2.2. Электропроводность диэлектриков

По сравнению с проводниками токи в диэлектриках очень малы даже при больших напряжениях.

Электропроводность газообразных диэлектриков обусловлена движением свободных электронов и ионов под воздействием приложенного напряжения и создающих ток проводимости. Электропроводность твердых диэлектриков обусловлена, главным образом, движением ионов. Ионы - это атомы, которые потеряли или приобрели некоторое количество электронов по сравнению с нейтральным атомом. Избыток электронов придает отрицательный заряд, а недостаток - положительный. Только в некоторых немногих диэлектриках при небольших напряжениях может наблюдаться электронная проводимость. Обычно электронный ток возникает при очень больших напряженностях электрического поля в состояние, близких к пробою.

Источники ионов - различные примеси в веществе диэлектрика: вода, органические кислоты, окислы. Ионы примесей возбуждают в твердом диэлектрике примесную электропроводность, которая наблюдается в области нормальных температур. В области повышенных температур возникает собственная электропроводность, обусловленная ионизацией атомов самого диэлектрика. Таким образом, оценка качества диэлектрика должна проводиться в широком диапазоне температур. Например, ультрафарфор при температурах до 120°С является хорошим диэлектриком, но при более высокой температуре его проводимость резко возрастает, что влечет за собой возрастание tg5 и падение электрического сопротивления.

2.3. Потери энергии в диэлектриках

П отери энергии в диэлектрике определяются величиной tg. График изменения tg, а следовательно, активных потерь в зависимости от температуры материала представлен на рис.2.3. Рост потерь в неполярном диэлектрике объясняется увеличением тока проводимости. В полярном диэлектрике до температуры T₁ увеличение потерь вызывается ростом затрат энергии на ориентацию полярных молекул. В диапазоне T₁-T₂ происходит переход ориентированных полярных молекул в состояние хаотичных тепловых колебаний, т. е. потеря полярных свойств. При температуре выше Т₂ рост потерь обусловлен увеличением тока проводимости как в неполярном диэлектрике.

Рис. 2.3. Зависимость потерь энергии от температуры:

1 - полярный диэлектрик;

2- неполярный диэлектрик.

Представляет интерес анализ влияния частоты напряжения на потери энергии в диэлектрике. В неполярном диэлектрике потери с ростом частоты уменьшаются, что можно объяснить снижением тока проводимости из-за того, что ионы не успевают перемещаться за время одного полупериода подведенного напряжения. В полярном диэлектрике до некоторого значения частоты fм потери растут из-за увеличения затрат энергии на ориентацию диполей, а начиная с частоты fм уменьшаются, так как диполи не успевают переориентироваться за время полупериода - рис. 2.4.

Р еальные графики зависимости потерь от температуры и частоты могут отличаться от приведенных на рис. 2.3. и рис. 2.4. из-за наличия в диэлектрике нескольких видов поляризации различных компонентов и примесей.

Рис. 2.4. Зависимость потерь энергии от частоты подведенного напряжения:

1 - полярный диэлектрик;

2- неполярный диэлектрик.

Мощность, рассеиваемая в твердом диэлектрике конденсатора:

Pa = U²  С tg

Здесь - U - напряжение на конденсаторе,  = 2 f- круговая частота, С - емкость конденсатора.

При работе диэлектрика на больших частотах он должен обладать малыми tg и s, иначе потери мощности будут недопустимо велики.

Р ис. 2.5. Зависимость электрической прочности от температуры:

1 -электрический пробой;

2 - тепловой пробой.

В газовых диэлектриках при напряжениях, меньше порога ионизации, диэлектрические потерн очень малы. Источником потерь является только ток проводимости. Величина tg для газовых диэлектриков обычно менее 4 10^-8. При достижении порога ионизации резко увеличиваются потери в диэлектрике. После того, как весь газ ионизируется рост потерь с увеличением напряжения уменьшается. Следует отметить, что сам факт зависимости tg от напряжения в твердом диэлектрике свидетельствует о наличии газовых включений. Ионизация, особенно на высоких частотах, может привести к нагреву и разрушению изделий с газовой изоляцией. Кроме того, в процессе ионизации возникают химически активные ионы кислорода (озон) и азота, разлагающие органическую изоляцию.

Рис. 2.6. Зависимость электрической прочности твердого

диэлектрика от его толщины:

1 - электрический пробой;

2 - тепловой пробой.

Характер потерь в жидких диэлектриках аналогичен потерям в твердых диэлектриках. Особенность состоит в учете вязкости. В вязких полярных жидкостях потери на поляризацию малы, так как диполи не успевают ориентироваться в переменном электрическом поле. Если вязкость мала, то ориентация диполей происходит без трения и потери энергии незначительны. Максимальное значение потерь приходится на полярные жидкости средней вязкости.