Размещено на http://www.allbest.ru/

Електротехнічні матеріали. Діелектрики

Вступ

Діелектрики належать до найбільш розповсюджених матеріалів, які застосовуються в електротехнічній промисловості. Якщо раніше ці матеріали використовували тільки як електричну ізоляцію, то в даний час, завдяки досягненням науки, вони одержали поширення в різних галузях електротехніки, радіоелектроніки й технічної кібернетики. У зв'язку з цим, раціональний вибір того чи іншого діелектричного матеріалу можливий тільки на підставі знань про їхні характеристики і вплив на них різних факторів. Це дозволить забезпечити надійну і стабільну роботу виробів, у яких застосовуються діелектричні матеріали.

поляризація діелектрик електропровідність діелектричний

1. Поляризація діелектриків

Основною властивістю діелектриків є здатність до поляризації під дією прикладеної напруги. Процес поляризації являє собою зміну розташування в просторі часток діелектрика, що мають електричні заряди. Елементарні диполі, що представляють зв'язані й невіддільні один від одного молекули діелектрика, позитивні й негативні заряди яких зміщені один відносно другого, характери-зуються електричним моментом p:

p = q l, (1.1)

де q - заряд диполя; l - відстань між зарядами.

Під дію електричного поля диполі починають орієнтуватися в просторі і створюють сумарний момент. Такий момент, віднесений до одиниці об'єму діелектрика, називається поляризованістю діелектрика P

P = , (1.2)

де V - об'єм діелектрика

Залежність поляризованості P від напруженості електричного поля Е в діелектрику для більшості діелектриків має лінійний характер. При малих значеннях напруженості поля для ізотропних діелектриків можна записати

, (1.3)

де - діелектрична сприйнятливість діелектрика. Вона зв'язана з відносною діелектричною проникністю діелектрика співвідношенням ;

- абсолютна діелектрична сприйнятливість чи питома поляризованість.

Особливу групу складають сегнетоелектрики, електрети, а також деякі іонні кристали, для яких зв'язок між Р і Е нелінійний і залежить від попереднього значення Е.

Зсув зарядів у діелектрику приводить до утворення внутрішнього поля, спрямованого протилежно зовнішньому, що може бути представлено вектором електричного зсуву D.

, (1.4)

де - електрична постійна, рівна 8,854 10^-12 Ф/м.

Перший доданок у цьому виразі пропорційний розподіленій щільності заряду, утвореного у вакуумі, а другий залежить від ступеня поляризації діелектрика. Відповідно до теореми Гаусса для поля вектора D потік цього вектора крізь довільну замкнуту поверхню дорівнює алгебраїчній сумі зарядів, охоплюваних цією поверхнею

_{внутр .} (1.5)

Слід зазначити, що вектор D являє собою суму двох зовсім різних величин, у зв'язку з чим він не має глибокого фізичного змісту і являє собою допоміжний вектор. Однак, у багатьох випадках вектор D значно спрощує вивчення поля в діелектриках.

Наведені співвідношення (1.4) і (1.5) можуть бути використані як для ізотропних, так і для анізотропних діелектриків. Розмірність вектора D та сама, що і вектора Р - Кл/м².

Використовуючи вираз (1.3) для ізотропного діелектрика, залежність вектора D від вектора Е можна подати у виді

чи . (1.6)

Кожний діелектрик з нанесеними на нього електродами, включений в електричну мережу, можна розглядати як конденсатор певної ємності. Заряд такого конденсатора Q дорівнює

Q = C U, (1.7)

де С - ємність конденсатора,

U - прикладена напруга.

При заданому значенні прикладеної напруги величина заряду Q складається із заряду Q_{о ,} який був би присутній на електродах, якщо їх розділяв вакуум, і заряду Q_д , що обумовлений поляризацією діелектрика, котрий фактично поділяє електроди:

Q = Q_о + Q_д (1.8)

Здатність діелектрика утворювати ємність можна оцінити за допомогою параметра відносної діелектричної проникності , що представляє відношення заряду Q, отриманого при деякій напрузі на конденсаторі, що містить даний діелектрик, до заряду Q_о, який можна було б одержати на конденсаторі тих же геометричних розмірів і при тій же напрузі, якби між електродами знаходився вакуум:

= . (1.9)

З наведеної формули видно, що значення будь-якого діелектрика більше одиниці і тільки в тому випадку, коли між електродами знаходиться вакуум

= 1.

Фактично параметр показує, у скільки разів зміниться ємність конденсатора при заміні вакууму між його пластинами досліджуваним діелектриком:

С = С_о . (1.10)

Крім параметра часто використовують параметр абсолютної діелектричної проникності:

, (1.11)

Відносна діелектрична проникність використовується в багатьох рівняннях, що характеризують фізичні процеси, які протікають у діелектриках. Так, відповідно до закону Кулона сила взаємодії F двох точечних зарядів q₁ і q₂ , розташованих в неорганічному середовищі з відносною діелектричною проникністю на відстані h один від другого, дорівнює

F = . (1.12)

Значення діелектричної проникності важливо знати і для розрахунку напруженості електричного поля в багатошарових діелектриках. Наприклад, для випадку двошарового конденсатора (рис.1.1) напруженість електричного поля в шарах дорівнює

U

E₁ E₂

?_r1 ?_r2

h₁ h₂

Рис.1.1 - Двошаровий конденсатор

. (1.13)

Напруга на шарах

. (1.14)

З наведених формул виходить, що при меншій діелектричній проникності шару напруга на ньому збільшується. В особливо невигідному положенні виявляються повітряні прошарки всередині ізоляції. У зв'язку з малим значенням ?_r і низкою електричною міцністю в таких прошарках легко виникають часткові розряди.

У тому випадку, коли діелектрик представляє суміш хімічно невзаємодіючих один з одним компонентів з різними діелектричними проникностями, загальну діелектричну проникність можна визначити приблизно на підставі рівняння Ліхтенеккера

, (1.15)

де - відповідно відносні діелектричні проникності суміші й окремих компонентів; - об'ємні концентрації компонентів, ; - величина, що характеризує розподіл компонентів і приймає значення від +1 до -1.

При паралельному включенні компонентів і вираз (1.15) має вигляд

.

При послідовному включенні компонентів, коли ,

Якщо компоненти розподілені хаотично, то

. (1.16)

Електрична ємність конденсатора, крім геометричних розмірів і конфігу-рації конденсатора, залежить також від відносної діелектричної проникності діелектрика, що в ньому використовується.

Ємність плоского конденсатора визначається за формулою

(1.17)

де - площа електрода; - відстань між електродами.

Для циліндричного конденсатора (рис.1.2) запишемо

, (1.18)



якщо , то . (1.19)

Рис.1.2 - Циліндричний конденсатор

Для ізоляції кабелів, систем рівнобіжних проводів і т.п. вводиться поняття питомої (погонної) ємності, тобто ємності, віднесеної до одиниці довжини К= С/L . Так, для одножильного кабеля питома ємність (нФ/м) між жилою діаметром d₁ і металевою оболонкою чи екраном з діаметром d₂ дорівнює

К = , (1.20)

або при К . (1.21)

Для двох рівнобіжних круглих проводів діаметром d кожний при відстані між їхніми осями h, за умови d<<h і без урахування впливу землі питома ємність визначається за формулою

. (1.22)

За цією ж формулою можна визначати питому ємність між проводом і землею.

Величина відносної діелектричної проникності для різних діелектриків змінюється в широких межах. Значення газів близьке до одиниці. Так, для повітря = 1,00058. Більшість практично застосовуваних рідких і твердих діелектриків мають значення порядку декількох одиниць, менше зустрічаються діелектрики, в яких складає кілька десятків і дуже рідко, коли ця величина перевищує значення сто одиниць. У сегнетоелектриках вона може досягати значення кілька десятків тисяч.

1.1 Основні види поляризації діелектриків

Велика кількість різних механізмів поляризації діелектриків, що мають місце в діелектриках, можна розділити на два основних види:

- поляризації, що протікають під впливом електричного поля практично миттєво і не супроводжуються розсіюванням енергії, тобто без виділення тепла;

- поляризації, що протікають уповільнено і які супроводжуються розсіюванням енергії в діелектрику, тобто нагріванням. Такий вид поляризації називається релаксаційною.

До першого виду відносяться електронна й іонна поляризації. Інші механізми поляризації слід віднести до релаксаційних.

Електронна поляризація - це зсув орбіт електронів щодо атомних ядер. Даний механізм поляризації спостерігається у всіх діелектриків незалежно від наявності в них інших видів поляризації. При переміщенні діелектрика в зовнішнє електричне поле електронна поляризація встановлюється за час порядку 10^-15с. При підвищенні температури діелектрика у зв'язку з тепловим розширенням речовини і зменшенням числа часток в одиниці об'єму електронна поляризація зменшується. Однак слід зазначити, що температура не впливає на зсув і деформацію електронних орбіт атомів і іонів.

Іонна поляризація - це зсув один щодо одного іонів, що утворюють молекулу. Ця поляризація протікає за час порядку 10^-13с. При підвищенні температури іонна поляризація посилюється. Причиною цього є ослаблення пружних сил, що діють між іонами внаслідок збільшення відстані між ними при тепловому розширенні.

Діпольна поляризація - це орієнтація діпольних молекул у полярних діелектриках під дією електричного поля. Вона належить до числа релаксаційних поляризацій. Діелектрики, що містять електричні діполі, здатні орієнтуватися в зовнішньому електричному полі, називаються полярними. Очевидно, що дана поляризація буде виявлятися тим інтенсивніше, чим більше діпольний момент даного матеріалу. Залежно від величини електричних моментів діполів, в'язкості середовища, а також інтенсивності теплового руху молекул час установлення даної поляризації складає 10^-2-10^-10с.

Діпольна поляризація властива полярним газам і рідинам. У цих діелектриках у зв'язку з незначною щільністю і невеликими розмірами молекул при впливі електричного поля відбувається поворот самих молекул. У твердих діелектриках також може спостерігатися діпольна поляризація. Але, на відміну від газоподібних і рідких діелектриків, поворот молекул тут неможливий, а відбувається орієнтація окремих груп атомів без порушення їхнього зв'язку з молекулами.

Зі збільшенням температури молекулярні сили слабшають, в'язкість речовини зменшується, тому спочатку діпольна поляризація посилюється. Однак у той же час зростає енергія теплового руху молекул, що зменшує вплив електричного поля, і коли тепловий рух стає інтенсивним, діпольна поляризація зменшується. Проміжок часу, протягом якого впорядкованість орієнтованих полем діполів після його зняття зменшується внаслідок теплового руху в е раз у порівнянні з початковим значенням, називається часом релаксації.

Іонно-релаксаційна поляризація спостерігається в іонних діелектриках з нещільним упакуванням іонів. Даний вид поляризації характерний для неорганічного скла, а також для деяких неорганічних кристалічних речовин. Слабко зв'язані іони під дією зовнішнього електричного поля крім хаотичних теплових переміщень одержують додаткові переміщення в напрямку поля. Після зняття електричного поля орієнтація іонів поступово слабшає за експонентним законом. При підвищенні температури іонно-релаксаційна поляризація посилюється.

Електронно-релаксаційна поляризація виникає в діелектриках за рахунок збуджених тепловою енергією надлишкових "дефектних" електронів чи дірок. Даний вид поляризації характерний для діелектриків з електронною електропровідністю і значним внутрішнім електричним полем. Діелектрики з електронно-релаксаційною поляризацією мають високе значення відносної діелектричної проникності. У кривої залежності = f(T) спостерігається максимум навіть при негативних температурах. При збільшенні частоти дана поляризація, як правило, зменшується.

Міграційна поляризація характерна для неоднорідних діелектриків і обумовлена перерозподілом вільних зарядів у його об'ємі. Даний вид поляризації зв'язаний з наявністю в діелектрику шарів з різною діелектричною проникністю і провідністю, а також різних провідних і напівпровідних включень. На межі розподілу між шарами в шаруватих матеріалах і в при електродних шарах може відбуватися нагромадження зарядів повільно рухаючих іонів, що створює ефект міжшарової поляризації. У результаті цього в такому діелектрику при внесенні його в електричне поле утворюються поляризовані області. При міграційній поляризації спостерігається значне розсіювання електричної енергії.

Мимовільна чи спонтанна поляризація спостерігається в сегнетоелектриках. У цих речовинах існують окремі області, що мають електричний момент навіть при відсутності зовнішнього електричного поля. Орієнтація електричних моментів у доменах різна. При внесенні даного діелектрика в електричне поле відбувається орієнтація електричних моментів у напрямку поля, в результаті чого спостерігається сильна поляризація. На відміну від інших видів поляризації, при деякому значенні напруженості зовнішнього поля настає насичення і подальше збільшення напруженості не приводить до посилення поляризації. Діелектрична поляризація в сегнетоелектриках нелінійно залежить від величини напруженості електричного поля. При деякій температурі спостерігається характерний максимум на кривой залежності = f (T).

1.2 Класифікація діелектриків за видами поляризації

Усі діелектрики залежно від впливу напруженості електричного поля на величину відносної діелектричної проникності розділяються на лінійні й нелінійні.

У лінійних діелектриках з малими втратами енергії заряд конденсатора змінюється пропорційно величині прикладеної напруги. Для нелінійних діелектриків ця залежність має вид петлі гістерезіса.

Ємність конденсатора з лінійним діелектриком залежить тільки від його геометричних розмірів і не міняється при зміні прикладеної різниці потенціалів. У конденсаторі з нелінійним діелектриком ємність буде змінюватися при зміні прикладеної різниці потенціалів, тому що залежність має нелінійний характер. У зв'язку з цим нелінійні діелектрики називають активними, чи керованими діелектриками.

Лінійні діелектрики можна розділити на кілька груп. Неполярними діелектриками є гази, рідини й тверді речовини в кристалічному й аморфному стані, в яких спостерігається в основному тільки електронна поляризація. Такими діелектриками є водень, парафін, поліетилен та ін.

Полярні діелектрики - це органічні рідкі, напіврідкі й тверді речовини, в яких одночасно існують електронна і діпольно - релаксаційна поляризації. До них відносяться кремнійорганічні з'єднання, феноло - формальдегідні смоли, епоксидні компаунди, капрон та ін.

Іонні з'єднання складають тверді неорганічні діелектрики з електронною, іонною, іонно - релаксаційною та електронно - релаксаційною поляризаціями. З огляду на значне розходження їхніх електричних характеристик дану групу доцільно розбити на дві підгрупи: 1) діелектрики з іонною й електронною поляризаціями; 2) діелектрики з електронною, іонною і релаксаційними поля-ризаціями.

До першої підгрупи відносяться кристалічні речовини з щільним упакуванням іонів, наприклад, слюда, кварц, корунд () та ін. До другої підгрупи належать неорганічне скло, багато видів кераміки, кристалічні діелектрики з нещільним упакуванням часток у решітках.

1.3 Вплив зовнішніх факторів на діелектричну проникність

Одним з таких факторів є частота прикладеної напруги. У неполярних діелектриках поляризація встигає установитися за час значно менший, ніж час напівперіоду прикладеної напруги. У зв'язку з цим у цих діелектриках від частоти практично не залежить.

У полярних діелектриках при підвищенні частоти відносна діелектрична проникність спочатку також залишається незмінною, але починаючи з деякої критичної частоти, коли поляризація вже не встигає установитися за один напівперіод, зменшується (рис 1.3) .

					f

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸ Гц

Рис.1.3 - Залежність діелектричної проникності від частоти для полярної рідини

Значний вплив на величину відносної діелектричної проникності в полярних діелектриках оказує температура. При низьких температурах орієнтація дипольних молекул утруднена, тому практично не змінюється. Підвищення температури супроводжується збільшенням , оскільки при цьому полегшується орієнтація дипольних молекул. Однак при подальшому збільшенні температури внаслідок хаотичних теплових коливань молекул ступінь упорядкованості орієнтації молекул знижується , тому , пройшовши через максимум, зменшується (рис 1.4).

У неполярних діелектриках слабко залежить від температури. Незначне зменшення пояснюється тепловим розширенням речовини і відповідно зменшенням кількості молекул, які поляризуються в одиницю об'єму. Різка зміна для парафіну відповідає температурі плавлення даної речовини і стрибкоподібній зміні його щільності (рис.1.5).

Рис.1.4 - Залежність Рис.1.5- Залежність для нітробензолу для парафіну.

Діелектрики іонної будови характеризуються, як правило, зростаючою лінійною залежністю = f (T) (рис 1.6). Однак у деяких іонних кристалах, наприклад, Ti₂ , CaTi₃ та ін. при збільшенні температури зменшується.

Рис.1.6 - Залежність для безлужного скла

Температурна залежність діелектричної проникності від температури може бути представлена виразом

ТК = (1.23)

Тут ТК - температурний коефіцієнт відносної діелектричної проникності. Даний коефіцієнт дозволяє визначити відносну зміну діелектричної проникності при зміні температури на 1^оС або 1^оК.

Значення ТК можна визначити і графічно (рис1.7). Для цього при визначеній температурі в цікавлячій нас точці (наприклад, А) проводять дотичну до кривої і будують на цій дотичній, як на гіпотенузі, прямокутний трикутник довільних розмірів. Відношення його катетів з урахуванням масштабів і Т , поділене на значення в точці А дорівнює ТК :

ТК = (1.24)

?_r

??_r А

Т₁

?Т Т⁰С

Рис.1.7 - Графічне визначення ТК

Таким чином, можна визначити ТК при будь-якому механізмі поляризації і для залежності =f (T) будь-якої форми.

Залежність від тиску. При підвищенні гідростатичного тиску значення дещо зростає, тому що при цьому збільшується густина речовини і, отже, кількість молекул, які поляризуються в одиниці об'єму. Для неполярних газів лінійно зростає з підвищенням тиску.

Тиск також впливає на діелектричну проникність рідин і твердих тіл. Так, води при збільшенні тиску монотонно зростає (рис.1.8)

Рис.1.8 - Залежність для води.

У ряді випадків у полярних рідинах в залежності =f(p) може спостерігатися максимум, наприклад, у гліцерині, касторовій олії і т.д. На рис.1.9 показана залежність =f(p) для нітробензолу. При підвищенні тиску у даній речовині спостерігається фазовий перехід з рідкого стану в твердий, що приводить до стрибкоподібної зміни ,.

Рис.1.9 - Залежність для нітробензолу.

Крім гідростатичного тиску на впливає і зміна густини речовини при зміні технології його виготовлення. На рис.1.10 показана залежність = f(Д) для політетрафторетілену (фторлон-4).



Рис.1.10 - Залежність = f(Д) для політетрафторетілену (фторлон-4).

Залежність від тиску можна представити виразом

БК = , (1.25)

де БК - баричний коефіцієнт відносної діелектричної проникності.

Залежність від вологості. У гігроскопичних діелектриках помітно зростає при збільшенні вологості (рис.1.11 ). Однак, при цьому погіршуються такі важливі показники діелектриків як питомий опір, електрична міцність, кут діелектричних втрат.

Рис.1.11 - Залежність відносної діелектричної проникності деревини від вологості

Залежність від напруги. Для більшості діелектриків, у яких спостерігається лінійна залежність величини електричного зсуву від прикладеної напруги, відносна діелектрична проникність практично не залежить від напруги. Але в полярних рідинах і газах може спостерігатися так званий "ефект насичення". Він може бути як позитивним, так і негативним. У тому випадку, коли збільшення напруженості електричного поля приводить до зменшення відносної діелектричної проникності, ефект називається негативним і позитивним - при збільшенні .

Помітний вплив на величину робить прикладена напруга у сегне-тоелектриках.

Література: [1, с.16 - 30]

Контрольні запитання

1. Перелічіть основні механізми поляризації, вкажіть їхні головні особливості. Наведіть приклади діелектриків з різними механізмами поляризації.

2. Поясніть залежність діелектричної проникності твердих діелектриків від температури і частоти.

3. Наведіть приклади залежності діелектричної проникності рідких діелектриків від зовнішніх факторів.

4. Викладіть метод визначення температурного коефіцієнта діелектричної проникності, наведіть приклади його розрахунку.

5. Поясніть розходження між полярними і неполярними діелектриками.

6. Викладіть методи визначення відносної діелектричної проникності суміші, що містить два чи більше діелектриків, які не вступають один з одним у хімічні сполуки.

7. Наведіть класифікацію діелектриків за видами поляризації.

2. Електропровідність діелектриків

За своїм призначенням електроізоляційні матеріали не повинні пропускати електричний струм. Однак поляризаційні процеси зсуву зв'язаних зарядів у речовині обумовлюють появу поляризаційних струмів, чи струмів зсуву в діелектрику. Вони протікають до моменту встановлення рівноважного стану. При електронній і іонній поляризаціях ці струми протікають практично миттєво і приладами, як правило, не фіксуються.

Струми зсуву, обумовлені різними видами релаксаційних поляризацій, називають абсорбційними струмами.

При постійній напрузі абсорбційні струми спостерігаються тільки в період включення і вимикання напруги. Під впливом змінної напруги ці струми протікають весь час до моменту відключення напруги.

З огляду на те, що в технічних діелектриках є вільні заряди, здатні переміщуватися під дією електричного поля крім абсорбційних струмів протікає також струм наскрізної електропровідності. Загальний струм у діелектрику можна представити у вигляді суми наскрізного й абсорбційного струмів. Цей струм називається струмом витоку. Залежність струму витоку через діелектрик від часу показана на рис.2.1.

I

i_абс

i_{ск t}

Рис.2.1-Залежність величини струму витоку через діелектрик від часу

Тривала робота твердих і рідких діелектриків може привести як до збіль-шення, так і до зменшення наскрізного струму. Зменшення наскрізного струму пояснюється тим, що електропровідність була обумовлена носіями зарядів, що містяться в домішках і з часом відбулося електричне очищення зразка. Збільшення струму зв'язано з протіканням у діелектрику необоротних процесів старіння речовини під напругою й участю в електропровідності зарядів, що є структурними елементами самої речовини.

Електропровідність діелектриків пояснюється наявністю в них вільних, тобто не зв'язаних з визначеними молекулами і здатних переміщуватися під дією електричного поля іонів, моліонів, електронів чи дірок.

Для багатьох електроізоляційних матеріалів характерна іонна електропровідність, пов'язана з переносом іонів, тобто з явищем електролізу. У ряді випадків електролізу піддається основна речовина діелектрика. Однак мають місце випадки ( в основному для органічних діелектриків), коли молекули основної речовини діелектрика не мають здатності піддаватися дисоціації, але іонна електропровідність виникає завдяки присутності неминучих забруднень - води, солей, кислот, лугів та ін. Навіть незначний вміст домішок помітно впливає на провідність діелектриків.

У діелектриків з іонним характером електропровідності дотримується закон Фарадея: кількість речовини, що виділилася при електролізі, пропорційна кількості пройшовшої через речовину електрики.

Моліонна електропровідність спостерігається в колоїдних системах, що представляють тісну суміш двох фаз, причому одна фаза (дисперсна) у виді дрібних часток рівномірно зважена в іншій (дисперсному середовищі). З колоїдних систем в електроізоляційній техніці найбільше часто зустрічаються емульсії (обидві фази рідини) і суспензії ( дисперсна фаза - тверда речовина, дисперсне середовище - рідина). Стабільність колоїдних систем пов'язана з наявністю на поверхні часток дисперсної фази електричних зарядів. При впливі на колоїдну систему електричного поля частки починають рухатися, що проявляється як явище електрофорезу. При електрофорезі на відміну від електролізу, не спостерігається утворення нових речовин, а тільки змінюється відносна концентрація дисперсної фази в різних частинах об'єму системи.

Молионна електропровідність спостерігається в рідких лаках і компаундах, у зволожених оліях і т.д.

У деяких діелектриках спостерігається електронна електропровідність. Так, рутил TiО₂ , ряд титанатів BaTiО_3, CaTiО₃ та ін. виявляють електронний характер електропровідності. У сильних електричних полях можлива інжекція зарядів (електронів, дірок) у діелектрик з металевих електродів, а також утворення іонів і електронів у результаті ударної іонізації.

Провідність діелектрика можна визначити за формулою

G_из = ( I_ут + I_абс) / U, (2.1)

де I_ут - струм витоку;

I_абс - сума струмів, викликаних уповільненими механізмами поляризації,

U - прикладена постійна напруга.

Для твердих діелектриків розрізняють об'ємну провідність ізоляції G_v, чисельно визначальну провідность через товщину матеріалу, і поверхневу провідність G_s, що характеризує наявність шару підвищеної електропровідності на поверхні розділу твердої ізоляції з навколишнім газоподібним чи рідким середовищем. Цей шар утворюється внаслідок неминучих забруднень, зволоження і т.д. Відповідно вводяться поняття об'ємного струму витоку I_v і поверхневого струму витоку I_s.

Для порівняльної оцінки об'ємної і поверхневої провідності різних матеріалів користаються значеннями питомого об'ємного опору ?_v і питомого поверхневого опору ?_s.

У системі СІ питомий об'ємний опір чисельно дорівнює опору куба з ребром в один метр, вирізаного з досліджуваного матеріалу, якщо струм проходить через дві протилежні грані цього куба. Розмірність цього опору Ом*м.

Для плоского зразка з постійним поперечним перерізом, вміщеного в однорідне поле, питомий об'ємний опір визначається за формулою

, (2.2)

де R- об'ємний опір, Ом; S - площа електрода, м²; h - товщина зразка, м.

Значення ?_v для порівняно низькоякісних діелектриків (деревина, папір, асбестоцемент і т.д.) знаходиться в межах 10⁶-10⁸ Ом м. Для таких матеріалів як полістирол, поліетилен і т.д. значення ?_v складає 10¹⁴-10¹⁶Ом м, у неіонізованих газів значення ?_v ще вище.

Питомий поверхневий опір ?_S чисельно дорівнює опору квадрата (будь-яких розмірів), думкою виділеного на поверхні матеріалу, якщо струм проходить через дві його протилежні:

?_S = , (2.3)

де R_S - поверхневий опір зразка матеріалу між паралельно розташованими електродами, Ом; d-ширина електрода, м; l - відстань між електродами, м.

Розмірність питомого поверхневого опору - Ом.

Використовуючи значення питомого об'ємного і поверхневого опорів, можна визначити питому об"ємну провідність = 1/ ?_v і відповідно питому поверхневу провідність = 1/?_S.

Повна провідність твердого зразка діелектрика дорівнює сумі об'ємної і поверхневої провідностей.

Розглянемо задачу: дві протилежні грані куба з ребром а = 10мм з діелектричного матеріалу з питомим об'ємним опором і питомим поверхневим опором покриті металевими електродами. Визначити струм, який протікає через ці грані при постійній напрузі U = 2 кв.

Наведемо еквівалентну схему заміщення даного діелектрика

R_v R_S1 R_s2 R_s3 R_s4

Спочатку визначимо об'ємний і поверхневий опори діелектрика

Опір ізоляції

;

Струм, що протікає через діелектрик

.

2.1 Електропровідність газоподібних діелектриків

Електропровідність у газах виникає тільки при наявності в них іонів чи вільних електронів. Іонізація нейтральних молекул газу відбувається під дією зовнішніх факторів, або внаслідок зіткнення іонізованих часток самого газу, прискорених електричним полем, з молекулами газу. Зовнішніми факторами є ультрафіолетові промені, рентгенівське випромінювання, космічні промені, радіоактивне випромінювання, а також термічне нагрівання газу. Іонізація відбувається внаслідок поглинання нейтральними молекулами фотонів. Енергія фотона визначається за формулою W = h , де h - постійна Планка, = - частота випромінювання, 1/с; С - швидкість світла; - довжина хвилі.

Іонізація молекул відбувається при перевищенні енергією кванта випромінювання величини потенціалу іонізації, U_и:

h >eU_в = U_и, (2.4)

де U_в - потенціал виходу (робота, яку необхідно затратити для видалення за межі атома частки, носія заряду), е - заряд електрона (1,6 10^-19Кл)

З підвищенням частоти здатність молекул газу до іонізації збільшується.

Енергія, яку необхідно затратити на іонізацію молекул газу, вимірюється в електроновольтах (еВ). Енергія в 1 еВ дорівнює кінетичній енергії, що здобуває електрон при вільному русі між двома точками з різницею потенціалів у 1В. Отже, 1еВ дорівнює енергії e U= 1,6 10^-19 , Вт с (Дж).

Потенціал іонізації більшості газів знаходиться в межах 10-20 еВ.

Вільні електрони, знаходячись у русі, зіштовхуються з молекулами газу, при цьому частина з них рекомбінує, тобто захоплюється позитивними іонами, а частина, що захоплюється нейтральними молекулами, утворює негативні іони. Час життя вільного електрона складає близько 10^-6с. Оскільки процеси іонізації і рекомбінації проходять одночасно, то при визначеній температурі і тиску настає рівновага, при якій забезпечується постійна концентрація іонів. На підставі результатів досліджень встановлено, що в звичайних умовах середня концентрація позитивних іонів у повітрі складає 750 1/см³, а негативних - 650 1/см³.

Під впливом зовнішніх факторів газ здобуває хоч і дуже малу, але певної величини електропровідність, що називається несамостійною. При збільшенні напруги, що прикладається до газового проміжутку, виникає ударна іонізація електронами, які під дією поля здобувають кінетичну енергію, достатню для іонізації нейтральних молекул при їхньому зіткненні. Одночасно з іонізацією газу відбувається і рекомбінація позитивних і негативних іонів з утворенням нейтральних молекул. Електропровідність газу, обумовлена ударною іонізацією, називається самостійною.

На рис.2.2. приведена вольтамперна характеристика газового проміжутку. У випадку утворення електропровідності під дією зовнішніх факторів при незначній напрузі струм дуже малий і баланс процесів утворення іонів і їхньої рекомбінації зберігається. У розглянутому режимі виконується закон Ома

, (2.5)

де J - щільність струму; - питома провідність; U - напруга, що прикладаєть-ся; h - відстань між електродами.

На рис 2.2. цей режим відповідає ділянці ОА.

I С

В

А

О U

Рис 2.2 - Вольтамперна характеристика газового проміжку.

При подальшому збільшенні напруги баланс процесів утворення іонів і їхньої рекомбінації порушується, тому що іони несуться до електродів, не встигаючи рекомбінувати. Струм росте повільніше напруги (ділянка АВ). Зменшення концентрації іонів продовжується з ростом напруги і при певному його значенні настає насичення (ділянка ВС). Іони, що утворяться під впливом зовнішніх іонізаторів, несуться до електродів. Щільність струму в цьому випадку дорівнює



J = N q h, (2.6)

де N - кількість позитивних і негативних іонів; q - заряд іона; h - відстань між електродами.

Подальше збільшення напруги супроводжується посиленням ударної іонізації і збільшенням кількості вільних електронів практично в геометричній прогресії, що приводить до різкого зростання струму.

2.2 Електропровідність рідких діелектриків

Електропровідність у рідких діелектриках виникає при пересуванні іонів чи переміщенні відносно великих заряджених колоїдних часток, а також електронів.

Полярні рідини завжди мають підвищену провідність у порівнянні з неполярними, причому зростання діелектричної проникності приводить до зростання провідності.

У неполярних рідинах електропровідність визначається наявністю дисоційованих домішок, особливо вологи. Очищення рідких діелектриків від домішок, що містяться в них, забезпечує зменшення провідності. Однак повністю очистити рідкий діелектрик від домішок, що містяться в ньому, практично не вдається, що утруднює одержання електроізоляційної рідини з малою питомою провідністю.

На величину питомої провідності будь-якої рідини істотно впливає температура. З її підвищенням зростає провідність, тому що зменшується в'язкість рідини, зростає рухливість іонів і може збільшитися ступінь теплової дисоціації.

Відповідно до закону Вальдена, добуток питомої провідності рідкого діелектрика на його в'язкість є величиною постійною і не залежить від температури. Закон Вальдена виконується краще для чистих рідин і гірше при наявності в них домішок. Для неполярних рідин відступ від закону Вальдена більш помітний, ніж для полярних. На рис 2.3 наведена залежність струму від напруженості полю в рідких діелектриках.

I
		Е

Рис 2.3 - Залежність струму від напруженості поля в рідкому діелектрику

Питома провідність залежно від концентрації іонів може бути представлена рівнянням , де n - число іонів у см³; q - заряд іона; u₊ і u_- - рухливість, відповідно позитивних і негативних іонів.

При невеликих значеннях напруженості електричного поля рухливість позитивних і негативних іонів незначна, порядку 10^-4 см²/сВ. У цьому випадку, внаслідок малої довжини вільного пробігу електрони не встигають одержати достатню кінетичну енергію для ударної іонізації. Струм підкоряється закону Ома. При напруженостях електричного поля 10 МВ/м і більше закон Ома вже не виконується, що пов'язано з появою електронної провідності внаслідок ударної іонізації і збільшенням числа іонів, що рухаються під дією поля. Питома провідність очищених технічних рідких діелектриків знаходиться в межах 10^-8- 10^-13 1/Ом м.

У колоїдних системах спостерігається моліонна чи електрофоретична електропровідність, при якій носіями зарядів є групи молекул - моліонів. Швидкість руху таких часток залежить від в'язкості рідини. Відповідно до закону Стокса стала швидкість руху кулі в в'язкому середовищі визначається як

V = , (2.7)

де F - сила, що діє на кулю; r - радіус кулі; ? - динамічна в'язкість.

Сила, що діє на електричний заряд і викликає його спрямоване переміщення, дорівнює F = q E. Тоді

V = (2.8)

Рухливість зарядів визначається як u = V/E . Звідси визначимо з наведеного рівняння рухливість носіїв зарядів у рідких діелектриках:

u = (2.9)

З даного рівняння видно, що рухливість носіїв зарядів у рідких діелектриках істотно залежить від розмірів часток і в'язкості рідини.

У загальному виді питому провідність діелектриків можна представити у виді . Тоді, з урахуванням вищенаведеного рівняння, питому провідність рідкого діелектрика при моліонній електропровідності визначимо як

. (2.10)

Питома провідність рідких діелектриків сильно залежить від температури, тому що при її підвищенні зменшується в'язкість рідини і збільшується концентрація вільних носіїв зарядів унаслідок теплової дисоціації. Дана залежність має вигляд

, (2.11)

де а - температурний коефіцієнт збільшення питомої провідності.

2.3 Електропровідність твердих діелектриків

Електропровідність твердих діелектриків обумовлена пересуванням іонів або наявністю в них вільних електронів.

Вид електропровідності можна встановити експериментально, використовуючи закон Фарадея. Іонна електропровідність супроводжується переносом речовини, тобто явищем електролізу. При електронній електропровідності дане явище не спостерігається.

У діелектриках з атомними чи молекулярними ґратками електропровідність залежить тільки від наявності домішок. Як правило, питома провідність таких матеріалів незначна.

Більшість застосовуваних на практиці твердих діелектриків мають іонну електропровідність. Це синтетичні й органічні полімери, неорганічне скло, керамічні матеріали, кристали і т.д. Пов'язано це з тим, що енергія звільнення іонів у твердих діелектриках не перевищує 5еВ, тоді як для електронів вона більше 5еВ.

Питому провідність у твердих діелектриках можна записати у вигляді

= nqu, (2.12)

де n - число носіїв в одиниці об'єму, м^-3 ; q - заряд носія, Кл; u - рухливість м²/(Вс).

При іонній електропровідності число дисоційованих іонів і їхня рухливість знаходяться в експонентній залежності від температури:

n_т = n exp [- W_д /(k)], (2.13)

u_т = u_max exp[ - W_пер /(k)], (2.14)

де n -загальне число електронів у 1м³; W_д - енергія дисоціації; k -теплова енергія; u_max гранична рухливість іона; W_пер - енергія переміщення іона.

Підставляючи n_т і u_т у рівняння для питомої провідності (2.12) і об'єднавши постійні n, u_max, і q в один коефіцієнт А, одержимо

= А exp ( - b/T), (2.15)

де b = (W_д + W_пер)/ k

З цієї формули випливає, що чим більше значення енергії переміщення й енергії дисоціації, тим значніше змінюється питома провідність при зміні температури.

У зв'язку з тим, що звичайно W_д›› W_пер, температурна залежність питомої провідності визначається в основному зміною концентрації носіїв.

При напругах, близьких до значення напруги пробою, у створенні струму поряд з іонами беруть участь і електрони.

У речовинах кристалічної будови з іонними ґратками електропровідність зв'язана з валентністю іонів. Кристали з одновалентними іонами мають більшу провідність, ніж кристали з багатовалентними іонами.

В анізотропних кристалах питома провідність неоднакова по різних осях кристала.

У твердих пористих діелектриках при поглинанні ними вологи питома провідність істотно підвищується, особливо в тих випадках, коли в діелектрику є домішки, легко розчинні у воді. Для зменшення вологовбирання і вологопро-никливості пористих діелектриків їх піддають просоченню.

Контрольні запитання:

1.Опишіть фізичну сутність процесу електропровідності в діелектриках.

2.Назвіть фактори, що впливають на поверхневу й об'ємну електропровідність.

3.Наведіть визначення питомих об'ємного і поверхневого опорів.

4.Викладіть сутність процесу електропровідності в газах, відзначте його особливості.

5.Опишіть характер електропровідності рідких діелектриків, поясніть її залежність від температури.

6.Перелічіть фактори, що впливають на поверхневу провідність, вкажіть способи її зменшення.

7.Наведіть приклади залежності електропровідності твердих діелектриків від зовнішніх факторів і поясніть їх.

3. Діелектричні втрати

Діелектричними втратами називають електричну потужність, що розсіюється в діелектрику в одиницю часу при впливі на нього електричного поля і викликає нагрівання діелектрика.

Втрати енергії в діелектрику спостерігаються як при змінній, так і при постійній напрузі. При постійній напрузі діелектричні втрати обумовлені електропровідністю. При впливі змінної напруги в діелектриках, крім наскрізної електропровідності можуть проявлятися й інші механізми перетворення електричної енергії в теплову.

Для оцінки здатності діелектрика розсіювати енергію в електричному полі використовують кут діелектричних втрат чи тангенс цього кута.

Кутом діелектричних втрат називається кут, що доповнює до 90⁰ кут фазового зсуву між струмом і напругою в ємнісному ланцюзі.

Чим більше потужність, що розсіюється, тим менше кут фазового зсуву і тим більше кут діелектричних утрат . У разі ідеального діелектрика вектор струму випереджає вектор напруги на 90⁰, тому кут діелектричних втрат буде дорівнювати нулю.

При постійній напрузі діелектричні втрати обумовлені практично тільки струмом наскрізної провідності, тому що втрати на однократну поляризацію незначні, а втрати, що виникають у результаті протікання поверхневого струму, розсіюються в навколишньому середовищі. Таким чином, діелектричні втрати, що розсіюються в об"ємі діелектрика і викликані струмом об'ємної наскрізної провідності при постійній напрузі, можна визначити за формулою

. (3.1)

Для вивчення поводження діелектрика з діелектричними втратами при змінній напрузі, доцільно подати його у виглядіі еквівалентних схем, що вміщують ємність і активний опір, які включені між собою послідовно чи паралельно.

Для послідовної схеми запишемо

; (3.2)

(3.3)

Для паралельної схеми

; (3.4)

(3.5)

Співвідношення між і , а також між і можна визначити, прирівнюючи один до одного співвідношення (3.2), (3.4) і (3.3), (3.5):

; ) (3.6)

Для високоякісних діелектриків значенням можна зневажити і вважати . Потужність, що розсіюється в діелектрику, у цьому випадку буде однаковою для обох схем:

. (3.7)

Якщо потрібно визначити розподіл діелектричних втрат у різних місцях діелектрика, то для розрахунку питомих діелектричних втрат у точці, де напруженість електричного поля дорівнює Е, використовують формулу

(3.8)

Добуток називається коефіцієнтом діелектричних втрат. З наведеної формули можна зробити висновок, що при заданій частоті і напруженості електричного поля, діелектричні втрати пропорційні коефіцієнту діелектричних втрат.

Використання електроізоляційного матеріалу, що володіє великими діелектричними втратами, приводить до нагрівання виготовленого з нього виробу і передчасного його теплового старіння.

3.1 Види діелектричних втрат

За фізичною природіою діелектричні втрати розділяють на такі види:

1) втрати, обумовлені поляризацією: 2) втрати на електропровідність: 3) іонізаційні втрати: 4) втрати, обумовлені неоднорідністю структури.

Втрати, обумовлені поляризацією, характерні для діелектриків, що володіють уповільненими видами поляризації. До таких діелектриків, зокрема, відносяться діелектрики з діпольною структурою і діелектрики з іонною структурою з нещільним упакуванням іонів.

Релаксаційні діелектричні втрати викликані порушенням теплового руху часток під впливом сил електричного поля. Це приводить до розсіювання енергії і нагрівання діелектрика.

При підвищенні частоти дані втрати зростають. Особливо вони значні на високих і надвисоких частотах.

У полярних діелектриків має місце характерний дипольний максимум у кривої залежності від температури (рис.3.2). При підвищенні частоти цей максимум зрушується в область більш високих температур.

Рис.3.2 - Залежність для полярних діелектриків

У полярних діелектриках існують також втрати від наскрізної електропровідності, тому після переходу через дипольний максимум спостерігається ріст у зв'язку зі зростанням питомої провідності. При наявності декількох фізичних механізмів релаксаційних втрат у залежності з'являються додаткові максимуми.

Діелектричні втрати в сегнетоелектриках пов'язані з явищем спонтанної поляризації. Особливо вони значні при температурах нижче точки Кюрі. При температурах вище точки Кюрі ці втрати зменшуються.

До діелектричних втрат, викликаних поляризацією, відносяться також резонансні втрати, що спостерігаються в діелектриках при високих частотах. Дані втрати можуть виникати в газах при деяких частотах і у твердих діелектриках, коли частота змушених коливань, викликаних електричним полем, збігається з частотою власних коливань часток твердої речовини.

Діелектричні втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю, спостерігаються в діелектриках, що володіють значною об'ємною чи поверхневою провідністю. Тангенс кута діелектричних втрат у цьому разі визначається за формулою

 . (3.9)

При підвищенні температури діелектричні втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю, збільшуються за експонентним законом

, (3.10)

де - втрати при температурі Т ⁰С; - втрати при температурі 0 ^оС; - постійна матеріалу.

Значення при зміні температури змінюється за тим же законом, тому що значення реактивної потужності ( ) від температури практично не залежить.

Іонізаційні діелектричні втрати характерні для діелектриків у газоподібному стані. Ці втрати мають місце, як правило, в неоднорідних електричних полях, коли величина прикладеної напруги перевищує значення напруги іонізації. Визначити їх можна за формулою

, (3.11)

де А - постійний коефіцієнт; f - частота поля; U - прикладена напруга; U_и - напруга, що відповідає початку іонізації.

Приведена формула справедлива при лінійній залежності від напруженості поля.

Діелектричні втрати, обумовлені неоднорідністю структури, виникають у пластмасах з наповненням, в пористій кераміці, в шаруватих діелектриках і т.д. Як правило, у такі діелектрики спеціально вводять в процесі виготовлення окремі компоненти для надання їм заданих властивостей. Крім того, через порушення технології виготовлення чи в процесі експлуатації, в діелектрику можуть утворюватися різні домішки, що змінюють його характеристики. Це приводить до того, що діелектрик стає неоднорідним за своєю структурою і в ньому виникають діелектричні втрати. Загальної формули для розрахунку цих втрат у зв'язку з розмаїтістю структур даних діелектриків не існує.

3.2 Діелектричні втрати в газах

Коли напруженість електричного поля не перевищує значень, що відповідають появі ударної іонізації, діелектричні втрати в газах незначні й обумовлені тільки електропровідністю. Орієнтація дипольних молекул не супроводжується помітними втратами внаслідок малої в'язкості газів. Газ в цих умовах можна розглядати як ідеальний діелектрик. ( при f = 50 Гц). Значення можна визначити за формулою (3.9).

Коли напруженість електричного поля значна, молекули газу іонізуються, у результаті чого виникають втрати на іонізацію. На лініях електропередачі внаслідок ударної іонізації повітря поблизу проводів виникає явище корони, що супроводжується значним збільшенням діелектричних втрат.

Зміна у твердих діелектриках, що містять газові включення, при збільшенні напруги показана на рис.3.3. Наведену залежність = називають кривою іонізації. За зростанням при збільшенні напруги можна судити про наявність газових включень у твердій ізоляції.



Рис. 3.3 - Залежність для твердого діелектрика, який має газові включення

Коли газ вже іонізований (U>U₁ ), потрібна менша енергія на розвиток процесу і зменшується.

При високих частотах іонізаційні втрати можуть призвести до розігріву і руйнування діелектрика. Іонізація повітря, що заповнює пори у твердих діелектриках, супроводжується утворенням озону й окислів азоту, що призводить до хімічного руйнування речовини.

3.3 Діелектричні втрати в рідких діелектриках

Діелектричні втрати в рідких діелектриках обумовлені електропровідністю і явищем поляризації. Носіями зарядів у технічних рідких діелектриках можуть бути іони, що утворюються внаслідок дисоціації молекул даної рідини, а також більш великі колоїдні частки, що можуть впорядковано рухатися в електричному полі.

Питома провідність неполярних чистих рідин незначна, у зв'язку з чим малі й діелектричні втрати.

Полярні рідини, крім втрат, обумовлених електропровідністю, можуть мати значні втрати, пов'язані з діпольно - релаксаційною поляризацією. Ці втрати при змінній напрузі значно перевершують утрати, викликані електропровідністю. На величину втрат, обумовлених діпольно-релаксаційною поляризацією, помітний вплив здійснює в'язкість рідини. При великій в'язкості молекули не встигають слідкувати за зміною поля, і діелектричні втрати при цьому незначні. Якщо в'язкість рідини мала, то орієнтація молекул відбувається практично без тертя і діелектричні втрати також незначні. При середній в'язкості діелектричні втрати збільшуються і при деякому значенні в'язкості мають максимум. На рис.3.4. подано залежність від температури.

Рис.3.4.Залежність для полярної рідини

При дальшому збільшенні температури зростає електропровідність і відповідно ростуть втрати. Збільшення частоти зміщує представлену залежність в область більш високих температур. Характер залежності потужності, що розсіюється, при діпольно- релаксаційних втратах у рідкому діелектрику від частоти представлений на рис.3.5.

P_а

f

Рис.3.5-Залежність потужності, що розсіюється в діелектрику від частоти

Втрати змінюються доти, поки поляризація встигає орієнтуватися за зміною поля. Коли діпольні молекули вже не встигають орієнтуватися в напрямку поля, потужність, що розсіюється, залишається практично незмінною.