13. Удельные объемное и поверхностное сопротивления диэлектриков. Схемы измерения.

Удельное объемное электрическое сопротивление ρ_v, численно равное сопротивлению куба из исследуемого материала с ребром 1 м, через который проходит электрический ток от одной грани куба к противоположной. Для плоского образца диэлектрика (рис. 4.6) величина удельного объемного сопротивления определяется: (Ом*м) где R_v — объемное сопротивление образца; S — площадь электрода; d — толщина образца.

Удельное поверхностное сопротивление ρ_s, численно равно сопротивлению квадрата любого размера на поверхности материала при прохождении электрического тока через две его противоположные стороны. Для плоского образца диэлектрика (рис. 4.7) величина удельного поверхностного сопротивления определяется: (Ом) где R_s — поверхностное сопротивление образца; h — ширина электрода; l — расстояние между электродами.

Основной причиной появления поверхностной проводимости является влага, оседающая на поверхности диэлектрика. Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции складывается из его объемной и поверхностной проводимости. Сопротивление изоляции:

В случае измерения R_V верхний электрод (1) является измерительным и имеет нулевой потенциал. Охранное кольцо (2) также имеет нулевой потенциал и необходимо для исключения поверхностных токов. Нижний электрод (3) является потенциальным и необходим для создания электрического поля в исследуемом образце. При измерении R_S охранное кольцо (2) выступает в роли потенциального электрода, а нижний электрод (3) становится заземленным. Режим измерения выбирается с помощью переключателя (R_V / R_S). Измерительная ячейка с исследуемым образцом помещены в термостат, который дает возможность исследовать температурные зависимости R_V(T) и R_S(T).

13. Относительная диэлектрическая проницаемость. Факторы, влияющие на относительную диэлектрическую проницаемость.

Мерой поляризации диэлектрика является относительная диэлектрическая проницаемость. ОДП: где D — электрическая индукция, (Кл/м²), которая характеризует количество заряда, протекающего через некоторую поверхность, отнесенного к этой поверхности; Е — напряженность электрического поля, (В/м); ε₀ = 8,85·10^{- 12} Ф/м — электрическая постоянная. Относительная диэлектрическая проницаемость (ε) показывает во сколько раз емкость конденсатора (С_д) с диэлектриком больше емкости того же конденсатора, между обкладками которого вакуум (С_о): . Относительная диэлектрическая проницаемость газов близка к единице (ε_{воздуха} = 1,006), относительная диэлектрическая проницаемость жидкостей зависит от их полярности и меняется от 2 до 10 (у высоко полярных жидкостей может достигать 30), ′ твердых веществ колеблется от 2 до 10⁵ и более (керамика). Электронная поляризация: Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты электрического поля, вплоть до резонансной (10¹⁶ – 10¹⁷ Гц) (рис. 4.1, а). При росте температуры величина ε уменьшается из-за уменьшения плотности вещества, для неполярных полимеров наблюдается резкий скачок при температуре плавления (рис. 4.1, б).

Ионная поляризация: Относительная диэлектрическая проницаемость веществ, характеризующихся ионной поляризацией, также не зависит от частоты вплоть до резонансной (рис. 4.3, а). При росте температуры величина ε обычно возрастает, так как из-за уменьшения величины силы упругих связей увеличивается подвижность ионов (рис. 4.3, б), однако если ионная поляризация в веществе по своей значимости уступает электронной, то зависимость ε от температуры может иметь спадающий характер.

Дипольная поляризация: Для полярных диэлектриков до частоты равной 10⁶ – 10⁸ Гц величина ε практически не меняется, но когда период изменения внешнего электрического поля становится соизмеримым со временем установления дипольной поляризации, диэлектрическая проницаемость уменьшается до значения ε, соответствующего электронной поляризации (рис. 4.4, а). С ростом температуры вязкость вещества падает, следовательно, подвижность диполей, сегментов и радикалов увеличивается и ε возрастает, но при достижении определенной температуры Т*, тепловое движение будет настолько велико, что оно станет мешать ориентации диполей по направлению поля и ε постепенно станет уменьшаться (рис. 4.4, б).

Спонтанная поляризация присуща сегнетоэлектрикам, величина ε, может достигать 10000 и более. С ростом температуры относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков растет вплоть до температуры Кюри (Т_к), после достижения, которой ε резко падает.

13. Основные требования к электрофизическим свойствам жидких диэлектриков.

Электроизоляционные жидкости должны обеспечивать изоляцию токоведущих частей электрооборудования (трансформаторов, кабелей и др.), являться диэлектрической средой с высокой диэлектрической проницаемостью в конденсаторах, служить теплоотводящей средой, а также способствовать быстрому гашению электрической дуги в выключателях. Требования к жидким диэлектрикам определяются конструкцией оборудования, в котором они используются, а также условиями эксплуатации и экологической безопасностью. Электрическая прочность пропитывающих жидкостей должна быть высокой. Наряду с примесями на электрическую прочность жидкостей оказывает влияние также вид, длительность и значение приложенного напряжения, а также форма, материал и состояние поверхности электродов. Величина тангенса диэлектрических потерь пропитывающей жидкости должна быть минимальной. Величина tgδ зависит как от химической природы жидкости, так и от степени ее загрязнения различными примесями. Электрическое сопротивление пропитывающей жидкости должно быть высоким. Величина относительной диэлектрической проницаемости пропитывающей жидкости выбирается в зависимости от особенностей изоляции электрооборудования. Для изоляции трансформаторов и кабелей важно, чтобы значения ε пропитывающей жидкости и твердого изоляционного материала были бы достаточно близкими. В ряде случаев (например, для кабельной изоляции) величина относительной диэлектрической проницаемости должна быть минимальной, чтобы увеличить пропускную способность кабеля. Наоборот, для электрических конденсаторов необходимы пропитывающие жидкости с максимальным значением ε для увеличения удельных параметров конденсаторов. Стойкость к воздействию электрического поля (газостойкость) Пропитывающие жидкости для изоляции высоковольтного электрооборудования (конденсаторов, кабелей) должны характеризоваться высоким значением напряжения возникновения частичных разрядов (U_ЧР), низкой амплитудой и частотой повторения импульсов частичных разрядов (Q_ЧР, n_ЧР) и высокой способностью поглощать газообразные продукты старения. Определенный уровень вязкости, стабильность против окисления. Безопасность. Электроизоляционные жидкости должны быть негорючими, а смеси их паров с воздухом взрывобезопасными. Электроизоляционные жидкости должны быть совместимыми с твердой изоляцией и конструктивными материалами, используемыми в электрооборудовании Высокая способность пропитывающих жидкостей быстро и достаточно полно разрушаться под действием солнечной радиации и микроорганизмов (биодеградация)

Ни один из существующих жидких диэлектриков полностью не удовлетворяет этим требованиям. Поэтому при выборе жидкого диэлектрика обеспечивают их соответствие важнейшим требованиям, а наименее важными пренебрегают, недостатки диэлектрика компенсируют, вводя ограничения на условия эксплуатации

13. Проводники. Термо-э.д.с. Сплавы для термопар.

Проводники – материалы, имеющие свободные заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника под действием сколь угодно малого внешнего электрического поля В электрической цепи, составленной из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). Причины возникновения термо-ЭДС: 1. Разность в работе выхода электронов в проводниках; 2. Различие концентраций квазисвободных электронов в соединенных проводниках. Т2>Т1

Термо-ЭДС (u) в цепи, составленной из двух различных проводников А и В, определяется следующим выражением:

,где k – коэффициент Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; n_A – концентрация квазисвободных электронов в материале А; n_В – концентрация квазисвободных электронов в материале В; Ψ – термоэлектрический коэффициент. Термо-ЭДС, возникающая в месте контакта двух проводников, может быть использована в двух вариантах: 1. Если надо создать термопару, используемую для измерения температуры, необходимо подобрать проводники так, чтобы u была максимальна. 2. Если надо избежать возникновения паразитных ЭДС в электрической схеме, то следует подбирать такие проводники, чтобы u была минимальна. Сплавы для термопар. Сплавы на основе меди. Константан — (60 % Cu + 40 % Ni). Особенности константана: в контакте с медью он дает высокое значение термо-ЭДС, порядка 50 мкВ/°С. Интервал рабочих температур: (− 273 ÷ 400) ºС, кратковременно до 700 ºС; имеется слабая зависимость удельного электрического сопротивления от температуры. Копель — (56 % Cu + 44 % Ni). В сплав также входит небольшое количество кобальта. Сплавы на основе никеля. Алюмель — (95 % Ni + 5 % (Al, Si, Mn, Co)), его рабочая температура достигает 600 °С. Хромель — (90 % Ni + 10 % Cr + 1 % Co), его рабочая температура до 1000 °С.