Материал: Основы механики

Rиз=U/ i ск (1.7)

Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Электропроводность газа, под действием внешних ионизаторов (рентгеновы лучи, ультрафиолетовые лучи, космические лучи, термическое воздействие (сильный нагрев газа)) называется несамостоятельной.

Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией (возникает, когда кинетическая энергия заряженных частиц, приобретаемая под действием электрического поля, достигает больших значений) называется самостоятельной. В слабых полях ударная ионизация отсутствует.

Процесс воссоединения положительных ионов с отрицательными частицами называется рекомбинацией (образование нейтральных молекул).

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги; в полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Невозможность полного удаления диссоциацией примесей из жидкого диэлектрика затрудняет получение электроизоляционных жидкостей с малыми значениями удельной проводимости.

Полярные жидкости всегда имеют повышенную проводимость по сравнению с неполярными, причем возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости. Сильно полярные жидкости отличаются настолько высокой проводимостью, что их рассматривают как проводники с ионной электропроводностью.

При длительном пропускании электрического тока через нейтральный жидкий диэлектрик наблюдается рост сопротивления за счёт электрической отчистки. С увеличением toС растёт подвижность ионов в связи с уменьшением вязкости, что повышает электропроводность.

Электропроводность твёрдых тел обуславливается передвижением, как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов.

При сильных электрических полях - электронная электропроводность преобладает. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной - этого явления нет. Наблюдается частичная электрическая очистка ионов примеси.В твёрдых диэлектриках ионного строения электропроводность возникает за счёт перемещения ионов, освобождаемых тепловым движением.

В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей, удельная проводимость их мала.

Для твердых электроизоляционных материалов необходимо различать объемную и поверхностную проводимость. Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием влаги или загрязнений на поверхности диэлектрика. Вода отличается, как указывалось выше, значительной удельной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость, определяемая в основном толщиной этого слоя. Однако, поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем я лучше она отполирована.

Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери в диэлектриках наблюдается как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига ц между током и напряжением в емкостной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлектрических потерь д будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига ц и тем больше угол д и его функция tg д

Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия, и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором использован данный диэлектрик, а следовательно, и величину затухания.

При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно характеризовать это явление поляризации кривыми. представляющими зависимость электрического заряда на электродах конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения.

Рисунок 4 Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), с потерями (б).

При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения (рис. а) и такой диэлектрик называется линейным. Если в линейном диэлектрике наблюдается замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рис.6), Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения напряжения.

Для нелинейного диэлектрика - сегнетоэлектрика - кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид петли гистерезиса, характерной для магнитных материалов и в этом случае площадь петли пропорциональна потерям энергии за один период.

При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указывалось выше, значениями объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Контрольные вопросы

• 1. Электропроводность диэлектрика.
• 2. Основные понятия.
• 3. Диэлектрические потери.

Конспект лекции №3

Пробой диэлектриков. Общая характеристика явления пробоя. Виды пробоев

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, при превышении напряжения некоторого критического значения, теряет свойства электроизоляционного материала. Это явление называется пробоем диэлектрика или нарушение его электрической прочности. Соответствующее значение напряжения (критического) называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля - электрической прочностью диэлектрика.

(1.8)

где h - толщина диэлектрика.

Пробой газа обусловлен явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных и тепловых процессов. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля.

Тепловой пробой возникает из-за уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле вплоть до его термического разрушения. Электрический пробой связан с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле.

Пробой газов явление электрическое. Все численные результаты экспериментов относятся к амплитудным значениям напряжений. Тепловые процессы разрушают жидкие и твердые диэлектрики и численные значения Uпр относятся к действующим. Внешней изоляцией во многих видах электротехнической конструкции служит воздух. Электрическая прочность воздуха мала. Жидкие диэлектрики имеют более высокую, чем у газов, электрическую прочность в нормальных условиях.

Различают 4 вида пробоев твердых диэлектриков:

• 1. Электрический пробой однородных макроскопических диэлектриков (вид пробоя характеризуется быстрым развитием за время меньше 10-7 - 10-8 сек., не обусловлены тепловой энергией, хотя электрическая прочность зависит от температуры).
• 2. Электрический пробой неоднородных диэлектриков (тоже быстро развивается, характерен для технических диэлектриков, содержащие газовые включения).
• 3. Тепловой пробой (нарушается тепловое равновесие, когда количество теплоты, выделяемое за счет диэлектрических потерь, больше количества теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях, приводит к расплавлению и обугливанию).
• 4. Электрохимический пробой (возникает при электрохимическом старении: имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха, наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале происходит процесс старения диэлектрика). Это приводит к пробою при напряженности значительно ниже пробивной напряженности. Этот вид пробоя требует для развития длительное время.