Контрольные вопросы.

1. Какова природа электрического тока в металлах и электролитах ? 2. Каков физический смысл понятий: «удельное электрическое сопротивление материала» и «электрическое сопротивление проводника»? 3. Какова зависимость электрической проводимости металлов и электролитов от их температуры? 4. Какова сущность явления сверхпроводимости и перспективы его использования? 5. Каков физический смысл температурного коэффициента сопротивления применительно к металлам и электролитам? 6. Как влияют пластическая деформация и наличие примесей на электрическую проводимость металлов? 7. Перечислите требования, предъявляемые к проводниковым материалам с малым удельным сопротивлением. 8. Каковы основные электрофизические свойства меди и её сплавов, проводникового алюминия? 9. Какова технология изготовления электроугольных изделий? 10. Каковы области использования электроугольных изделий? 11. Каковы свойства металлокерамических контактных материалов? 12. Какими характерными свойствами обладают и как используются металлы с высоким удельным электрическим сопротивлением? 13. В чём состоит эффект Зеебека и каково его практическое применение? 14. Какие материалы необходимы для выполнения пайки и как они используются? 15. В чём заключаются особенности пайки алюминия? 16. Поясните физическую сущность явления электролитической диссоциации в электролитах. 17. Как влияют на электрическую проводимость электролитов их температура и концентрация? 18. Как вычислить удельное сопротивление электролита при температуре, отличной от табличного значения? 19. Какова закономерность явления электролиза, установленная Майклом Фарадеем? 20. Каковы области использования электрохимических явлений, сопровождающих электролиз?

Глава 3. Электроизоляционные материалы

3.1. Электропроводность диэлектриков

Диэлектрики обладают весьма высоким удельным электрическим сопротивлением, достигающим 10⁸…10¹⁸ Ом·м, так как содержат весьма малое количество свободных носителей зарядов. В отличие от проводников, для которых характерны электродинамические явления, связанные с упорядоченным движением огромного количества свободных зарядов, в диэлектриках преобладают электростатические явления, обусловленные наличием электрических полей.

Электроизоляционные материалы (диэлектрики) используют для разделения проводников тока с целью предотвращения электрического контакта между ними, для образования нетокопроводящих механических связей между частями электроустановок с отличающимися электрическими потенциалами. Диэлектрик между обкладками конденсатора образует его электрическую ёмкость.

Д вижение свободных электронов и ионов изоляционного материала под действием электрического поля обуславливает протекание токов утечки. Токи утечки вызваны как электропроводностью массы самого материала, так и электропроводностью слоя, образованного загрязнением и влагой на его поверхности. Соответственно различают объёмные (_v) и поверхностные (_s) токи.

С

Рис. 3.1. Поверхностный _s и объёмный _v токи утечки через изолятор. 1 — провод, 2 — тело изолятора, 3 — заземлённая арматура

провода 1 (рис. 3-1) на заземлённую стальную арматуру 3 через изолятор 2 под действием напряжения протекают токи утечки, которые в соответствии с законом Джоуля-Ленца нагревают изоляционный материал. Объёмный ток _v нагревает тело изолятора, ухудшая его изоляционные качества. При локальном нагреве возможен раскол изолятора, выполненного из керамики или стекла. Поверхностный ток _s нагревает поверхность изолятора, но её охлаждает окружающая среда, нагрев обычно слаб и не оказывает серьёзного влияния на качества изоляционного материала.

Токи утечки определяются электрическим сопротивлением изоляционного материала.

Объёмное сопротивление образца изоляционного материала зависит от объемного удельного электрического сопротивления материала, толщины образца и площади приложенных к нему электродов (3.1) (рис. 3.2).

R _v = _v h / S . (3.1)

Измерив объёмное сопротивление при известных толщине образца и площади электродов, можно вычислить (3.2) удельное объемное электрическое сопротивление изоляционного материала, которое обычно находится в пределах 10⁸…10¹⁸ Ом·м .



Рис. 3.2. К определению объёмного тока сквозь диэлектрик

_v = R_v h / S . (3.2)

Поверхностное сопротивление образца изоляционного материала зависит от удельного поверхностного электрического сопротивления материала, длины электродов и расстояния между ними (рис. 3.3).

R _s = _s b / l . (3.3)

И

Рис. 3.3. К определению тока по поверхности диэлектрика

змерив поверхностное сопротивление при известных длине электродов и расстоянии между ними, можно вычислить (3.4) удельное поверхностное сопротивление изоляционного материала, которое достигает 10⁹…10¹⁶ Ом :

_s = R_s l / b . (3.4)

Д ля определения сопротивления обычно используют метод «вольтметра — амперметра»: подав на измерительные электроды известное напряжение, измеряют объёмный или поверхностный токи, а затем, руководствуясь законом Ома, вычисляют соответствующее сопротивление.

Для раздельного измерения объёмного и поверхностного токов используют специальную систему электродов [3, 5].

Температура влияет на удельное электрическое сопротивление изоляционного материала :

₂ = ₁ [ 1 + ( t₂ – t₁ )] , (3.5)

г

Рис. 3.4. Влияние температуры на удельное электрическое сопротивление диэлектриков (1) и металлов (2)

де ₁ и ₂ — удельные электрические сопротивления при температурах t₁ и t₂ соответственно,

 — температурный коэффициент сопротивления материала.

В отличие от металлических проводников, температурный коэффициент которых положителен и их удельное сопротивление растёт с увеличением температуры (рис.3.4), температурный коэффициент удельного сопротивления изоляционных материалов отрицателен. При нагреве их удельное сопротивление уменьшается, объёмный ток увеличивается и усиливает нагрев изоляционного материала. Рост тока может приобрести лавинообразный характер, тогда свершится пробой изоляции, который приведёт к аварии электроустановки.