які знаходяться в хаотичному тепловому русі, частично орієнтуються під дією поля, що являється причиною поляризації діелектрика. Якщо зняти зовнішнє електричне поле поляризація зникає.

Час ДРП рівняється 10 ¹⁰-10 ²с. Цей вид поляризації спостерігається у всіх полярних речовинах.

Спонтанна поляризація нелінійно залежить від величини напружності електричного поля і характеризується явно вираженим максимом при певній температурі. Цей вид поляризації супроводжується значним розсіюванням енергії. Він характерний сегнетоелектриків.

Залишкова поляризація характеризується тривалим зберіганням поляризаційного стану в діалектрику після зняття зовнішнього поля. Діалектрики цього типу (електрики) здатні при відсутності зовнішнього поля створювати електричне поле в навколишньому середовищі. Елнктркти можуть використовуватися як джерело електричної енергії.

Класифікація діелектриків

Класифікація електроізоляційних матеріалів можлива по різним ознакам.

Основними з них являються:

Ø по призначенню діелектрики діляться на діелектричні, ізоляційні, конструкційні, покривні та ключі матеріали;

Ø по структурі діелектрики діляться на аморфні та кристалічні;

Ø по ступені дисоціації - на гетерополярні та гомеополярні;

Ø по агрегатному стану діелектрики бувають тверді, рідкі та газоподібні;

Ø по хімічній природі діелектрики діляться на органічні (з'єднання вуглецю з водородом, азотом, кислородом та деякими іншими елементами), елементоорганічні (крім перекислених вище елементів містять атоми кремнію, магнію, алюмінію, титану) та неорганічні (представляють собою іонні сполуки);

Ø по ступеню поляризації діелектрики діляться на полярні, молекули яких завжди мають деякий електричний момент, який відрізняється від нуля, і не полярні, молекули яких отримують "індуктивний" електричний момент тільки при дії зовнішнього електричного поля;

Ø по частотним властивостям - низькочастотні та високочастотні;

Ø по будові діелектрики бувають однорідні та неоднорідні (слоїсті, із наповнювачем, компаунди);

Ø по управлінню властивостями діелектрики поділяються на активні (управляємі) та пасивні. Активні діелектрики можуть змінювати свої електричні властивості під дією різних факторів. До них належать: сегнетоелектрики, діелектрична проникність яких сильно змінюється при зміні напруженості електричного поля та температури; п'єзоелектрики, які генерують електричні заряди під дією механічних напруг і, навпаки, змінюють свої розміри під дією електричного поля. Пасивні діелектрики практично не змінюють своїх властивостей під дією різних зовнішніх факторів.

За походженням діелектрики розподіляються на дві великі групи - органічні та неорганічні.

 

2.Органічні та неорганічні діелектрики.

 

Органічні діелектрики.

До них відносяться речовини, або їх суміші:

- тваринного походження (шовк, віск);

- рослинного походження (папір, гума, каніфоль, мастила, лаки, смоли);

- штуч