1

DIELEKTRYKI

cz.1

WŁASNOŚCI OGÓLNE

DIELEKTRYKI GAZOWE

-

+

-

+

-

+

BUDOWA I WŁASNOŚCI DIELEKTRYKÓW

DIELEKTRYKI TO MATERIAŁY, KTÓRE PRZY BRAKU ZEWNĘ-

TRZNYCH CZYNNIKÓW JONIZUJĄCYCH NIE ZAWIERAJĄ W SWOJEJ
STRUKTURZE ŁADUNKÓW SWOBODNYCH.

W ATOMACH I CZĄSTECZKACH TYCH SUBSTANCJI WYSTĘPUJĄ 

BARDZO SILNE WIĄZANIA.

POD WPŁYWEM POLA ELEKTRYCZNEGO ŁADUNKI ELEKTRYCZNE 

W DIELEKTRYKACH ULEGAJĄ NIEWIELKIM, SPRĘśYSTYM 
PRZESUNIĘCIOM WZGLĘDEM SIEBIE. WIĄZANIA NIE ZOSTAJĄ 
ZERWANE. W WYNIKU PRZESUNIĘĆ DOCHODZI DO ZJAWISKA 
POLARYZACJI DIELEKTRYKA W POLU ELEKTRYCZNYM.

+

+
+
+
+
+
+

_

_
_
_
_
_
_

1

2

3

1,2 – OKŁADZINY 

KONDENSATORA

3 -

DIELEKTRYK

Dielektryk niespolaryzowany 

i spolaryzowany

niespolaryzowany 

spolaryzowany 

4

INDUKCJA ELEKTRYCZNA

[ ]

s

A

q

dA

D

n

1

i

i

E

⋅

=

⋅

=

Φ

∫

∑

=

PRAWO GAUSSA : jeŜeli dowolne ładunki elektryczne zamknięte
zostaną w hipotetycznej powierzchni A, to między strumieniem 
indukcji elektrycznej a ładunkiem zamkniętym w tej powierzchni 
zachodzi następujący związek

5

PRAWO GAUSSA cd.

Między indukcją elektryczną a polem elektrycznym 

zachodzi związek

[

]

2

w

0

m

/

s

A

E

E

D

⋅

⋅

ε

⋅

ε

=

⋅

ε

=

ε

0

–

przenikalność próŜni (8,86 ·10

-12

As/Vm)

ε

w

–

przenikalność względna

ε

–

przenikalność bezwzględna ośrodka

6

Linie sił pola elektrycznego 
i ekwipotencjalne

Pole stałe

Ładunek punktowy

Dipol

2

7

TRWAŁE DIPOLE ELEKTRYCZNE

p

1

p

2

p=p

1

+ p

2

= 0

B

- -

A

+

A

+

B

- -

A

+

A

+

CO

2

H

2

O

p

1

p

2

p# 0

Cząsteczka symetryczna

trwały dipol 

elektryczny –
-posiada trwały 
elektryczny moment 
dipolowy

Cząsteczka niesymetryczna

C

H

H

H

H

metan CH

4

H

C

H

Cl

H

chlorek 
metanu CH

3

Cl

C

Cl

Cl

Cl

Cl

czterochlorek 
węgla  CCl

4

C

Cl

H

Cl

Cl

chloroform CHCl

3

8

DIPOL ELEKTRYCZNY W JEDNORODNYM 

ZEWNĘTRZNYM  POLU ELEKTRYCZNYM 

F’

F’’

F=qE

E

F’’

F=qE

F’

Θ

⋅

⋅

=

Θ

⋅

⋅

=

⋅

=

τ

sin

E

p

sin

l

F

l

F

''

+q

-q

Θ

τ

- moment obracający

l

l

q

p

⋅

=

p

elektryczny moment dipolowy

9

DIPOL ELEKTRYCZNY W JEDNORODNYM 

ZEWNĘTRZNYM  POLU ELEKTRYCZNYM 

F=qE

E

F=qE

0

=

τ

+q

-q

Θ

=0

l

10

WEKTOR POLARYZACJI ELEKTRYCZNEJ

[

]

2

n

1

i

i

0

V

m

/

s

A

V

p

lim

P

⋅

=

∑

=

→

E

P

e

0

⋅

η

⋅

ε

=

(

)

[

]

2

w

0

e

0

0

m

/

s

A

E

E

1

P

E

D

⋅

⋅

ε

⋅

ε

=

η

+

ε

=

+

⋅

ε

=

Wektor polaryzacji elektrycznej

pi - moment dipolowy i-tej cząsteczki

η

e

– podatność elektryczna ośrodka

ε

w

, 

η

e

– są tensorami w ośrodku anizotropowym (D,E i P mają wtedy 

róŜne kierunki) a w izotropowych są skalarami (D,E i P mają wtedy takie 
same kierunki)

Wektor indukcji elektrycznej

p

i

p

1

p

2

11

POLARYZACJA DIELEKTRYKÓW

SPRĘśYSTA (INDUKOWANA):

- ELEKTRONOWA

-ATOMOWA

-JONOWA

POLARYZACJA TEGO TYPU ZACHODZI BARDZO SZYBKO, W CZASIE
RZĘDU 10

-15

– 10

-13

s. JEST BEZSTRATNA, BO CAŁA ENERGIA Z NIĄ

ZWIĄZANA JEST MAGAZYNOWANA W POLU EL. 
PO ZANIKU POLA USTĘPUJE.

RELAKSACYJNA:

-DIPOLOWA

-JONOWA

-SPONTANICZNA

POLARYZACJA TEGO TYPU ZACHODZI DUśO WOLNIEJ. 
JEST ZWIĄZANA ZE STRATAMI. CZĘŚĆ ENERGII Z NIĄ ZWIĄZANA 

JEST MAGAZYNOWANA W POLU EL. A CZĘŚĆ JEST TRACONA. 
PO ZANIKU POLA USTĘPUJE.

12

POLARYZACJE SPRĘśYSTE

ELEKTRONOWA

E= 0

E# 0

q-

q+

l

p=q

·l

Powstaje 

indukowany 
dipol 
elektryczny

o momencie 
dipolowym p :

3

13

ATOMOWA

E= 0

E# 0

Cl-

H+

l

p=q

·l

Cl-

H+

l

p=q

(l+a)

a

Powstaje dodatkowy
moment dipolowy p=qa

14

JONOWA INDUKOWANA

E= 0

E# 0

Powstaje moment dipolowy p 

15

POLARYZACJE RELAKSACYJNE

DIPOLOWA

E= 0

E# 0

16

JONOWA RELAKSACYJNA

E= 0

E# 0

17

SPONTANICZNA

E= 0

E# 0

Polaryzacja dielektryka jest sumą wszystkich rodzajów 
polaryzacji występujących w materiale

P = P

el

+ P

i

+ P

d

+…+ 

Podatność elektryczna jest wypadkową wszystkich 
podatności

ηηηη

= 

ηηηη

el 

+ 

ηηηη

i 

+ 

ηηηη

d

+…+

18

PODSTAWOWE PARAMETRY 

ELEKTRYCZNE DIELEKTRYKÓW

1. PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA

2. REZYSTYWNOŚĆ

3. STRATY DIELEKTRYCZNE

4. WYTRZYMAŁOŚĆ ELEKTRYCZNA

4

19

Ez

U

l

Eo

Qo

Eo=U/l

+

-

U

Eo=U/l

+

-

PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA

Eo

Ew

[ ]

F

l

S

U

Q

C

0

0

0

⋅

ε

=

=

[ ]

F

l

S

U

Q

C

w

0

⋅

ε

⋅

ε

=

=

0

C

C

>

0

Q

Q

>

1

Q

Q

C

C

w

0

w

0

0

0

>

ε

=

ε

ε

⋅

ε

=

=

Q

bo

20

Przenikalność elektryczna względna jest  zaleŜna od:
- stanu skupienia dielektryka,
- rodzaju występujących polaryzacji,
- temperatury,
- częstotliwości zmiennego pola el.

21

Wpływ temperatury

ZaleŜność przenikalności
elektrycznej oleju 
syntetycznego od
temperatury

Niska temperatura –
duŜa lepkość, 
co utrudnia
obrót dipoli

Wzrost temperatury–
lepkość maleje, 
obrót dipoli jest łatwiejszy

Dalszy wzrost temperatury–
lepkość mała,  duŜa 
intensywność ruchów 
cieplnych, co utrudnia
obrót dipoli 

22

T

ε

w

T

ε

w

T

ε

w

5000

-20

o budowie jonowej krystalicznej

o budowie amorficznej

soli Seignette’a

ZaleŜność przenikalności elektrycznej 
dielektryków stałych od temperatury

23

ZaleŜność przenikalności elektrycznej od częstotliwości

24

REZYSTYWNOŚĆ SKROŚNA I POWIERZCHNIOWA

Przewodzenie w dielektrykach jest związane z ruchem jonów. 
Ich liczebność i ruchliwość jest zaleŜna od:
- natęŜenia pola elektrycznego i jego czasu oddziaływania,
- temperatury,
- zawilgocenia,
- promieniowania jonizującego,
- ilości i rodzaju zanieczyszczeń.

Pod wpływem napięcia niewielkie ilości ładunków tworzą prąd
elektryczny – nazywany  prądem upływu

I

u

=I

s

+I

p

I

u

I

s

- prąd skrośny

I

p

- prąd powierzchniowy

W dielektryku występują dwa rodzaje rezystywności:

-

ρρρρ

s

– rezystywność skrośna (we wszystkich rodz. diel.),

-

ρρρρ

p

– rezystywność powierzchniowa (tylko w diel. stałych).

5

25

+

_

dielektryk

prąd

powierzchniowy 

Ip

prąd

skrośny 

Is

Rezystywność skrośna
zaleŜy od 
- temperatury,
- zanieczyszczenia,
- zawilgocenia.

Rezystywność powierzchniowa
zaleŜy od 
- budowy dielektryka,
- zanieczyszczenia,
- zawilgocenia.

26

Pomiar rezystywności skrośnej dielektryków

pA

V

I

s

a

S

1

2

3

1 (S)

2

S

a

R

s

s

⋅

ρ

=

[

]

m

a

S

R

s

s

⋅

Ω

⋅

=

ρ

s

s

I

U

R

=

Rezystancja skrośna

Rezystywność skrośna

a - grubość dielektryka
S – pole elektrody 1

1,2,3 - elektrody

27

Pomiar rezystywności powierzchniowej dielektryków

l

a

R

p

p

⋅

ρ

=

[

]

Ω

=

⋅

Ω

⋅

=

ρ

m

/

m

a

l

R

p

p

p

p

I

U

R

=

Rezystancja powierzchniowa

Rezystywność powierzchniowa

pA

V

I

p

1

2

3

1

2

a

l

a – odległość
między elektrodami
l – długość elektrod

28

STRATNOŚĆ DIELEKTRYCZNA

Straty w dielektrykach są spowodowane :

- prądami upływu,

- polaryzacją relaksacyjną,

- wyładowaniami niezupełnymi,

-niejednorodną strukturą dielektryku (polaryzacja 

Maxwella-Wagnera).

29

I

u

I

a

U

U,I

t

t

ust

t

końc

I

c

WŁĄCZENIE DIELEKTRYKA DO ŹRÓDŁA NAPIĘCIA STAŁEGO

I= Ic+Ia+Iu

Ic - prąd ładowania, związany z polaryzacją spręŜystą (energia potencjalna 

zostaje zmagazynowana w polu elektrycznym i całkowicie odzyskiwana po 
rozładowaniu kondensatora)

Straty mocy w dielektryku:

P=UI

u

=U

2

/R

s

Ia - prąd absorbcyjny związany z polaryzacją relaksacyjną (część energii jest

tracona na obrót dipoli)

Iu - prąd upływu związany z konduktywnością skrośną

I – prąd wypadkowy        I= Ic+Ia+Iu

30

I

U

I

u

R

u

I

a

R

a

C

a

I

c

C

c

U

I

I

u

I

ab

I

ac

I

c

ϕ

δ

WŁĄCZENIE DIELEKTRYKA DO ŹRÓDŁA 

NAPIĘCIA SINUSOIDALNIE ZMIENNEGO

I

a

δδδδ

- kąt stratności dielektrycznej

tg

δδδδ

- współczynnik stratności dielektrycznej

δ

=90°-

ϕ

I

cz

=I

u

+ I

ac

I

b

=I

c

+ I

ab

6

31

I

b

I

cz

I

U

R

C

U

I

I

cz

I

b

ϕ

δ

I

cz

=I

u

+ I

ac

I

b

=I

c

+ I

ab

Q

P

U

I

U

I

I

I

tg

b

cz

b

cz

=

⋅

⋅

=

=

δ

2

U

C

tg

Q

tg

P

⋅

⋅

ω

⋅

δ

=

⋅

δ

=

C

U

C

/

1

1

U

U

X

U

U

I

Q

2

2

b

ω

⋅

=

ω

⋅

=

⋅

=

⋅

=

32

S

a

R

s

ρ

=

s

f

2

1

tg

ρ

⋅

ε

⋅

⋅

π

⋅

=

δ

a

S

C

⋅

ε

=

R

C

f

2

1

C

U

R

U

I

I

tg

b

c

⋅

⋅

⋅

π

⋅

=

⋅

ω

⋅

=

=

δ

33

ZaleŜność tg

δδδδ

od częstotliwości i temperatury

Dielektryki o cząstkach niepolarnych

s

f

2

1

tg

ρ

⋅

ε

⋅

⋅

π

⋅

=

δ

34

Dielektryki o cząstkach polarnych

mała częstotliwość zmian 
pola – mniej obrotów dipoli, 
mniejsze straty

duŜa częstotliwość zmian 
pola – polaryzacja nie 
nadąŜa za tymi zmianami, 
mniejsze straty

niska temperatura – duŜa 
lepkość, co utrudnia obrot
dipoli, mniejsze straty

wyŜsza temperatura 
– zmniejszona 
lepkość, co ułatwia 
obrót dipoli, 
większe straty

wysoka temperatura 
powoduje znaczne 
zmniejszenie 
rezystywności dielektryka, 
rośnie prąd upływu, 
straty wzrastają

wyŜsza temperatura –
lepkość bardzo mała, co 
powoduje, Ŝe są bardzo 
małe opory dla obrotów 
dipoli, straty maleją

35

MOSTEK SCHERINGA (prosty)

4

2

3

X

Z

Z

Z

Z

=

UMOśLIWIA POMIAR : R, C, 

εεεε

w

, tg

δδδδ

, 

badany 
obiekt

kondensator
wzorcowy

elementy
regulacyjne

x

x

x

C

1

j

R

Z

ω

−

=

2

2

C

1

j

Z

ω

−

=

3

3

R

Z

=

4

4

4

4

4

C

1

j

R

R

C

1

j

Z

ω

−

ω

−

=

WARUNEK RÓWNOWAGI MOSTKA

STĄD

4

4

x

x

R

C

R

C

tg

ω

=

ω

=

δ

36

WYTRZYMAŁOŚĆ ELEKTRYCZNA 

DIELEKTRYKÓW

NatęŜenie pola elektrycznego E

p

odpowiadające napięciu 

przebicia U

p

nazywa się wytrzymałością elektryczną.

Dla układu kondensatora płaskiego wynosi ono

E

p

=U

p

/l   [V/m]

Wytrzymałość elektryczna materiałów izolacyjnych jest zaleŜna od:

1. Kształtu elektrod

2. Zawilgocenia

3. Temperatury

4. Grubości warstwy izolacyjnej

5. Rodzaju napięcia

7

37

Wpływ kształtu elektrod na wytrzymałość

x

E

E

x

38

Wpływ zawilgocenia –
wzrost zawilgocenia powoduje znaczne obniŜenie 
wytrzymałości

Wpływ temperatury –
wzrost temperatury prowadzi do pogorszenia własności
dielektryków a tym samym obniŜenia ich wytrzymałości

Wpływ grubości warstwy izolacyjnej – wzrost grubości
pociąga za sobą obniŜenie wytrzymałości

39

stałe

przemienne f=50Hz

udarowe 1,2/50 

µµµµ

s

Wpływ rodzaju napięcia

a

Up

udarowe

stałe

Wytrzymałość dielektryka przy napięciu
udarowym jest większa niŜ przy napięciu 
stałym i przemiennym.

40

TRWAŁOŚĆ MATERIAŁÓW IZOLACYJNYCH

W dielektrykach pod wpływem temperatury zachodzą nieodwracalne
zmiany chemiczne (utlenianie, rozkład) powodujące pogorszenie 
własności dielektrycznych. 
Zjawisko to nazywa się starzeniem cieplnym izolacji i przebiega 
tym szybciej, im wyŜsza jest temperatura.

Trwałość izolacji określa reguła Montsingera:
jeŜeli temperatura pracy zmieni się o 8°C, to

czas Ŝycia zmieni się dwukrotnie.

Czas Ŝycia izolacji określa się wzorem:

bt

e

a

−

⋅

=

τ

41

PowyŜej 250 klasy ciepłoodporności oznacza się symbolami 
numerycznymi, oznaczanymi co 25°C 

KLASY CIEPŁOODPORNOŚCI IZOLACJI

materiały 

izolacyjne 

pochodzenia 

organicznego

materiały 

izolacyjne 

nieorganiczne 

z lepiszczami

materiały 
nieorganiczne 

(mika, porcelana,
kwarc, szkło)

42

PODZIAŁ DIELEKTRYKÓW

DIELEKTRYKI

LOTNE

DIELEKTRYKI

CIEKŁE 
(OLEJE)

DIELEKTRYKI

STAŁE

GAZY

NATURALNE

GAZY

SYNTETYCZNE

POWIETRZE

(PRÓśNIA)

MINERALNE

SYNTETYCZNE

ROŚLINNE

NIEORGA-

NICZNE

ORGANICZNE

8

43

DIELEKTRYKI   LOTNE

GAZY

NATURALNE

GAZY

SYNTETYCZNE

POWIETRZE

(PRÓśNIA)

WODÓR, AZOT, HEL, DWUTLENEK WĘGLA

SZEŚCIOFLUOREK SIARKI, FREON

44

Jonizacja gazów

Proces o charakterze 
losowym. Jonizacja 
elektronowa daje 
większe efekty niŜ 
jonowa

Dostatecznie silne pole el. 

Przekazywanie energii 
kinetycznej 
cząsteczkom 
obojętnym przez 
zderzające się z nimi 
ładunki swobodne, 
głównie elektrony, 
rozpędzone w polu el. 

Jonizacja 
zderzeniowa

Nieznaczne efekty 
jonizacyjne

Istnienie naturalnych 
jonizatorów zewnętrznych

Oddziaływanie 
naturalnych 
czynników 
jonizacyjnych 
(ultrafioletowe 
promieniowanie 
słoneczne, 
radioaktywne 
promieniowanie ziemi, 
promieniowanie 
kosmiczne)

Jonizacja 
naturalna

Uwagi 

Warunki wystąpienia 

jonizacji

Charakter                     

i przyczyny jonizacji

Rodzaj 

jonizacji

2

v

m

W

2

j

⋅

=

j

W

W

≤

∆

45

46

Fotojonizacja bezpośrednia

Proces o 
charakterze 
losowym, istotny 
przy duŜych 
odstępach 
iskrowych. 

Promieniowanie o 
odpowiednio małej długości 
fali oraz powstanie 
fotoelektronów. 

Jonizacja na skutek 
promieniowania 
krótkofalowego 
(ultrafioletowego, 
rentgenowskiego) 
pochodzenia 
zewnętrznego oraz      
z obszaru 
wyładowania (podczas 
procesów 
rekombinacyjnych)

Fotojonizacja 

λ

⋅

=

h

c

W

j

j

W

W

≤

∆

47

Proces o 
charakterze 
losowym, istotny 
w końcowej fazie 
wyładowania, 
gdy przeskok 
iskrowy 
przechodzi w łuk 
elektryczny.

Dostatecznie wysoka 
temperatura gazu. 

Jonizacja przy 
zderzeniach cząstek 
gazu biorących 
udział w ruchach 
cieplnych i 
wzajemnym 
przekazywaniu 
energii kinetycznej 
(odmiana jonizacji 
zderzeniowej)

Jonizacja 
cieplna

T

k

2

3

Wj

⋅

=

j

W

W

≤

∆

48

Energia wyjścia 
elektronu z 
metalu jest na 
ogół większa od 
energii jonizacji. 
Efektywne jest 
bombardowanie 
elektrody jonami.

Energia 
dostarczana z 
zewnątrz, 
większa od 
energii wyjścia 
elektronu dla 
pokonania 
bariery 
potencjału na 
powierzchni 
elektrody

Emisja ładunków 
swobodnych 
(gł.elektronów) z elektrod 
w wyniku:

-termoemisji (nagrzewanie 
elektrod),

-emisji polowej 
(oddziaływanie znacznego 
pola el.),

- fotoemisji (naświetlanie 
powierzchni elektrod),

-emisji wtórnej 
(bombardowanie 
powierzchni metalu 
jonami).

Jonizacja 
powierzchniowa

9

49

DIELEKTRYKI   LOTNE - POWIETRZE

Charakterystyka prądowo-napięciowa 
(jonizacyjna) kondensatora 
powietrznego-płaskiego

jest podtrzymywane
przez czynniki 
pochodzące z obszaru 
wyładowania

jest podtrzymywane 
przez czynniki 
pochodzące z zewnątrz
wyładowania

W powietrzu znajduje się zawsze pewna ilość ładunków swobodnych powstałych 
w wyniku jonizacji naturalnej (promieniowanie kosmiczne, ziemskie itp.)
OA –

liczba ładunków swobodnych docierających do okładzin jest 
proporcjonalna do przyłoŜonego napięcia

BC –

wzrost napięcia nie powoduje wzrostu prądu nasycenia I

s 

C   –

przy napięciu U

j

(napięcie jonizacji) energie elektronów są tak duŜe, Ŝe 

zaczyna się proces jonizacji zderzeniowej

D   -

przy napięciu U

p

dochodzi do jonizacji lawinowej i przebicia 

elektrycznego powietrza

50

51

PRAWO PASCHENA

Charakterystyka Paschena. 
Elektrody płaskie (20°C)

U

p

=U

o

[V]

pd

Długość drogi ładunków
swobodnych ma wpływ na 
wartość krytycznego natęŜenia 
pola przebicia.

λ∼∼∼∼

T/p

Przy stałych T i p droga 
swobodna ładunków a tym 
samym U

p

nie zmienia się.

JeŜeli p i d zmieniają się tak, 
Ŝe ich iloczyn pozostaje 
niezmienny, to napięcie 
przebicia nie ulegnie zmianie

52

Wytrzymałość elektryczna powietrza zaleŜy od:
- kształtu i odstępu elektrod,
- rodzaju napięcia (statyczne, udarowe),
- ciśnienia, temperatury, wilgotności,
- biegunowości elektrod (dla układów o polu nierównomiernym 

np. ostrze – płyta).

a

Up

udarowe

stałe

53