Тема 3.1 Физика диэлектриков

В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивает­ся в виде тепла. Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики.

«Основные электрические свойства диэлектриков»

Основные электрические свойства диэлектриков и их характе­ристики приведены в табл. 8

Таблица 8 Электрические свойства диэлектриков и их характеристики

№	Свойство	Характеристика	Обозначение
Поляризация	Относительная диэлек­трическая проницаемость	ε
Электропроводность	Удельное электрическое сопротивление	ρ, Омм
Диэлектрические потери	Тангенс угла диэлектриче­ских потерь	tgδ
Электрическая проч­ность	Пробивная напряженность	Епр, МВ/м

«Поляризация диэлектриков»

Способность диэлектрика к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью

Различают следующие виды поляризации:

«Влияние температуры на поляризацию диэлектриков»

Изменение относительной диэлектрической проницаемости при изменении температуры характеризуется температурным коэффи­циентом

«Электропроводность диэлектриков»

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике до момента установления равновесного состояния происходят во времени, создавая поляризационные токи или токи смещения.

При дипольно-релаксационной поляризации токи смещения на­зывают еще абсорбционными токами i_абс. При постоянном на­пряжении абсорбционные токи возникают только в моменты вклю­чения и выключения напряжения. Наличие в технических диэлек­триках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине токов сквозной проводимости i_ск. Та­ким образом, полный ток в диэлектрике, называемый током утеч­ки, складывается из абсорбционного и сквозного (рис.17)

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется величиной сквозного тока. При переменном напряжении проводимость определяется сквозным током и абсорбционными то­ками замедленных механизмов поляризации.

У твердых диэлектриков различают объемную и поверхностную электропроводность, которую оценивают, соответственно, удель­ным объемным сопротивлением (ρ, Омм) и удельным поверхностным сопротивлением (p_s, Ом).

Рисунок 17 Изменение тока утечки в твердом диэлектрике

Удельное объемное сопротивление численно равно сопро­тивлению куба с ребром в 1 м, если ток проходит через две проти­воположные грани. В случае плоского образца в однородном поле

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата любых размеров, если ток проходит через две противоположные стороны

Рисунок 18 Схема определения удельного поверхностного сопротивления p_s твердого диэлектрика

Полная проводимость диэлектрика, соответствующая сопро­тивлению изоляции R_из, складывается из объемной и поверхностной проводимостей.

Электропроводность диэлектриков зависит от концентрации свободных носителей заряда, температуры и влажности среды. Примеси являются дополнительными источниками ионов и увели­чивают электропроводность.

С повышением температуры растут подвижность носителей за­ряда и их количество, поэтому электропроводность диэлектриков возрастает, а сопротивление падает.

Увеличение влажности среды практически не оказывает влия­ния на проводимость неполярных диэлектриков, так как они не сма­чиваются водой. Полярные диэлектрики смачиваются водой, а вода является источником ионов. Кроме того, при наличии влаги может происходить частичная диссоциация молекул диэлектрика и приме­сей, что приводит к возрастанию электропроводности.

« Диэлектрические потери»

При приложении переменного напряжения к конденсатору с идеальным диэлектриком угол сдвига фаз между током и напряже­нием φ = 90° (рис. 19,а), δ = 0, тепловых потерь нет.

Для расчета потерь мощности в реальном диэлектрике при воз­действии переменного напряжения используют эквивалентную схе­му, заменив конденсатор с реальным диэлектриком на идеальный конденсатор с параллельно (или последовательно) включенным ак­тивным сопротивлением (рис. 19,6). Потери мощности Р_а (Вт) вызы­вает активная составляющая тока

Виды диэлектрических потерь:

• потери от сквозной проводимости (на электропроводность);

Рисунок 20 Зависимости диэлектрических потерь от частоты тока (а) и температу­ры (б)

Потери сквозной проводимости возрастают с ростом темпера­туры по экспоненциальному закону (рис. 20,6).

Релаксационные потери характерны для диэлектриков с за­медленными видами поляризации. Они наблюдаются в полярных жидкостях с дипольно-релаксационной поляризацией, а также у ли­нейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации (неорганические стек­ла, полимеры, керамика, кристаллические вещества, с неплотной упаковкой атомов и др.).

Релаксационные потери сильно зависят от температуры и час­тоты поля. При низких температурах время релаксации поляризации велико (t_о»1/ω)), tgδ мал. С повышением температуры сте­пень поляризации молекул увеличивается, и tgδ возрастает. При температуре, соответствующей наибольшему развитию дипольно-релаксационной поляризации (время релаксации приближается к периоду изменения поля), tgδ достигает максимального зна­чения. При дальнейшем повышении температуры время релаксации становится меньше времени периода изменения поля, ориенти­рующее влияние поля ослабевает, релаксационные потери умень­шаются, однако с учетом потерь на электропроводность общие по­тери возрастают. С ростом частоты поля релаксационные потери увеличиваются, так как возрастает отставание поляризации от изменения поля.

Ионизационные потери в диэлектрике обусловлены процес­сами ионизации под действием электрического поля. Они свойст­венны диэлектрикам в газообразном состоянии и проявляются в не­однородных электрических полях при напряженностях, превышаю­щих значение, соответствующее началу ионизации данного газа.

«Пробой диэлектриков»

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля — электрической прочностью диэлектрика.

Пробивное напряжение обозначается U_пр и измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

где h — толщина диэлектрика.

Удобные для практических целей численные значения электрической прочности диэлектриков получаются, если пробивное напряжение выражать в киловольтах, а толщину диэлектрика — в миллиметрах. Тогда электрическая прочность будет в кВ/мм. Для сохранения численных значений и перехода к единицам системы СИ можно пользоваться единицей МВ/м:

1МВ/м= 1кВ/мм= 10 6 В/м.

Пробой газа обусловливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них сторонних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля.

Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.

Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.

При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под воздействием электрического поля.

Из изложенного следует, что пробой газов — явление чисто электрическое. Поэтому все численные данные по пробою газов относятся к максимальным (амплитудным) значениям напряжения.
Поскольку в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков
существенную роль играют тепловые процессы, то в случае приложения к диэлектрикам переменного напряжения численные значения пробивного напряжения относятся к действующим (эффективным).

«Тепловой и электрохимический пробой твердых диэлектриков»

Электротепловой (сокращенно тепловой) пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов:

частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано нагревостойкостью материала. Органические диэлектрики вследвие малой нагревостойкости при прочих равных условиях имеют более низкие значения пробивных напряжений при тепловом пробое, чем неорганические. При расчетах напряжения теплового пробоя

должны приниматься во внимание tg б диэлектрика и его зависимость от температуры, а также диэлектрическая проницаемость материала. В цепях переменного тока низкой частоты находят применение материалы, дающие резкое возрастание tg δ уже при нагреве выше 20—30° С; с другой стороны, известны диэлектрики, значение tg δ которых мало меняется в очень широком интервале температур, вплоть до 150—200° С; в последнем случае тепловой

пробой сможет развиваться только при достижении этих температур.

Температура нагрева изолятора в электрическом поле высокого напряжения устанавливается тогда, когда тепловыделение оказывается равным теплоотдаче в окружающую среду. В большинстве случаев теплоотвод обусловливается конвекцией воздуха. Таковы условия работы подвесных и опорных изоляторов, керамических конденсаторов, каркасов катушек индуктивности. Теплоотвод за счет теплопроводности окружающей среды имеет место для кабелей, вводов, вмонтированных в стены. Обычно при расчете изоляторов выбирают такое рабочее напряжение, соответствующее установившейся температуре, чтобы температура нагрева не превосходила некоторого заданного значения, опасного с точки зрения нагревостойкости диэлектрика.

С увеличением приложенного к изолятору напряжения возрастает реактивная мощность, вызывающая рост тепловыделения и нагрев изолятора.

Для того чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого
при заданной температуре с поверхности изолятора:

Электрохимический пробой изоляционных материалов имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции.

Такое явление часто называют также старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании.

Ранее считалось, что старение свойственно лишь органическим диэлектрикам (пропитанная бумага, резина и т. д.), в которых оно обусловлено прежде всего развитием ионизационного процесса в воздушных включениях; ионизация связана с выделением озона и окислов азота, приводящих к постепенному химическому разрушению изоляции. Позднее было показано, что явление старения может иметь место и в некоторых неорганических диэлектриках, например в титановой керамике.

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО₂), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.

Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое, наблюдаемом при постоянном напряжении и низких частотах в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха, большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.

Источник

Диэлектрики и их свойства, поляризация и пробивная напряженность диэлектриков

Диэлектрики, или непроводники, представляют большой важный для практических целей класс веществ, применяющихся в электротехнике. Они служат для изоляции электрических цепей, а также для сообщения электрическим устройствам особых свойств, позволяющих более полно использовать объем и вес материалов, из которых они изготовлены.

Диэлектриками могут быть вещества во всех агрегатных состояниях: в газообразном, жидком и твердом. В качестве газообразных диэлектриков в практике используются воздух, углекислота, водород как в нормальном, так и в сжатом состояниях.

Все перечисленные газы имеют практически бесконечно большое сопротивление. Электрические свойства газов изотропны. Из жидких веществ свойствами диэлектрика обладают химически чистая вода, многие органические вещества, естественные и искусственные масла (трансформаторное масло, совол и т. д.).

Жидкие диэлектрики также имеют изотропные свойства. Высокие изоляционные качества этих веществ зависят от чистоты.

Например, изоляционные свойства трансформаторного масла при поглощении из воздуха влаги снижаются. Наиболее широко применяются в практике твердые диэлектрики. К ним относятся вещества неорганического (фарфор, кварц, мрамор, слюда, стекло и т. п.) и органического (бумага, янтарь, резина, различные искусственные органические вещества) происхождения.

Большинство из этих веществ отличаются высокими электрическими и механическими качествами и применяются для изоляции электротехнических устройств, рассчитанных на эксплуатацию внутри помещения и на открытом воздухе.

При некоторых условиях в диэлектриках происходит расщепление молекул на ионы (например, под действием высокой температуры или в сильном поле), в этом случае диэлектрики теряют свои изолирующие свойства и становятся проводниками.

Диэлектрики обладают свойством поляризоваться и в них возможно длительное существование электростатического поля.

Отличительной особенностью всех диэлектриков является не только большое сопротивление прохождению электрического тока, определяемое наличием в них небольшого числа электронов, свободно перемещающихся во всем объеме диэлектрика, но и изменение их свойств под действием электрического поля, которое называется поляризацией. Поляризация оказывает большое влияние на электрическое поле в диэлектрике.

Одним из основных примеров применения диэлектриков в электротехнической практике является изоляция элементов электрических устройств от земли и друг от друга, поэтому пробой изоляции нарушает нормальную работу электрических установок, приводит к авариям.
Чтобы избежать этого, при проектировании электрических машин и установок изоляцию отдельных элементов выбирают с таким расчетом, чтобы, с одной стороны, нигде в диэлектриках напряженность поля не превосходила их электрической прочности, и, с другой стороны, чтобы изоляция в отдельных звеньях устройств использовалась возможно более полно (без излишних запасов).
Для этого в первую очередь необходимо знать, как распределяется электрическое поле в устройстве. Тогда подбором соответствующих материалов и их толщины можно удовлетворительно решить указанную выше задачу.

Если электрическое поле создается в вакууме, то величина и направление вектора напряженности поля в данной точке зависят только от величины и места расположения зарядов, создающих поле. Если же поле создается в каком-либо диэлектрике, то в молекулах последнего, происходят физические процессы, оказывающие влияние на электрическое поле.

Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее получается результирующее поле, тем меньше становится его напряженность в каждой точке при тех же зарядах, создающих основное поле, а следовательно, диэлектрическая проницаемость такого диэлектрика больше.

Если диэлектрик находится в переменном электрическом поле, то смещение электронов становится также переменным. Этот процесс приводит к усилению движения частиц и, следовательно, к нагреванию диэлектрика.

Чем чаще изменяется электрическое поле, тем сильнее нагревается диэлектрик. На практике это явление используется для нагрева влажных материалов с целью их сушки или получения химических реакций, происходящих при повышенной температуре.

Полярные и неполярные диэлектрики

Хотя диэлектрики практически не проводят электричества, тем не менее под действием электрического поля они изменяют свои свойства. В зависимости от строения молекул и характера воздействия на них электрического поля диэлектрики делятся на два вида: неполярные и полярные (с электронной и ориентационной поляризацией).

В неполярных диэлектриках, если они не находятся в электрическом поле, электроны обращаются по орбитам, имеющим центр, совпадающий с центром ядра. Поэтому действие этих электронов можно рассматривать как действие отрицательных зарядов, находящихся в центре ядра. Поскольку в центре ядра сосредоточены и центры действия положительно заряженных частиц — протонов, то во внешнем пространстве атом воспринимается как электрически нейтральный.

В такой системе положительный заряд оказывается смещенным в направлении напряженности поля, отрицательный заряд — в противоположном направлении. Чем больше напряженность внешнего поля, тем больше и относительное смещение зарядов в каждой молекуле.

При исчезновении поля электроны возвращаются в исходные состояния движения относительно ядра атома и диэлектрик опять становится нейтральным. Указанное выше изменение свойств диэлектрика под влиянием поля называется электронной поляризацией.

В полярных диэлектриках молекулы представляют собой диполи. Находясь в хаотическом тепловом движении, дипольный момент все время меняет свое положение. Это приводит к компенсации полей диполей отдельных молекул и к тому, что вне диэлектрика, когда внешнего поля нет, макроскопическое поле отсутствует.

При воздействии на эти вещества внешнего электростатического поля диполи будут поворачиваться и располагаться осями вдоль поля. Этому полностью упорядоченному расположению будет препятствовать тепловое движение.

При небольшой напряженности поля происходит лишь поворот диполей на некоторый угол в направлении поля, определяемый равновесием между действием электрического поля и эффектом от теплового движения.

С возрастанием напряженности поля поворот молекул и соответственно степень поляризации возрастают. В таких случаях расстояние а между зарядами диполей определяется средним значением проекций осей диполей на направление напряженности поля. Кроме такого вида поляризации, которая называется ориентационной, в этих диэлектриках возникает также и электронная поляризация, вызываемая смещением зарядов.

Описанные выше картины поляризации являются основными для всех изолирующих веществ: газообразных, жидких и твердых. В жидких и твердых диэлектриках, в которых средние расстояния между молекулами меньше, чем в газах, явление поляризации усложняется, так как кроме смещения центра орбиты электронов относительно ядра или поворота полярных диполей наблюдается еще взаимодействие между молекулами.

Поскольку в массе диэлектрика отдельные атомы и молекулы лишь поляризуются, а не распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы, в каждом элементе объема поляризованного диэлектрика заряды обоих знаков равны. Поэтому диэлектрик во всем своем объеме остается электрически нейтральным.

Исключение представляют заряды полюсов молекул, находящихся у граничных поверхностей диэлектрика. Такие заряды образуют тонкие заряженные слои у этих поверхностей. В однородной среде явление поляризации можно представить как стройное расположение диполей.

Пробивная напряженность диэлектриков

При нормальных условиях диэлектрик обладает незначительной электропроводностью. Это свойство сохраняется, пока напряженность электрического поля не увеличится до некоторого предельного для каждого диэлектрика значения.

В сильном электрическом поле происходит расщепление молекул диэлектрика на ионы и тело, которое в слабом поле было диэлектриком, становится проводником.

Пробой происходит различно в газообразных, жидких и твердых веществах и зависит от ряда условий: от однородности диэлектрика, давления, температуры, влажности, толщины диэлектрика и т. д. Поэтому, указывая значение электрической прочности, обычно оговаривают эти условия.

Для материалов, работающих, например, в закрытых помещениях и не подвергающихся атмосферному влиянию, устанавливаются нормальные условия (например, температура +20° С, давление 760 мм). Нормируется также влажность, иногда частота и т. д.

Газы обладают сравнительно низкой электрической прочностью. Так, пробивной градиент воздуха при нормальных условиях составляет 30 кв/см. Преимущество газов заключается в том, что после пробоя быстро восстанавливаются их изолирующие свойства.

Жидкие диэлектрики отличаются несколько более высокой электрической прочностью. Отличительным свойством жидкостей является хороший отвод тепла от нагреваемых при прохождении тока по проводникам устройств. Наличие примесей, в частности воды, значительно снижает электрическую прочность жидких диэлектриков. В жидкостях, как и в газах, восстанавливаются их изолирующие свойства после пробоя.

Твердые диэлектрики представляют обширный класс изоляционных материалов как естественного, так и искусственного происхождения. Эти диэлектрики имеют самые различные электрические и механические свойства.

Применение того или другого материала зависит от требований, предъявляемых к изоляции данной установки и условий ее работы. Большой электрической прочностью отличаются слюда, стекло, парафин, эбонит, а также различные волокнистые и синтетические органические вещества, бакелит, гетинакс и т. п.

Если кроме требования высокого пробивного градиента к материалу предъявляется и требование большой механической прочности (например, в опорных и подвесных изоляторах, для защиты аппаратуры от механических воздействий), широко применяется электротехнический фарфор.

В таблице приведены значения пробивной напряженности (при нормальных условиях и в однородном постоянном ноле) некоторых наиболее распространенных диэлектриков.

Значения пробивной напряженности диэлектриков

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник