1.Строение вещества. Зонная теория твёрдых тел.

Строение вещества

Независимо от того, в каком состоянии - газообразном, жидком или твердом - находится вещество, оно всегда состоит из мельчайших единиц, называемых атомами. В природе встречается огромное количество различных видов атомов, начиная от самых простых - атомов водорода - и кончая наиболее массивными - атомами урана.

Атом не является наименьшей структурной единицей вещества; атомы состоят из еще более мелких частиц, образующих систему, которая напоминает систему планет, обращающихся вокруг центрального ядра Солнца. Для наших целей достаточно рассмотреть три типа частиц:электроны, имеющие отрицательный электрический заряд и чрезвычайно малую массу (вес);протоны, несущие положительный электрический заряд и имеющие массу, которая в 1800 раз больше массы электрона,и, наконец, нейтроны, лишенные электрического заряда, но имеющие почти такую же массу, как и протоны.

Ионами называют как положительно, так и отрицательно заряженные атомы. Так как частицы, имеющие противоположные электрические заряды, взаимно притягиваются, положительные и отрицательные ионы имеют тенденцию соединяться друг с другом, образуя ионную, или электростатическую, связь.

ЗОННАЯ ТЕОРИЯ - один из осн. разделов квантовой теории твёрдых тел. 3. т. описывает движение электронов в кристаллах и является основой совр. теории металлов, полупроводников и диэлектриков.

кристаллы, у к-рых ниж. зоны полностью заполнены, а верхние пустые, являются диэлектриками или полупроводниками. Верхняя из заполненных зон таких кристаллов наз. валентной зоной, а нижняя из пустых - зоной проводимости (рис. 2, а). 

2.Электротехнические материалы. Классификация. Область применения.

Классификация электротехнических материалов.

   Для производства элементов электроустановок, их монтирования и сборки используют всевозможные электротехнические материалы. Эти материалы подразделяются: 1.    по способности пропускать электрический ток:         а) проводники;          б диэлектрики;         в) полупроводники; 2.    назначению:         а) материалы для изготовления токоведущих частей;         б) изолирующие, изоляционные материалы;         в) магниты;         г) конструкционные;          д) вспомогательные;  3. агрегатному состоянию:         а) твердые;         б) жидкие;         г) газообразные; 4. химическому составу:        а) чистые элементы;        б) химические соединения элементов и смеси.

Электроизоляционные материалы практически не проводят электрический ток, часто их называют, диэлектриками, обладают большим удельным сопротивлением, порядка 10/8 – 10/13 Ом.м. Они используются для изолирования токоведущих частей электроустановок. Полупроводниковые материалы, а точнее удельное сопротивление полупроводников изменяется в очень большом интервале по сравнению с диэлектриками и проводниками – от 10/-5 до 10/8 Ом-м. 

3. Основные показатели электрических свойств диэлектриков.

Основные электрические свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 3.

 

 

Таблица 3 - Электрические свойства диэлектриков и их характеристики

Свойство	Характеристика	Обозначение
Поляризация	Относительная диэлектричес-кая проницаемость	ε
Электропроводность	Удельное электрическое сопротивление	ρ, Ом·м
Диэлектрические потери	Тангенс угла диэлектрических потерь	tgδ
Электрическая прочность	Пробивная напряженность	Епр, МВ/м

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние.

Параметр e, характеризующий способность материала образовывать емкость, называется относительной диэлектрической проницаемостью.

Диэлектрические потери — электрическая мощность, поглощаемая в диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения. Эта мощность рассеивается, превращаясь в теплоту. 

Электрическая проводимость диэлектриков зависит и от напряженности электрического поля.

4. Процесс поляризации.Виды.Свойства.

Электронная поляризация Представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время ее свершения 10-15 см. От температуры не зависит.

Ионная поляризация Характерна для твердых тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов на расстоянии меньше постоянной решетки.

Дипольно-релаксационная поляризация Связана с тем, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом состоянии под действием поля ориентируются в направлении поля. При снятии поля поляризация нарушается беспорядочным тепловым движением молекул. Время установления и нарушения поляризации определяется временем релаксации дипольных молекул.

Ионно-релаксационная поляризация (ИРП) Происходит в диэлектриках с неплотной установкой ионов (в неорганических стеклах и некоторых кристаллических веществах). При наличии эл. поля слабо связанные ионы получают избыточную энергию, заставляя их перебрасываться на значительные расстояния (в направлении поля), превышающие упругие смещения (постоянную решетки)

Электронно-релаксационная поляризация (ЭРП) Происходит за счет теплового возбуждения электронов. Характерна для диэлектриков с электронной проводимостью (двуокись титана с примесью ионов бария, кальция). Наличие максимума дает при отрицательных температурах.

 Упруго-дипольная поляризация (УДП) Наблюдается в некоторых кристаллах, в которых дипольные молекулы закреплены и ограниченно поворачиваются на определенный угол. Малая величина.

Структурная поляризация (СП) Обусловлена наличием слоев с различной проводимостью, включением примесей, особенно при высоких градиентах напряжения. В диэлектриках слоистой или другой неоднородной структуры (гетинакс, гепсолит и др.). Связана с большими потерями, как пол. Замедленного типа.

Поляризация ядерного смещения (ПЯС) Возникает за счет смещения ядер в атомах и молекулах под действием электрического поля. Не зависит от частоты и температуры. Время 10-13 сек.

Спонтанная поляризация Возникает при отсутствии внешнего эл. поля. Однако направление ориентации электрических моментов различно. Воздействие электрического поля способствует преимущественно ориентации моментов в направлении поля и может создавать эффект поляризации с очень большим значением (до 50000). Эта поляризация зависит от температуры . Характер (не происходит на высших частотах), имеет диэлектрические .

Остаточная Характеризуется длительным сохранением поляризованного состояния после снятия эл. поля.

5. Относительная диэлектрическая проницаемость.

Относи́тельная диэлектри́ческая проница́емость среды ε — безразмерная физическая величина,характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды. Связана с эффектом поляризациидиэлектриков под действием электрического поля (и с характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды).

Увлажнение заметно увеличивает ε гигроскопического диэлектрика, что в первую очередь можно объяснить высокими значениями ε воды (ε = 81). Вместе с тем при увлажнении уменьшается удельное сопротивление, увеличивается угол диэлектрических потерь и уменьшается электрическая прочность диэлектрика. Для линейных диэлектриков, используемых главным образом в качестве электрической изоляции и диэлектрика конденсаторов, ε в большинстве случаев может считаться практически не зависящей от напряжения, приложенного к диэлектрику. Сильно выраженная зависимость ε от напряжения характерна для сегнетоэлектриков.

Характер температурной зависимости диэлектрической проницаемости диэлектриков с различными видами поляризаций часто определяют с помощью температурного коэффициента диэлектрической проницаемости:

(2.27)

Влияние давления на диэлектрическую проницаемость учитывается барическим коэффициентом  диэлектрической  проницаемости:

6.Процесс электропроводности.

Процесс электропроводности, обусловленный перемещением ионов или молионов, связан с переносом вещества - ионов, молио-нов. Поэтому при постоянном напряжении с течением времени концентрация таких заряженных частиц в объеме диэлектрика уменьшается, изменяются протекающий ток и удельная проводимость диэлектрика. Это явление используют для электроочистки, где нежелательные примеси в диэлектрике, диссоциирующие на ионы, удаляются из диэлектрика в результате процесса электропроводности на постоянном напряжении.

Электропроводность газов. Газы при небольших значениях на пряжённости электрического поля обладают очень малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений ионизированных частиц самого газа, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа. Этот процесс называется ударной ионизацией.

Электропроводность жидких диэлектриков. Подавляющее большинство жидких диэлектриков характеризуется ионной электропроводностью.

Электропроводность твёрдых тел обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов – наличием свободных электронов.

Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды. При электронной электропроводности это явление не наблюдается.

В процессе прохождения электрического тока через твёрдый диэлектрик содержащиеся в нём ионы примесей могут частично удаляться, выделяясь на электродах, что с течением времени приводит к уменьшению проводимости и тока.

7. удельные объёмные и поверхностное сопротивление.

Удельное объемное сопротивление ( )— численно равно сопротивлению куба с ребром в 1 м (мысленно выделенного из исследуемого материала) при протекании тока через две противоположные грани куба

 ρ_V = R_V  S / h = U  S/( I_V  h),  

Удельное поверхностное сопротивление  численно равно сопротивлению квадрата (мысленно выделенного на поверхности исследуемого материала), если ток протекает через две противоположные стороны этого квадрата

Удельное поверхностное сопротивление диэлектриков является параметром диэлектрика и зависит от природы диэлектрика, температуры, влажности и приложенного напряжения. Вода обладает значительной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы обнаружить заметную проводимость, которая определяется в основном толщиной этого слоя. Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности диэлектрика.

8.Диэлектрические потери.

диэлектрические потери — это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Виды диэлектрических потерь

1) Потери на электропроводность. Обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную.

2) Релаксационные потери. Обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно больших частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля. Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации. Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в материалах со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его свойств. Случайными примесями в диэлектрике могут быть, в частности, полупроводящие вещества, например, восстановленные оксиды, образовавшиеся в диэлектрике или попавшие в него в процессе изготовления.

3) Ионизационные потери. Свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

4) Резонансные потери. Наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества.

Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации молекул газа, очень малы. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации из-за больших расстояний между молекулами не сопровождается диэлектрическими потерями.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках.Среди жидких диэлектриков следует отдельно рассматривать неполярные и полярные.

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. У чистых жидких диэлектриков электропроводность мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Можно рассчитать tgδ по формуле (1). Например, для нефтяного конденсаторного масла получим tgδ ≈ 0,001. Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков зависят от температуры, так как с увеличением температуры уменьшается удельное сопротивление жидкого диэлектрика. У неполярного диэлектрика tgδ с ростом частоты уменьшается. А диэлектрические потери не зависят от частоты.

В полярныхжидкостях потери обусловлены двумя причинами:

а) электропроводностью; б) дипольной поляризацией.

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках.В твёрдых диэлектриках возможны все виды поляризации и потерь. Для выяснения общих закономерностей твёрдые диэлектрики делят на следующие группы.

1. Диэлектрики молекулярной структуры:

а) неполярные, б) полярные.

2. Диэлектрики ионной структуры:

а) плотной упаковки, б) неплотной упаковки.

3. Сегнетоэлектрики.

4. Диэлектрики неоднородной структуры.

9.Токи: абсорбции, ёмкостный, проводимости, утечки.

1. Ток утечки — сквозной ток проводимости, протекающий между двумя или несколькими электродами через диэлектрик между этими электродами под действием постоянного напряжения.

2. (Электрический) ток проводимости Явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или в пустоте, количественно характеризуемое скалярной величиной, равной производной по времени от электрического заряда, переносимого свободными носителями заряда сквозь рассматриваемую поверхность

3. Емкостный ток линии, компенсируя реактивную составляющую тока нагрузки, уменьшает полный ток в начале линии. емкостной ток, появляется на длинных линиях, когда провод и земля работают как обкладки конденсатора. то есть появляется некая емкость, а так как напряжение переменное, то и появляется емкостной ток.