Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

   Электропроводность материала – это способность пропускать через себя электрический ток за счет свободных или почти свободных заряженных частиц. Электропроводность определяется электрическим сопротивлением (ρ) и является его обратной величиной. В твердых диэлектриках ток может проходить как по их объему, так и по поверхности, поэтому различают удельную объемную проводимость γ_V и удельную поверхностную проводимость γ_S, а следовательно, объемное удельное сопротивление ρ_V и поверхностное удельное сопротивление ρ_S, причем их соотношения следующие:

;          .                       (5.9)

   За удельное объемное сопротивление материала принимается сопротивление (R_V) куба этого материала со стороной, равной метру, когда к противоположным граням его приложено напряжение (рис. 5. 9)

 Ом·м,                             (5.10)

где S – площадь электрода, к которому приложено напряжение;

   l – расстояние между электродами.

Рис. 5.9

 

   За удельное поверхностное сопротивление диэлектрика принимается сопротивление (R_S) квадрата его поверхности с любой стороной, когда к противоположным сторонам его приложено напряжение
(рис. 5.10)

 Ом,                       (5.11)

где b – длина одного электрода, соприкасающегося с поверхностью;

   l – расстояние между электродами.

Рис. 5.10

 

   Полное сопротивление диэлектрика складывается из его объемного и поверхностного сопротивлений, соединенных параллельно

 Ом.                            (5.12)

   Рассмотрим электропроводность как количество заряженных частиц, способных к перемещению. Для любого материала, к которому приложено электрическое напряжение, удельная электропроводность зависит от наличия заряженных частиц (электронов, ионов), их количества, способности к перемещению, т. е. подвижности.

Обозначим заряд частицы через q, Кл; количество заряженных частиц, приходящихся на 1 м , через N, 1/м³; подвижность частиц – u через их скорость v, м/с, поле, напряженностью 1 В/м, т. е. , тогда по­лучим формулу для электропроводности:                             

                                    (5.13)

Подставим единицы измерения для каждого члена формулы:

  (5.14)

Для диэлектриков удельное сопротивление очень велико
(ρ ≈ 10³..10¹⁶ Ом·м), и электропроводность, а следовательно, и токи утечки малы. Поэтому диэлектрики служат для изоляции, для накопления за­ряда (конденсаторы) и других подобных целей.

Различают несколько видов электропроводности в зависимости от вида заряженных частиц, осуществляющих её:

а) электронная – носители электроны;

б) ионная (или электролитическая) – носители ионы;

в) молионная (или электрофоретическая) – носители группы молекул;

г) смешанная – носители разные (электроны, ионы, молионы).

Рассмотрим энергетическую диаграмму диэлектриков, чтобы проследить, какие внешние воздействия влияют на электропроводность
(рис. 5.11).

Рис. 5.11

Внизу находится валентная зона (ВЗ), заполненная валентными электронами, выше раcположена зона запрещенных энергий, где нет энергетических уровней (ЗЗ), её величина – Wg (в эВ); вверху находится зона проводимости (ЗП). Если в эту зону попадает электрон, он становится свободным и может участвовать в переносе заряда.

Ширина запрещенной зоны у диэлектриков велика, т. е. Wg  3 эВ, поэто­му диэлектрики имеют большое сопротивление. Если же диэлектрик имеет в своем составе легкопроводящие примеси (ионы), то сопротивление за их счет снижается, возрастают токи утечки. Когда диэлектрик нагревается, возможность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости возрастает, увеличивается диссоциация ионов, несколько растет и подвижность заряженных частиц. Поэтому электропроводность, увеличивается, это увеличение идет по закону экспоненты (рис. 5.12).

Формула для электропроводности при температуре Т:

                                  (5.15)

где А – постоянная для данного диэлектрика, Ом^-1;

    е – основание натурального логарифма: ,  

    k – постоянная Больцмана, 1,38·10^-23 Вт/град;

    Т – абсолютная температура, К;

   W_t – термическая энергия активации, эВ.

 

           Рис. 5.12                         Рис. 5.13

 

Поверхностная электропроводность γ_S сильно зависит от влажности и способности диэлектрика смачиваться или не смачиваться влагой. Гидрофобные диэлектрики (несмачиваюшиеся) слабо изменяют γ_S от влажности среды, а гидрофильные (смачиваемые) довольно сильно. На рис. 5.13 приведены зависимости γ_S от процентного содержания влаги в окружающей среде для фторопласта – 4 (1) – гидрофобного, и плавленного кварца (2) – гидрофильного.

В слабом электрическом поле для диэлектриков соблюдается закон Ома, т. е. их электропроводность постоянна (γ₀). Но в сильных полях           ( > 10⁶ В/м) перестает действовать закон Ома и действует (рис. 5.14) закон Пуля (зависимость построена в полулогарифмическом натуральном масштабе)

,                              (5.16)

где γ₀ – электропроводность в слабом поле;

   α – коэффициент материала (обычно 1 < α < 2);

   Е – напряженность в области сильных полей.

 

Рис. 5.14

 

Обычно в справочных таблицах приводится два удельных сопротивления диэлектрика – объёмное p_v и поверхностное p_s.

Для газов р – велико, но при достижении поля выше ионизационного потенциала сопротивление резко падает. Воздух имеет р ≈ 10¹⁶ Ом·м при нормальных условиях.

Сопротивление жидкостей зависит от присутствия в них примесей, воды. Чистое трансформаторное масло имеет – p = 10¹²…10¹³ Ом·м; вода (дистиллированная) – р = 10⁴...10⁵ Ом·м (вода сильно полярный диэлектрик). Твердые нейтральные диэлектрики, например полистирол имеют               р = 10¹⁴...10¹⁶Ом·м; полярные – оргстекло, винипласт р = 10¹²... 10¹³ Ом·м.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое электропроводность материала?

2. Какие необходимы условия, чтобы в диэлектрике возник ток?

3. Приведите основные формулы для удельного объёмного и поверх­ностного сопротивлений.

4. От каких факторов зависит электропроводность диэлектриков?

5. Какие виды носителей заряда и какие виды электропроводности диэлектриков Вы знаете?

6. Каким образом зависит электропроводность от температуры диэлектрика?

7. Как ведет себя электропроводность в слабых и сильных электрических полях?

8. Как ведет себя поверхностная электропроводность гидрофобных и гидрофильных диэлектриков от процентного содержания в них влаги?

5.3. Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называется активная мощность Р_а, рассеиваемая в диэлектрике при приложении к нему электрического напряжения и вызывающая его нагрев,

 постоянном электрическом поле;        (5.17)

 переменном электрическом поле, (5.18)

где Р_а – активная мощность – диэлектрические потери, Вт;

   U – приложенное напряжение, В;

I – протекающий ток, А;

φ – угол сдвига фаз между током и напряжением.

 

Виды диэлектрических потерь

Различают следующие виды потерь:

1) потери на замедленные виды поляризации;

2) потери на сквозную электропроводность (токи утечки):

3) потери на ионизацию (в газообразных или твердых пористых диэлектриках);

4) потери на структурную неоднородность (в неоднородных диэлек­триках).

5.3.2. Схемы замещения диэлектриков и векторные
диаграммы к ним

Идеальный диэлектрик, который совсем не проводит ток, может быть представлен в постоянном поле как разрыв в элек­трической цепи, а в переменном — как чистая емкость. Схема замещения такого диэлектрика представлена на рис. 5.15; рядом векторная диаграмма тока и напряжения для неё; вектор тока на емкости опережает вектор напряжения на 90° (опережение — против часовой стрелки)

 

Рис. 5.15

 

В таком идеальном диэлектрике диэлектрические потери отсутствуют. Однако реальный диэлектрик всегда имеет токи утечки, которые мож­но представить активным сопротивлением R. Схема замещения такого диэлектрика представлена на рис. 5.16. Рядом векторная диаграмма U и I; вектор тока на активном сопротивлении совпадает с вектором напряжения, а полный ток I является суммой векторов I_c и I_a.

 

      

Рис. 5.16

 

Угол δ дополняет угол сдвига фаз между током и напряжением (φ) до 90° и называется углом диэлектрических потерь. Как видим, чем меньше сопротивление диэлектрика, тем будет больше ток I, и тем больше будет угол δ — угол диэлектрических потерь. Для характеристики потерь пользуются tg угла потерь, чтобы избавиться от размерности угла (градус, ми­нут).

Из векторной диаграммы тока и напряжения определяем:

                                  (5.19)

где ω – круговая частота поля, , где f – линейная частота;

  С – емкость диэлектрика,

                                                                                (5.20)

  R – его активное сопротивление.

Подставив значение тока (I) через tgδ в формулу диэлектрических потерь, получим выражение для Р_а:          

                                           Вт.        (5.21)

Мощность (Р_а) характеризует диэлектрические потери при определенном напряжении, частоте и габаритах изделия. В справочнике приводится tgδ, который характеризует потери в материале, независимо от других факторов (кроме частоты электрического поля).

5.3.3. Зависимость tgδ и Р_а от внешних факторов

Зависимость диэлектрических потерь от различных факторов отра­жает зависимости величин, входящих в формулу потерь, от этих факторов. Например, С зависит от ε, а ε от температуры и частоты. То же самое можно сказать и о электропроводности, ионизации и др.

Посмотрим поведение полярного диэлектрика при изменении температуры. Рассмотрим величины ε, γ, tgδ и Р_а в функции Т (рис. 5.17). На рис. 5.18 показана зависимость этих же параметров от частоты переменного поля.

 

Рис. 5.17                 Рис. 5.18

 

Особенности поведения каждого компонента сказываются на поведении tgδ и Р_а.

Если диэлектрик неоднородный, в нем проявляются особенности каждого входящего в него компонента. В качестве примера рассмотрим поведение tgδ от Т для картона (это полярный диэлектрик на основе целлюлозы), пропитанного полярной жидкостью (маслом).

У целлюлозы максимальные потери наблюдаются при отрицатель­ных температурах, а у масла при положительных. Это отражается на зави­симости tgδ от Т (рис. 5.19).

 

 

Рис. 5.19

 

Величина tgδ приводится в справочных таблицах и характеризует потери в материале. Для полярных диэлектриков значения tgδ лежат в диапазоне десятых или сотых долей единиц, для нейтральных меньше, – тысячных или десятитысячных долей единиц.

Для газов, например воздуха, при напряжениях ниже ионизации, потери малы tgδ ~ 10^-7, но как только напряжение превысит ионизационный потенциал, потери быстро растут.

Примеры tgδ для конкретных изоляционных материалов и их использование; полиуретан (полярный) tgδ = 0,02 – изоляционные платы, каркасы катушек, панели; винипласт (полярный) – tgδ = 0,01 – изоляционные пленки; полистирол (нейтральный) – tgδ = 0,0001 – материал для конденсаторов и изоляции; фторопласт-4 (нейтральный) – tgδ = 0,0002 – изоляционные платы; керамика KM-1 – tgδ = 0,002 – платы для микросхем.

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляют диэлектрические потери?

2. Какие виды потерь вы знаете?

3. Каким параметром представлены потери для диэлектриков в сп­ра­­­во­ч­ных таблицах?

4. Какой электрической схемой замещения можно изобразить ре­альный диэлектрик?

5. Чтo такое угол диэлектрических потерь?

6. Как выглядит векторная диаграмма тока и напряжения для ре­ального диэлектрика?

7. Как выглядит зависимость tgδ и Р_а для полярного диэлектрика в широком диапазоне температур?

8. Напишите формулу для мощности (P_а) потерь в диэлектрике с учетом приложенного напряжения, размеров диэлектрика и особенностей материала.

9. Сопоставьте значения tgδ для полярных и нейтральных диэлектриков (на конкретных примерах).

Пробой диэлектриков

Диэлектрик в электрическом поле теряет свои свойства электроляционного материала, если напряженность поля, превысит некоторое критическое значение. Это явление называется пробоем диэлектрика или нарушением его электрической прочности. Минимальное напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U_пр, а соответствующее ему значение напряженности поля Е_пр – электрической прочностью диэлектрика,

                                                                      (5.22)

где d – толщина диэлектрика, м.

Электрическая прочность Е_пр является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала. На её значение влияет множест­во факторов: однородность поля, вид напряжения, время нахождения ди­электрика под напряжением, частота поля, температура, влажность диэлектрика, его чистота, нагревостойкость и др. Явления, имеющие место в диэлектрике при и после пробоя, определяются видом материала. Так в га­зах, в месте пробоя, образуется канал газоразрядной плазмы, в жидкостях происходит вскипание и газовыделение, сопутствующие образованию проводящего канала, а в твердых диэлектриках в месте пробоя остаётся прожженное или проплавленное отверстие, нередко покрытое изнутри проводящими продуктами разложения.

 

Виды пробоя

Для газообразных, жидких и твердых диэлектриков различают несколько видов пробоя.

1. Ионизационный, связанный с ударной и фотоионизацией. Он ха­рактерен для газообразных и очень чистых жидких диэлектриков. Развива­ется мгновенно (10^-7…10^-8 с). После снятия напряжения прочность таких диэлектриков восстанавливается.

2. Чисто электрический – за счет возникающей лавины электронов. Он характерен для беспримесных твердых однородных и неоднородных материалов с малыми диэлектрическими потерями. Развивается мгновенно (10^-6…10^-7 с), когда скорость электронов v  100 км/с.

3. Электрохимический пробой связан с возникновением хими­ческих процессов в диэлектрике (жидком или твердом) под действием электрического поля – химическое разложение, электролиз и т. п. Развивается медленно (минуты, часы, дни и более).

4. Электротепловой пробой наблюдается в твердых (или жидких) диэлектриках. Обусловлен нарушением теплового равновесия вследствие больших диэлектрических потерь и недостаточности теплоотдачи.

5. Поверхностный пробой. Это пробой в газообразном или жидком диэлектрике, прилегающем к поверхности, твердой изоляции. Он связан с появлением короны, искры, проводящего канала по поверхности.

Рассмотрим немного подробнее наиболее часто встречающиеся виды пробоя.

 

Ионизационный пробой

Ионизационный пробой связан с ударной и фотоионизацией. Рассмотрим его на примере газообразного диэлектрика. Заряженная частица газа, например электрон, в электрическом поле получает направленное ускоренное движение. При этом она приобретает энергию W_част, зависящую от заряда частицы (q), средней длины её свободного пробега (λ_ср) и напряженности поля (Е)

             (5.23)

Если энергия частицы станет равной или больше энергии ионизации данного газа W_ион, то начнется ударная ионизация, приводящая через 10^-6... 10^-7 с. к пробою газа.

Если  то можно записать

                                                (5.24)

 

Энергия ионизации газа при данных условиях (температуре, давлении) величина постоянная. Тогда можно записать, что

 

                                   (5.25)                    

Отсюда следует, что если уменьшить λ_ср, то возрастет Е_пр, а если увеличить λ_ср, то Е_пр уменьшится.

Рассмотрим, как происходит ударная ионизация газа. Схема развития этого пробоя в газе приведена на рис. 5.20. Заряженная частица, энергия которой стала равной энергии ионизации газа, при соударении с нейтральным атомом (молекулой) способна его ионизировать, т. е. выбить у него один или два валентных электрона, а сам атом превратить в положительно заряженный ион. Освободившиеся электроны, ускоряясь в поле, создают новые заряженные частицы (рис. 5.20,а) и т.д.

 

Рис. 5. 20

 

Возникает лавина, состоящая из отрицательно и положительно заряженных частиц, которые и образуют проводящий канал (рис 5.20,б). В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать атом (или молекулу), а перевести его в возбужденное состояние. В следующий мо­мент после удара возбужденный атом отдает свою избыточную энергию в виде излучения – испускает фотон. Фотон, опережая основную лавину (его скорость равна скорости света 10⁸ м/с), может ионизировать другой атом. Такая внутренняя фотоионизация газа приводит к образованию стримеров – частично проводящих каналов, опережающих основную лавину, что приводит к особенно быстрому развитию пробоя (τ ≤ 10^-8 с).

Электрическая прочность газов сильно зависит от однородности по­ля (рис. 5.21). В однородном поле, образующемся, например, между двумя шарами «шар–шар» прочность выше, чем в неоднородном поле, образующемся между шаром и иглой «шар – игла».

Рис. 5 21

 

Электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от давления (рис. 5.22). При давлениях (Р) выше нормального увеличение Е_пр связано с уменьшениям длины свободного пробега электронов λ_ср , а при малых (Р) ниже нормального – уменьшается Е_пр в связи с увеличе-
нием λ_ср.

При давлении меньше 0,5 атм. Е_пр начинает увеличиваться, так как количество частиц газа в объеме уменьшается и затруднено формирование канала проводимости. Пробой при высоком разряжении газа происходит за счет электронов, вырываемых из металла электродов.

Внешней изоляцией во многих электротехнических устройствах – в трансформаторах, конденсаторах, линиях электропередач – является воздух.

 

Рис. 5.22

 

Его электрическая прочность невелика по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками – 3,2 МВ/м. Шестифтористая сера – SF₆ (элегаз) – с большей массой молекулы, чем воздух, имеет прочность ~ 8 МВ/м. Если же в воздух добавить пары хлора, то, реагируя с молекулами воздуха, Сl утяжеляет их и тем самым увеличивает прочность в 6 – 7 раз. Подобное явление наблюдается при введении фтора и других элементов.

Ионизационный пробой тщательно очищенных жидкостей имеет тот же механизм, что и у газов, но электрическая прочность их выше, чем
га­зов - 30 ... 80 МВ/м. Это объясняется тем, что требуется большая напря­женность поля для ионизации молекул жидкости, т. к. ее заряженная частица обладает меньшей длиной свободного пробега в более плотной среде, какую имеет жидкость по сравнению с газом. При снятии напряжения по­сле, такого вида пробоя свойства газов (жидкостей) восстанавливаются. Жидкие диэлектрики применяются в качестве изолирующей и охлаждающей среды, для пропитки твердых пористых материалов.