Воздух как диэлектрическая среда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГ АОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

РЕФЕРАТ

На тему: Воздух, как диэлектрическая среда

Выполнил: Галиуллин Р.М.

Проверила: Кривцова Е.В.

Группа: ЭН-390401

Екатеринбург 2011

Содержание

Введение

1. Физические и химические свойства воздуха

2. Газообразные диэлектрики

3. Электрический ток в газах

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Сами того не замечая, мы живём на дне огромного воздушного океана. Та смесь газов, которая образует атмосферу, необходима для нас более, чем что-либо другое. Человек может прожить несколько недель без пищи, несколько дней без воды, но не может прожить и нескольких минут без воздуха. В воздухе таятся огромные, пока почти неиспользованные запасы энергии: вследствие неодинакового поглощения солнечных лучей различными участками земной поверхности создаётся неравномерный нагрев воздуха и возникают ветры, за счёт которых могут быть получены многие миллиарды киловатт-часов электроэнергии.

Общая масса атмосферы равна 5,210¹⁵ т, т.е. составляет менее одной миллионной от массы всего земного шара (6,010²¹ т). Однако на долю каждого человека всё же приходится более 1,5 млн. т воздуха. Около 90% массы атмосферы заключено в слое высотой до 16 км и лишь одна миллионная -- выше 100 км.

Состав воздуха: основные составные части можно подразделить на три группы: постоянные, переменные и случайные. К первым относятся кислород (около 21% по объёму), азот (около 78%) и так называемые инертные газы (около 1%). Содержание этих составных частей практически не зависит от того, в каком месте земного шара взята проба сухого воздуха. Ко второй группе относятся углекислый газ (0,02-0,04%) и водяной пар (до 3%). Содержание случайных составных частей зависит от местных условий: вблизи металлургических заводов к воздуху часто бывают примешаны заметные количества сернистого газа, в местах, где происходит распад органических остатков, -- аммиака и т.д. Помимо различных газов, воздух всегда содержит большее или меньшее количество пыли.

Кроме перечисленных газов воздух постоянно содержат следы (т.е. ничтожные количества) озона, водорода, метана, аммиака, оксидов азота и угарного газа. По мере совершенствования методов газового анализа число таких, практически незаметных составных частей воздуха постепенно возрастает.

Атмосферная пыль содержит частицы диаметром от 10^-7 до 10^-2 см (из которых наиболее мелкие не оседают даже в неподвижном воздухе). Помимо пылинок, возникающих на земной поверхности (частиц почвы, дыма, пыльцы растений и т.д.), некоторое значение имеют пылинки вулканического и даже космического происхождения. Подсчитано, что на Земле ежегодно оседает около 5 млн. т космической пыли. Так как поверхность Земли равна 510 млн. км², это составляет лишь сотую долю грамма на квадратный метр.

1. Физические и химические свойства воздуха

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т.е. способны пропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

Абсолютной влажностью воздуха оценивают массой (m) водяного пара, содержащийся в единице объема воздуха (м?). Каждой температуре соответствует определенное значение абсолютной влажности при насыщении (m нас). Большего количества воды воздух содержать не может, и она выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т.е. растет и давление водяных паров.

За нормальную влажность воздуха (для различных испытаний, для определения свойств гигроскопичных материалов в стандартных условиях увлажнения и т.п.) принимают относительную влажность воздуха j=65%. В воздухе с нормальной влажностью при 20° С содержание водяных паров m=17,3*0,65=11,25 г/м ?.

К важнейшим свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

Нагревостойкость. Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры называют нагревостойкостью. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правила, по началу существенного изменения электрических свойств, например по заметному ростуtg d или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры (в ° С), при которой появились эти изменения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве (определение "теплостойкости"). Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

Помимо температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрации кислорода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение ускоряется от освещения образца ультрафиолетовыми лучами, воздействия электрического поля, механических нагрузок и т.п.

В результате испытаний устанавливается стойкость материала к тепловым воздействиям, причем она в различных случаях может быть неодинаковой: например, материал, выдерживающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может оказаться неустойчивым, по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже при более низкой температуры и т.п. как указывалось, испытание на действие повышенной температуры иногда приходится указывать с одновременным воздействием повышенной влажности воздуха или электрического поля.

Холодостойкость. Во многих случаях эксплуатации важна холодостойкость, т.е. способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах, например от -60 до -70° С. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.

Теплопроводимость. Практическое значение теплопроводимости объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляции проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводимость влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к тепловым импульсам.

Знание химических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации и для разработки технологии.

При длительной работе диэлектрики должны не разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающимися с ними металлов; не реагировать с различными веществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.

Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химико-технологическими : склеиваться, растворяться в растворителях с образование лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, преходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные в нейтральных.Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие, гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и другие смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой - весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.

2. Газообразные диэлектрики

Диэлектрик, материал, не проводящий электричество, например, изоляция, разделяющая два проводника в конденсаторе. У этих материалов имеется такой показатель, как диэлектрическая постоянная, определяющий, до какой степени материал может сопротивляться электрическому заряду. Диэлектрической прочностью называют то максимальное значение силы поля, которое диэлектрик выдерживает, не разрушаясь под воздействием ионизации. Во многих устройствах, работающих с малым расходом энергии, например, в настроечных конденсаторах радиоприемника, в качестве диэлектрика служит воздух.

Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характеристики, в первую очередь теплопроводность.

Электропроводность газов обычно не хуже 10-13 См/м, причем основным фактором вызывающим проводимость в не очень сильных полях, является ионизирующее излучение. Вольт-амперная характеристика имеет три характерные зоны - омическое поведение, насыщение, экспоненциальный рост. Диэлектрические потери незначительны и их стоит учитывать только в третьей области.

Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит как от внешних условий, так и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н.у.). Эти условия - давление 1 атм, температура 20 °С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см2, межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н.у. имеет электрическую прочность 30 кВ/см.

Теплопроводность газов также невелика по сравнению с теплопроводностью твердых тел и жидкостей, наибольшее ее значение 0.2 Вт/(м?К) - у водорода. Для наиболее популярных газов 0.03 Вт/(м?К)- воздух, 0.012 Вт/(м?К) - элегаз. Для сравнения - у алюминия 200 Вт/(м?К).

Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции - линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т.п.

Электроотрицательными называются газы, молекулы которых обладают сродством к электрону, это означает, что при захвате электрона и превращении молекулы в отрицательный ион выделяется энергия. Этот процесс приводит к явлению прилипания электронов, и уменьшению, тем самым, эффективного коэффициента ударной ионизации на значение коэффициента прилипания. Поэтому электроотрицательные газы имеют повышенную электрическую прочность. Из электроотрицательных газов с высокой электрической прочностью наибольшее применение нашел элегаз. Свое название он получил от сокращения “электрический газ”. Уникальные свойства элегаза были открыты в России, его применение также началось в России. В 30х годах известный ученый Б.М. Гохберг исследовал электрические свойства ряда газов и обратил внимание на некоторые свойства шестифтористой серы. Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е = 89 кВ/см. Молекулярная масса составляет 146, характерным является очень большой коэффициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, т.к. при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло. Из теплофизических свойств: температура плавления = -50 °С при 2 атм, температура кипения (возгонки) = -63°С. Низкие значения последних параметров означают возможность применения элегаза при низких температурах.

воздух атмосферный газ ионизация атом диэлектрик

3. Электрический ток в газах

Электрический разряд в газах.

Все газы в естественном состоянии не проводят электрического тока. В чем можно убедиться из следующего опыта:

Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его. При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается - положение стрелки электрометра не изменяется. Чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал. Данный опыт показывает, что воздух является плохим проводником электрического тока.

Видоизменим опыт: нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки. Тогда угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т.е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора - конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником, и в нем устанавливается электрический ток.

Изолирующие свойства газов объясняются тем, что в них нет свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.

Ионизация газов.

Вышеописанный опыт показывает, что в газах под влиянием высокой температуры появляются заряженные частицы. Они возникают вследствие отщепления от атомов газа одного или нескольких электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще отрицательные ионы. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, -, - и -лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.

Ионизация атома требует затраты определенной энергии - энергии ионизации. Для ионизации атома (или молекулы) необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы). Эта работа называется работой ионизации A_i. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле.

После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течением времени уменьшается и в конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они могут воссоединиться в нейтральный атом. Точно также при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов. При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации).

Механизм электропроводности газов.

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах.

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.

На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Газовые ионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

Еще одно различие в электропроводности ионизованных газов и растворов (расплавов) электролитов состоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газы переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами, хотя проводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль.

Таким образом, в газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов и расплавов электролитов.

Заключение

Диэлектрик, материал, не проводящий электричество, например, изоляция, разделяющая два проводника в конденсаторе. У этих материалов имеется такой показатель, как диэлектрическая постоянная, определяющий, до какой степени материал может сопротивляться электрическому заряду. Диэлектрической прочностью называют то максимальное значение силы поля, которое диэлектрик выдерживает, не разрушаясь под воздействием ионизации. Во многих устройствах, работающих с малым расходом энергии, например, в настроечных конденсаторах радиоприемника, в качестве диэлектрика служит воздух.

Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции - линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т.п.

Список используемой литературы

Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб.для углубленного изучения физики/Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. - 2-е издание - М.: Дрофа, 1998. - 480 с.

Курс физики (в трех томах). Т.II. Электричество и магнетизм. Учеб.пособие для втузов./Детлаф А.А., Яворский Б. М., Милковская Л.Б. Изд. 4-е, перераб. - М.: Высшая школа, 1977. - 375 с.

Электричество./Э.Г. Калашников. Изд. «Наука», Москва, 1977.

Физика./Б.Б. Буховцев, Ю.Л. Климонтович, Г.Я. Мякишев. Издание 3-е, перераб. - М.: Просвещение, 1986.

www.electrolibrary.info

www. vsya-elektrotehnika.ru

www. elmatec.ru

Размещено на Allbest.ru