ИЭ / Экзамен / Учебное пособие ЭТМ

Чем сильнее полярность жидкости, тем больше ее относительная диэлектрическая проницаемость ε и тем выше электропроводность γ (табл. 4.1).

Ионная электропроводность с ростом температуры возрастает по экспоненциальному закону:

где W1 и W2 — энергии активации проводимости ионов жидкости и

примесей; k — коэффициент Больцмана (8,6·10- 5 эВ ); А1 и А2 — по-

К

стоянные, характерные для жидкости и примесей.

Молионная или катафоретическая проводимость наблюдает-

ся в коллоидных системах, в которых носителями заряда являются группы молекул, так называемые молионы. Коллоидная система — смесь двух веществ (фаз), причем одна фаза в виде мелких частиц (дисперсная фаза) равномерно взвешена в другой фазе (дисперсионной среде). Молионная проводимость имеет место, например, в маслах, содержащих воду и т. д.

Для диэлектрических жидкостей выполняется правило Вальдена, заключающееся в том, что произведение удельной проводимости γ на вязкость жидкости η является константой и не зависит от температуры:

54

Практическое значение правила Вальдена заключается в том, что зная γ, можно определить η и наоборот. Отклонение от правила Вальдена возможно по следующим причинам:

электропроводность имеет примесный характер; когда концентрация ионов зависит от температуры;

при активном пропускании постоянного тока происходит истощение ионной проводимости, и ток носит электронный характер.

Характерная зависимость электропроводности диэлектрических жидкостей от напряженности электрического поля приведена на рис. 4.9. Ток в жидкости в полях до 105 В/см меняется по линейному закону, то есть электропроводность остается величиной постоянной. При дальнейшем увеличении электрического поля электрический ток быстро возрастает. При этом происходят явления, характерные для сильных полей (эмиссия электронов с катода и др.), и ток носит в основном электронный характер.

Рис. 4.9. Зависимость тока от напряженности электрического поля для очищенного ксилола

Электропроводность твердых диэлектриков

В твердых диэлектриках наиболее характерна ионная электропроводность, которая преимущественно обусловлена движением ионов примесей. В кристаллах диэлектриков примеси способствуют

55

ослаблению связей в кристаллической решетке, что приводит к диссоциации самого диэлектрика и появлению собственных носителей заряда.

При низких температурах электропроводность твердых диэлектриков обусловлена в основном примесями, а при высоких — собственными носителями, из-за этого возникает излом в зависимости ло-

гарифма электропроводности lnγ от обратной температуры 1

T

(рис. 4.10). В некоторых случаях изломы могут быть обусловлены также различием в значениях энергий диссоциаций ионов основного вещества.

ln γ

1

T

Рис. 4.10. Зависимости lnγ = f(1/Т) для твердых диэлектриков с различным характером электропроводности

Представленные на рис. 4.10 графики характеризуют определенный характер проводимости твердого диэлектрика: 1 — зависимость для чисто примесной проводимости; 2, 3 — зависимости для смешанной (собственной и примесной) проводимости (для графика 2 характерно большее содержание примесей); 4 — зависимость для чисто собственной проводимости.

Для малых температурных интервалов объемное удельное сопротивление твердых диэлектриков можно вычислить по формуле:

где ρ1 и ρ2 — удельные сопротивления при температурах t1 и t2 соответственно; α — коэффициент, зависящий от природы диэлектрика:

56

для органических диэлектриков α = 0,03 – 0,04, а для неорганиче-

ских — α = 0,01 – 0,015.

Электропроводность твердых диэлектриков определяется содержанием влаги в объеме и на поверхности образца, так как вода об-

ладает высокой электропроводностью ( γН2О =10-3 ÷10 - 4Ом-1м-1 ) и повышенным значением диэлектрической проницаемости ( εН2О = 81).

В присутствии воды происходит диссоциация молекул примесей, что увеличивает число свободных носителей заряда и увеличивает проводимость. Силы, действующие между полярными молекулами воды и молекулами поверхности диэлектрика, могут быть притягивающими (гидрофильными поверхности), либо отталкивающими (гидрофобными поверхности). Гидрофильные — полярные диэлектрики со смачиваемой поверхностью. Гидрофобные — неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой.

На рис. 4.11 представлены качественные зависимости удельных объемного и поверхностного сопротивлений для различных типов (гидрофильных и гидрофобных) твердых диэлектриков от содержания влаги.

Рис. 4.11. Зависимости удельного поверхностного и объемного сопротивлений от содержания влаги для разных типов твердых диэлектриков;

1 — диэлектрик, смачиваемый водой и поглощающий влагу; 2 — диэлектрик смачиваемый, но не поглощающий влагу; 3 — диэлектрик, не смачиваемый и не поглощающий влагу

57

4.2.3. Диэлектрические потери

Диэлектрические потери — та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла и приводит его нагреву. В результате электроизоляционная конструкция постепенно теряет свои свойства, и может утратить тепловую устойчивость, вследствие чего произойдет тепловой пробой.

Диэлектрические потери при постоянном напряжении

В постоянном электрическом поле рассеиваемая мощность обусловлена только током электронной проводимости и определяется с помощью закона Джоуля – Ленца:

где U — постоянное напряжение; Rиз — сопротивление изоляции, измеряемое на постоянном напряжении.

Таким образом, при постоянном напряжении потери обусловлены только направленным движением свободных носителей заряда: ионы и более крупные коллоидные частицы — молионы (в случае загрязненных жидкостей).

Диэлектрические потери при переменном напряжении

Диэлектрические потери при переменном напряжении складываются из четырех составляющих.

Потери, обусловленные проводимостью (потери от сквозного тока через диэлектрик). Электропроводность и потери, связанные с электропроводностью, не являются постоянными величинами. Электропроводность зависит от ряда факторов, в частности от температуры, с ростом которой возрастает подвижность носителей, и может вырасти их число, например из-за диссоциации на ионы молекул воды.

Этот вид проводимости свойственен всем диэлектрикам (полярным и неполярным). Для неполярных он часто единственный вид диэлектрических потерь.

58

Потери от релаксационных видов поляризации. В этом случае потери вызваны внутренним трением при ориентации диполей. Наиболее значимыми видами потерь данной группы являются дипольнорелаксационные потери для диэлектриков с молекулярным строением и ионно-релаксационные для диэлектриков ионного строения.

Особую группу диэлектриков составляют полимеры, так как они состоят из длинных цепных молекул, каждая их которых содержит в себе повторяющиеся элементарные звенья. Подобное строение приводит к тому, что в полимерах могут присутствовать дипольносегментальные потери и дипольно-групповые потери.

Дипольно-сегментальные потери вызваны дипольносегментальной поляризацией, т. е. смещением по направлению электрического поля отдельных отрезков молекул (сегментов). Проявляется этот вид поляризации при температуре большей, чем температура стеклования (температура при которой молекулы приобретают гибкость, а ее отрезки подвижность). Этот вид потерь присущ полярным и неполярным полимерам, а с точки зрения их строения он реализуется для аморфных материалов, а также для аморфных областей кристаллических полимеров.

Дипольно-групповые потери вызваны дипольно-групповой поляризацией, которая обусловлена подвижностью полярных групп (–Cl–OH и –F– СООН). Данный вид поляризации свойственен полярным полимерам, аморфным и кристаллическим и проявляется при температуре меньшей температуры стеклования.

Ионизационные потери (потери от частичных разрядов) — потери от ионизации газовых включений в твердых и жидких диэлектриках, в первых в виде трещин и пор, а во вторых в виде пузырьков. Особое место среди диэлектриков занимает целлюлозные материалы и биополимер хитозан, которые содержат поры и воздух во всех своих структурных элементах. Целлюлозные диэлектрики (бумага и картон) используются в пропитанном состоянии для увеличения их электрической прочности.

59

Резонансные потери проявляются при очень высоких частотах, порядка 1012 – 10 15 Гц, когда период изменения электрического поля соизмерим со временем установления мгновенных типов поляризации.

Таким образом, потери при переменном напряжении равны и больше потерь в постоянном электрическом поле и определяются более сложными закономерностями.

Угол диэлектрических потерь

Количественно диэлектрические потери в переменном электри-

чаще тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ).

Если проводник поместить в электрическое поле, то вектора напряжения и тока для него совпадут. Ток в этом случае чисто активный (Ia) и угол сдвига между этими векторами φ = 0.

Если в цепь переменного синусоидального напряжения включить конденсатор с идеальным диэлектриком (нет потерь от сквозной проводимости), то ток в этом случае чисто емкостной Ic, а угол сдвига фаз равен 90° ( рис. 4.12), следовательно, мощность равна нулю

( P = UIcosϕ = 0 ).

Рис. 4.12. Векторная диаграмма идеального конденсатора

Если в ту же цепь включен конденсатор с диэлектриком с потерями, то угол φ будет меньше 90° ( рис. 4.13).

60

трика при переменном напряжении.

Потери пропорциональны напряженности электрического поля и частоте. Если диэлектрик в той или иной конструкции должен работать на высокой частоте и большой напряженности поля, то необходимо выбирать материал с малыми значениями ε r и tgδ .

Факторы, влияющие на диэлектрические потери

Температура. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью, прямо пропорциональны удельной активной электропроводности, значение которой возрастает с ростом температуры, следовательно, и tgδскв также возрастает (рис. 4.14, кривая 1).

Дипольно-релаксационные потери будут иметь максимум (кривая 2), поскольку при низкой температуре вязкость вещества велика и велики силы трения, препятствующие ориентации диполей. С ростом температуры вязкость диэлектрика понижается, а подвижность диполей возрастает, а, следовательно, возрастают и диэлектрические потери. При высоких температурах вязкость становится столь низкой,

62