1.5.3. Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей. У некоторых твердых диэлектриков электропроводность может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях.

Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной электропроводности это явление не наблюдается. При прохождении электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы могут частично удаляться, выделяясь на электродах, как это имеет место в жидкостях.

В твердых диэлектриках ионного строения электропровод-

ность обусловлена главным образом перемещением ионов. При низких температурах передвигаются слабозакрепленные ионы, в

частности, ионы примесей. При высоких температурах освобож-даются и некоторые ионы из узлов кристаллической решетки.

В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей. Удельная проводимость их весьма мала. Для приближенных расчетов удельной проводимости в зависимости от температуры можно пользоваться также как и для жидких диэлектриков, выражением (17).

Некоторые диэлектрики (например, TiO₂ и другие титансодержащие материалы) обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями заряда часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов.

В твердых пористых диэлектриках при наличии в них влаги, даже в небольшом количестве, резко увеличивается электропроводность. Значения удельного объемного сопротивления твердых пористых диэлектриков при различной относительной влажности

воздуха и температуре приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения удельного объемного сопротивления твердых пористых диэлектриков при различной относительной влажности воздуха и температуре

Материал	Значения ρ, Ом⋅м при относительной влажности воздуха
	70% (t = 20°С)	0% (t = 100°С)	0% (t = 20°С)
Мрамор	106 – 108	1010 – 1012	1012 – 1014
Дерево	106 – 107	1010 – 1011	1011 – 1012
Фибра	106 – 107	108 – 109	1010 – 1011

Электропроводность диэлектрика зависит и от величины напряженности электрического поля. При больших напряженностях электрического поля от 10 до 100 кВ/мм в диэлектриках появляется электронная составляющая электропроводности, быстро возрастающая с увеличением напряженности электрического поля, в связи, с чем наблюдается нарушение закона Ома (рис. 18).

Рис. 18. Зависимость тока в твердом диэлектрике от напряжения (вольтамперная характеристика)

6. Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями (ДП) называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

ДП не желательны, так как нагрев приводит к ухудшению свойств диэлектрика и ускорению процессов теплового старения.

В силовой электротехнике нагрев приводит к уменьшению электрической прочности диэлектриков и, следовательно, к уменьшению надежности электрооборудования. В слаботочных устройствах нагрев приводит к уменьшению сопротивления изоляции и к увеличению токов утечки в цепях.

Однако, диэлектрические потери используются для термообработки материалов, который называется диэлектрическим нагревом. Диэлектрический нагрев отличается от классических способов нагрева тем, что он протекает равномерно по всему объему и не вызывает внутренних механических напряжений, которые возникают в материале в результате неравномерного распределения температуры.

Идеальным называют диэлектрик, в котором отсутствуют диэлектрические потери. В схеме замещения такого диэлектрика (рис. 3а) будет только конденсатор, следовательно, через диэлектрик будет протекать емкостной ток, имеющий угол сдвига с напряжением φ=90^о.

Потери мощности в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку диэлектрики не являются идеальными и в них всегда присутствует сквозной ток, обусловленный электропроводностью. При постоянном напряжении потери вызываются только одной сквозной проводимостью (объемной и поверхностной), а при переменном напряжении к ним добавляются потери на поляризацию.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать не в абсолютном виде, а рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями. Для многих изоляционных конструкций со сложной формой проблематично определить объем, чтобы оценить величину ДП, зная удельные потери. Поэтому для оценки ДП вводят показатель, который зависит только от качества материала, угол диэлектрических потерь (δ) и тангенс угла ДП (tgδ).

Рис. 19. Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика: а) параллельная; б) последовательная

Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи.

Рассмотрим схемы замещения конденсатора с диэлектриком, обладающим потерями, при воздействии на такой конденсатор переменного напряжения (рис. 19).

Используя схемы замещения и векторные диаграммы , выведем формулы для определения tgδ и мощности ДП. Для параллельной схемы замещения из векторной диаграммы на рис. 19:

(18)

Тогда мощность ДП:

(19)

Для последовательной схемы замещения:

(20)

(21)

Окончательно:

(22)

Так как мощность ДП не зависит от схемы замещения, то приравняв формулы (20) и (22), определим соотношение емкостей С_р и С_s:

(23)

Для высококачественных диэлектриков tg²δ значительно меньше единицы, поэтому:

(24)

(25)

Согласно формуле (24) диэлектрические потери пропорциональны квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте поля. Поэтому ДП имеют важное значение для материалов, используемых в высоковольтных высокочастотных устройствах. Материалы, предназначенные для использования в таких устройствах, должны отличаться малыми значениями угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости.