Диэлектрики. Общие сведения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диэлектрики. Общие сведения

диэлектрик пробой гемант ионизация

Все вещества по электрическим свойствам условно делятся на три группы - проводники, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочными связями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в их состав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться под влиянием приложенной разности потенциалов. В отличие от диэлектриков в проводниках электрического тока электрические заряды не имеют таких связей, поэтому в проводниках электроны могут свободно перемещаться, создавая явление электрического тока. Практически в диэлектриках в силу ряда причин всегда имеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных перемещаться внутри вещества на большие расстояния. Иными словами, диэлектрики не являются абсолютными непроводниками электрического тока. Однако в нормальных условиях таких зарядов в диэлектриках очень мало, и обусловленный ими электрический ток, называемый током утечки, невелик. Проводимость диэлектриков проводимости проводников. Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие удельную электрическую проводимость не больше 10^-7 - 10^-8 См/м, проводникам - имеющие проводимость больше 10⁷ См/м. К диэлектрикам относятся все газы (включая пары металлов), многие жидкости, кристаллические, стеклообразные, керамические, полимерные вещества. Поскольку свойства вещества сильно зависят от его агрегатного состояния, обычно рассматривают отдельно физические явления в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.

В последние годы исследования механизма ионизации, электрической проводимости и пробоя жидких диэлектриков получили большое развитие в связи с важной ролью, которую эти явления играют во многих современных разделах физики, химии, техники и радиобиологии. Исследования жидких диэлектриков тесно связаны с физикой плазмы, физикой полупроводников, дозиметрией ионизирующего излучения, физикой и техникой электрической прочности материалов и т.д. Исследования механизма ионизации и электрической проводимости жидких диэлектриков имеют большое значение для так называемой физики здоровья и для медицины. Результаты этих исследований заполняют большой пробел в наших знаниях о механизме ионизации в газах и в жидкостях, а в особенности ионизации тканей и всего живого организма. Знания эти играют в настоящее время очень большую роль как в радиологии, так и во многих более общих проблемах, связанных с воздействием ионизирующего излучения на материю.

Законы теплового движения атомов и молекул в жидкостях особенно сложны. С одной стороны, расстояния между молекулы (атомами) жидкости почти такое же, как в твёрдом теле, поэтому поступательные перемещения ограничены и тепловое движение носит главным образом колебательный характер. С другой - в отличие от твёрдого тела при определённых условиях в жидкостях появляется возможность кооперативного перемещения одних групп молекул относительно других, что обусловливает её текучесть. Ещё одна особенность, отличающая жидкое состояние от газообразного: благодаря большим силам взаимодействия молекула, находящаяся в фиксированном положении (в состоянии колебания около определённой точки), вызывает известное упорядочение в расположении ближайших к ней молекул. Это упорядочение называют «ближним порядком».

В технически чистых жидких диэлектриках всегда содержатся те или иные примеси, обычно легче диссоциирующие, чем основной диэлектрик, поэтому проводимость в них сильно зависит от чистоты жидкости: на собственную проводимость диэлектрика накладывается примесная проводимость. В зависимости от природы жидкого диэлектрика в нём могут быть разные диссоциирующие примеси. Например, нефтяному электроизоляционному маслу сопутствуют некоторые органические кислоты; само масло является химически нейтральным углеводородом. Эти кислоты благодаря лёгкой диссоциации заметно повышают удельную проводимость масла. Загрязнением в жидком диэлектрике, в частности в том же масле, является и вода, попадающая в него непосредственно из атмосферного воздуха благодаря известной гигроскопичности масла.

Вода в жидком диэлектрике может быть в трёх состояниях: а) молекулярно-растворённое; б) в виде эмульсии, то есть в виде мельчайших капель, находящихся в жидком диэлектрике во взвешенном состоянии; в) в виде избыточной воды, не удерживающейся в эмульсии, выпадающей из неё. Избыточная вода или тонет в диэлектрике, если его плотность меньше 1000 кг/м³ (например, нефтяное масло), или всплывает на его поверхности, если плотность диэлектрика больше 1000 кг/м³ (например, хлорированный дифенил - совол).

Лёд обычно всплывает на поверхность трансформаторного масла.

Вода в жидком диэлектрике может переходить из одного состояния в другое при изменении температуры за счёт изменения растворяющей способности диэлектрика. При повышении температуры растворяющая способность увеличивается и эмульсионная вода полностью или частично переходит в молекулярно растворённое состояние, а избыточная вода - в эмульсионное в зависимости от значения температуры. При понижении температуры происходит обратный процесс. При длительном воздействии высокой температуры сказывается эффект сушки (испарения воды) жидкого диэлектрика. Гигроскопичность жидкости зависит от её состава и от наличия полярных молекул. Полярные молекулы, как правило, отличаются большой активностью, поэтому полярные жидкости легче смешиваются с различными примесями и загрязнениями.

Например: молекулярная растворимость воды в масле очень мала вследствие очень большой разницы между размерами молекул воды и масла. Межмолекулярные силы взаимодействия в этом случае препятствуют смешению масла и воды. Количество воды, поглощаемое маслом из воздуха до равновесного состояния, пропорционально относительной влажности воздуха. Скорость насыщения любой жидкости влагой, поглощаемой из атмосферного воздуха, увеличивается с увеличением поверхности соприкосновения. При наличии в нефтяном масле полярных примесей его гигроскопичность повышается, поэтому у окислившихся масел с повышенным кислотным числом влагопоглощение больше, сем у свежих.

Известно, что в составе жидких углеводородов могут быть молекулы разной структуры, что также сказывается на гигроскопичности. В частности масло со значительным содержанием ароматических углеводородов отличается повышенной гигроскопичностью.

Жидким загрязнением может быть не только вода, но и какая-либо другая посторонняя жидкость.

Остановимся на растворимости в масле различных газов. Жидкие диэлектрики в обычных условиях всегда содержат растворённый газ; в частности, большой способностью к растворению газов отличается нефтяное масло. Разные газы по-разному растворяются в жидкости. Эта их способность обычно определяется в процентах по объёму (коэффициент растворимости). Для примера ниже приведены значения коэффициента растворимости в масле для некоторых газов: воздух 9.4; азот 8.6; кислород 16; углекислый газ 120; водород 7.

Благодаря этому состав воздуха, растворённого в масле, отличается от состава атмосферного воздуха. Обычно атмосферный воздух содержи 78% азота и 21% кислорода (по объёму), а в масле соотношение их будет таким: 69.8% азота и 30.2% кислорода.

Изменение температуры по-разному влияет на растворимость газов в масле. Например, при повышении температуры от 20 до 80⁰С растворимость водорода и азота увеличивается, кислорода несколько понижается, а углекислого газа резко падает.

Рассмотри ионную электропроводность жидких диэлектриков как основной её вид. Собственная ионная проводимость зависит от способности молекул к диссоциации. Легче диссоциируют молекулы, обладающие чисто ионными связями, так называемые гетерополярные. Диссоциация молекул жидкости происходит и без воздействия электрического поля; установлено, что отношение количества диссоциированных молекул в данном объёме жидкостей к их общему количеству, называемое степенью диссоциации, зависит от относительной диэлектрической проницаемости жидкости. В соответствии с этим правилом полярные жидкости, имеющие большую диэлектрическую проницаемость, имеют повышенную степень диссоциации и повышенную собственную проводимость. У жидкостей неполярных, например нефтяного электроизоляционного масла, собственная проводимость очень мала из - за слабой способности молекул углеводородов к диссоциации. У таких жидкостей электропроводность в основном носит примесный характер, а проводимость зависит как от свойств примеси, так и от её содержания в диэлектрике. Полярные жидкости особенно чувствительны к примесям. Это объясняется тем, что степень диссоциации молекул примесей в жидкости с большой относительной диэлектрической проницаемостью выше, чем в жидкости с малой диэлектрической проницаемостью. В связи с такой особенностью полярных жидкостью у них часто бывает затруднительно отделить собственную проводимость от примесной.

Рассмотрим закономерности молионной электропроводности. При помощи современных оптических микроскопов с большой разрешающей способностью в жидкости можно обнаружить коллоидные частицы разного происхождения и проследить за характером их движения в электрическом поле. Коллоидные частицы переносятся электрическим полем к электроду определённого знака (при определённом напряжении). Для коллоидных частиц примесной жидкости знак заряда частицы зависит от соотношения относительных диэлектрических проницаемостей основной жидкости и примесей. Если относительная диэлектрическая проницаемость примеси меньше, чем основной жидкости, то частицы примеси заряжаются отрицательно, в противном случае - положительно. В случае неоднородного электрического поля коллоидные частицы стремятся в зону максимальной напряжённости электрического поля, к электроду соответствующего знака, вследствие этого концентрация загрязнений здесь сильно повышается за счёт известного снижения её в других зонах. Вообще при молионной электропроводности со временем частицы загрязнений сосредоточиваются у электродов, и таким образом происходит очистка жидкостей от загрязнений. При переменном напряжении вследствие непрерывного изменения направления движения коллоидных частиц эффект очистки от них не наблюдается. Вследствие эффекта очистки с течением времени после включения постоянного напряжения удельное сопротивление жидкости увеличивается.

Пробой - потеря электрической прочности под действием напряжённости электрического поля - может иметь место как в образцах различных диэлектриков и систем изоляции, так и в электроизоляционных системах любого электротехнического устройства - от мощных генераторов и высоковольтных трансформаторов до любого бытового прибора. Сочетание в системах изоляции материалов, разных по электрической прочности, может приводить к серьёзным осложнениям в эксплуатации самых разнообразных электротехнических устройств, особенно высокого напряжения, где изоляция работает в сильных электрических полях и может возникнуть её пробой.

Причины пробоя бывают различными; не существует поэтому единой универсальной теории пробоя. В любой изоляции пробой приводит к образованию в ней канала повышенной проводимости, достаточно высокой, чтобы произошло короткое замыкание в данном электротехническом устройстве, создающее аварийную ситуацию, по существу выводящую это устройство из строя. Однако в этом отношении пробой может проявлять себя в разных системах изоляции по-разному. В твёрдой изоляции, как правило, канал пробоя сохраняет высокую проводимость после выключения, приведшего к пробою напряжения, явление протекает необратимо. В жидких и газообразных диэлектриках вследствие высокой подвижности их частиц электрическое сопротивление канала пробоя восстанавливается вызвавшего его напряжения практически мгновенно.

Особенности пробоя жидких диэлектриков.

Пробой жидких диэлектриков может быть вызван разными процессами, определяющимися в основном состоянием жидкости, степенью её дегазации и чистотой. Наиболее часто в жидком диэлектрике встречается влага. Газы, также, как и вода, могут находиться в жидкости в разных состояниях от молекулярного до сравнительно крупных включений - пузырьков. Как и в газах, в жидкостях в неоднородных электрических полях наблюдаются формы пробоя: неполный пробой - корона, искровой и дуговой разряд. Установлено, что развитие пробоя начинается с формирования оптических неоднородностей в межэлектродном пространстве: в местах образования будущих каналов пробоя жидкость становится малопрозрачной. Наиболее чёткие фотографии позволяют обнаружить густое переплетение микроскопических тёмных нитей - развивающийся пробой древовидной формы. Высказываются предположения, что такие оптические неоднородности связаны с образованием в жидкости газовых пузырей, вызванных её разогревом токами эмиссии, автоионизацией молекул и ёмкостными токами. Однако такая гипотеза пока количественно не проанализирована и не приобрела формы теории.

В теории А. Геманта рассматривается пробой жидкого диэлектрика, содержащего влагу в виде эмульсии. Согласно расчётам Геманта под действием электрического поля капельки влаги вытягиваются, приобретая форму эллипсоидов. При достаточно большой напряжённости поля вытянутые эллипсоиды соединяются между собой, в результате чего в образовавшемся при этом канале происходит разряд.

Экспериментально установлено, что при повышении напряжения в жидкости, содержащей растворённый газ, перед пробоем появляются газовые пузырьки. В результате пробивное напряжение таких жидкостей значительно падает с понижением давления или с приближением к температуре кипения, то есть в условиях, облегчающих образование газовых пузырьков. Причины образования газовых пузырьков рассматривались в теориях Н. Эдлера, П.А. Флоренского, Ф.Ф. Волькенштейна. Согласно теории Эдлера, вблизи электрода имеется слой жидкости с повышенным удельным сопротивлением, содержащий микроскопические зародыши газовых пузырьков. При прохождении тока через этот слой в сильном электрическом поле выделяется такое количество тепла, что при некотором напряжении указанный слой нагревается до температуры кипения, происходит интенсивное газовыделение и наступает пробой. В электроизоляционных маслах, температура кипения которых выше температуры разложения (110-120⁰С), появление газовых пузырьков перед пробоем может быть связано не с испарением жидкости, а с химическим разложением под влиянием нагревания. Кроме того, образование пузырьков и их рост могут происходить под действием газового разряда. В этом случае повышается удельный вес, возрастает вязкость масла, увеличивается температура вспышки. Обработка масел воздействием разрядов называется вольтализацией и находит применение в технике.

В работе, выполненной под руководством Я.И. Френкеля, изучался пробой жидких диэлектриков, содержащих металлические частицы. Было установлено, что сначала частицы приобретают положительный заряд, движутся к катоду, покрывая его толстым рыхлым слоем. Приобретая у катода отрицательный заряд, многие из них движутся к аноду, а с течением времени всё пространство между электродами оказывается заполненным агрегатами частиц, образующих мостики. После этого может произойти пробой. После пробоя частицы с электродов осыпаются на дно сосуда, а между электродами наблюдается тонкая нить - мостик из частиц, сопротивление которой составляет около 25 Ом. Мостик сохраняется около часа, а при пропускании тока - и более длительное время.

Изучение пробоя жидких диэлектриков, содержащих влагу, растворённый газ, примеси твёрдых частиц, весьма важно для практики.

Список литературы

1) Адамчевкий И. «Электрическая проводимость жидких диэлектриков». Л., 1972

2) Балыгин И.Е. «Электрическая прочность жидких диэлектриков». Л., 1964

3) Борисова М.Э. «Физика диэлектриков». Л., 1979

4) Корицкий Ю.В. «Основы физики диэлектриков». М., 1979

Размещено на Allbest.ru