Электроматериаловедение. Практикум для СПО

6.1. Основные сведения

Пробой – это сложное физическое явление, в результате которого диэлектрик (вещество, практически не проводящее электрический ток) превращается в проводник тока. Электрический ток при пробое диэлектрика возрастает в миллиарды раз. Электрический пробой существенно зависит от структуры диэлектрика, скорости изменения электрического поля, формы и химического состава электродов, температуры и физических свойств окружающей среды, уровня радиации и освещенности и др.

При пробое диэлектрика различают две стадии:

1)потеря электрической прочности. При пороговом значении напряженности электрического поля происходит нарушение стационарного режима электропроводности (ток сквозной проводимости начинает резко возрастать);

2)электрический разряд через диэлектрик. Образование проводящего канала (канала пробоя). Вещество в канале пробоя находится в состоянии плазмы (совокупность ионов и электронов).

В физике диэлектриков, как правило, основное внимание уделяется исследованию микроскопических механизмов процессов, приводящих к потере электрической прочности диэлектриков (первая стадия пробоя). На основании исследований проводят расчеты по оценке напряженности электрического поля при пробое. Теория второй стадии электрического пробоя разработана в меньшей степени из-за сильного влияния на пробой физикохимических свойств диэлектриков.

Необратимые разрушения на второй стадии пробоя происходят только в твердых диэлектриках. Когда мощность источника напряжения велика, то пробой завершается электрической дугой, которая приводит к значительным разрушениям структуры диэлектрика и его обугливанию; а если мощность источника невелика, то пробой завершается искровым разрядом, который проплавляет в твердом диэлектрике узкий канал с повышенной проводимостью. В обоих случаях такой диэлектрик повторно использовать

вкачестве изолятора уже невозможно.

В жидких и газообразных диэлектриках после завершения пробоя (например, после отключения источника напряжения) со временем электроны и ионы рекомбинируют и такие диэлектрики восстанавливают свои электроизоляционные свойства, хотя в жидких диэлектриках последствия пробоя обнаруживаются в виде продуктов химического разложения, которые накапливаются и при многократных повторениях пробоя приводят к снижению электрической прочности жидкого диэлектрика.

Основным механизмом электрического пробоя на первой стадии большинство исследователей считают механизм ударной ионизации электронами. Электрон, ускоренный электрическим полем, взаимодействует с

51

молекулами (атомами или ионами) диэлектрика, результатом такого взаимодействия может быть ионизация последних и появление новых электронов. После взаимодействия (соударения) число свободных электронов в диэлектрике удваивается, так что после n ионизаций каждый начальный электрон вызывает лавину из 2n электронов. В этой связи концентрация носителей заряда в диэлектрике нарастает очень интенсивно, что приводит к резкому возрастанию тока сквозной проводимости и в итоге к пробою диэлектрика.

Если напряжение, приложенное к диэлектрику, меньше пробивного, то энергия, приобретаемая электроном в электрическом поле, расходуется на соударения с молекулами, атомами или ионами без ионизации последних.

Характеристиками пробоя диэлектриков являются пробивное напряжение и электрическая прочность. Пробивное напряжение – это напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, обозначается Uпр и измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность – это напряженность электрического поля, при котором происходит пробой диэлектрика, обозначается Eпр, оценивается следующим образом:

Eпр = Uпр/h,

где h – толщина диэлектрика, МВ/м или кВ/м.

Пробой диэлектриков зависит от агрегатного состояния диэлектрика. Пробой газообразных диэлектриков, например, обусловлен явлением ударной и фотонной ионизации. Условием, при котором развивается ударная ионизация, является [1]

W ≥ Wи,

где Wи – энергия ионизации атома или молекулы газа, которая лежит в пределах 4…25 эВ; W – энергия электрона, приобретаемая им в электрическом поле.

W = Eqλ,

где E – напряженность электрического поля; q – заряд электрона; λ – длина свободного пробега электрона.

Фотонная ионизация способствует формированию и развитию стримера в газообразных диэлектриках [1].

Электрическая прочность жидких диэлектриков значительно выше, чем у газообразных диэлектриков, и зависит в основном от примесей диэлектриков, от которых сложно избавиться [1].

Пробой твердых диэлектриков может быть обусловлен как электрическими, так и тепловыми процессами, возникающими под действием электрического поля. Различают три основных вида пробоя твердых диэлектриков: электрический, тепловой, электрохимический [1]. Любой из указанных видов пробоя может развиваться в одном и том же материале в зависи-

52

мости от характера электрического поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), в котором находится диэлектрик, времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, в частности закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т.д.

6.2.Методика определения электрической прочности диэлектриков

Для исследования электрической прочности диэлектриков, прежде всего, необходимы испытательные ячейки, которые, как правило, состоят из двух металлических электродов либо плоских, либо сферических, либо игольчатых [6]. Между электродами размещают диэлектрик, затем испытательную ячейку с диэлектриком подключают во вторичную обмотку высоковольтного трансформатора Т2 (рис. 6.1, клеммы 1, 2), являющегося основным элементом испытательной установки.

Рис. 6.1

Напряжение, прикладываемое к диэлектрику, можно регулировать с помощью автотрансформатора Т1, измерять вольтметром V, предварительно отградуировав его. Лампы Л1, Л2 предназначены для сигнализации: Л1 – зеленая, свидетельствует о том, что к установке подключено напряжение (загорается при замыкании пакетного выключателя ПВ), Л2 – красная – к первичной обмотке высоковольтного трансформатора подключено напряжение (загорается при нажатии кнопки П). Цепочка, содержащая элементы: катушку магнитного пускателя Р1, кнопку «ПУСК» – П, кнопку «СТОП» – С, блокировочный контакт на двери высоковольтной камеры БК, где располагаются высоковольтный трансформатор и испытуемый образец, контакт реле максимального тока К2, контакты магнитного пускателя К1, К2, предназначенные для управления испытательной установкой.

53

Эксперимент по определению электрической прочности диэлектриков проводится в следующем порядке:

1.Убедиться в том, что пакетный выключатель ПВ выключен (не го-

рит Л1).

2.Открыть дверцу высоковольтной камеры, внести туда испытательную ячейку с образцом и подключить ее к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора (клеммы 1, 2).

3.Закрыть дверцу камеры так, чтобы сработал блокировочный контакт БК.

4.Убедиться в том, что ручка регулятора напряжения (автотрансформатора Т1) находится в крайнем левом положении.

5.Включить пакетный выключатель ПВ (при этом должна загореться лампочка Л1).

6.Нажать кнопку П, при этом должен сработать магнитный пускатель Р1 и своими контактами К1 подключить напряжение к автотрансформатору,

аК3 блокировать кнопку «ПУСК» (должна загореться лампочка Л2).

7.Плавно вращая ручку регулятора напряжения в правую сторону, проследить за показаниями вольтметра V. В момент пробоя диэлектрика сработает реле максимального тока Р2, которое разомкнет контакт К2, обесточит Р1, тем самым отключит высоковольтный трансформатор.

8.В момент пробоя зарегистрировать напряжение на первичной обмотке трансформатора Т2, затем вычислить пробивное напряжение по формуле

Uпр = kU,

где k – коэффициент трансформации; U – напряжение на первичной обмотке трансформатора.

6.3. Задания к лабораторной работе

Для исследования пробоя газообразного диэлектрика необходимо: 1. Исследовать зависимость электрической прочности газообразного

диэлектрика (воздуха) в однородном электрическом поле и определить коэффициент трансформации. Для этого использовать испытательную ячейку с шаровыми электродами диаметром 50 мм. Испытания проводить, задавая расстояния между электродами от 2 до 8 мм и изменяя это расстояние с шагом в 1 мм. Для каждого зазора трижды провести испытания на пробой, результаты занести в табл. 6.5, вычислить Eпр и коэффициент трансформации k.

Шаровые электроды интересны тем, что создают близкое к однородному электрическое поле, а пробой воздушного промежутка между ними возникает при напряжении, которое зависит от расстояния между шарами, диаметра шаров и способа их включения, поэтому шаровые электроды ис-

54

пользуют для измерения высокого напряжения, определения коэффициента трансформации, калибровки вольтметров, включенных в первичную обмотку высоковольтного трансформатора. В табл. 6.5 приведены значения Uпр для шаровых разрядников диаметром 50 мм для зазоров от 2 до 8 мм.

Таблица 6.5

Результаты исследования Eпр = f(h) воздуха в однородном электрическом поле

2. Исследовать зависимость электрической прочности газообразного диэлектрика (воздуха) в неоднородном электрическом поле. Для этого использовать испытательную ячейку с электродами «игла – плоскость». Испытания проводить для расстояний между электродами от 2 до 8 мм, изменяя расстояние с шагом в 1 мм. Испытания проводить для каждого расстояния трижды, показания вольтметра (U1, U2, U3) занести в табл. 6.6.

Таблица 6.6

Результаты исследования Eпр = f(h) воздуха в неоднородном электрическом поле

3.Построить графики зависимостей Uпр = f(h) и Eпр = f(h) для газообразного диэлектрика в однородном и неоднородном электрических полях.

4.Проанализировать зависимости и сделать выводы по работе.

Для исследования пробоя жидкого диэлектрика необходимо:

1. Определить пробивное напряжение и электрическую прочность жидкого диэлектрика. Для этого в ячейку, предназначенную для определения характеристик жидких диэлектриков, залить пробу испытуемого жидкого диэлектрика (расстояние между электродами в этой ячейке равно 2,5 мм).

55

Ячейку с жидким диэлектриком поместить в испытательную камеру и через 10 мин приступить к испытаниям. Произвести пробой диэлектрика. После пробоя произвести перемешивание жидкого диэлектрика между электродами. Перед последующим испытанием пробу выдержать в испытательной камере 5 мин.

Испытания для каждой пробы жидкого диэлектрика проводить трижды. Результаты испытаний занести в табл. 6.7.

2.Сравнить полученные результаты с данными справочника [6].

3.По результатам сравнения дать оценку качества жидкого диэлектрика и рекомендовать область его применения.

Для исследования пробоя твердого диэлектрика необходимо:

1.Исследовать зависимости пробивного напряжения и электрической прочности от толщины h (числа слоев) твердого диэлектрика. Для этого необходимо подготовить образцы. Исходным материалом для образцов может быть электроизоляционная бумага или электроизоляционная полимерная пленка. Партия образцов с одинаковым количеством слоев бумаги или пленки должна быть равной трем. Количество партий образцов

ичисло слоев диэлектрика в партии задает преподаватель. Результаты испытаний занести в табл. 6.8.

Таблица 6.8 Результаты исследования Eпр = f(h) твердого диэлектрика

Наименование h, мм U1, кВ U2, кВ U3, кВ Uср, кВ Eпр, кВ/мм диэлектрика

2.Построить графики зависимостей Uпр = f(h) и Eпр = f(h) и для твердого диэлектрика.

3.Проанализировать зависимости и сделать выводы по работе.

6.4. Контрольные вопросы

1. Построить диаграмму тепловой устойчивости твердого диэлектрика и проиллюстрировать с ее помощью критерий теплового пробоя диэлектрика.

56

2. Испытанию на пробой в постоянном электрическом поле подвергается газообразный диэлектрик в системе электродов «игла – плоскость» (рис. 6.2).

Сопоставить пробивные напряжения (см. Рис. 6.2 рис. 6.2) и объяснить различия.

3.Нарисовать и объяснить зависимость электрической прочности газообразного диэлектрика от расстояния между электродами.

4.Записать условие, при котором электрон может инициировать процесс ударной ионизации.

5.Нарисовать и объяснить зависимость электрической прочности газообразного диэлектрика от давления газа.

6.Дать определение понятия «α-процесс по теории Таунсенда».

7.Дать определение понятия «β-процесс по теории Таунсенда».

8.Дать определение понятия «γ-процесс по теории Таунсенда».

9.Описать зарождение и развитие положительного стримера в газообразном диэлектрике.

10.Описать зарождение и развитие отрицательного стримера в газообразном диэлектрике.

11.Нарисовать и объяснить зависимость электрической прочности от температуры для увлажненного жидкого диэлектрика.

12.Написать выражения, характеризующие условия теплового пробоя твердого диэлектрика.

13.Почему электрическая прочность многих диэлектриков при постоянном напряжении выше, чем при переменном?

14.Может ли произойти пробой вакуума?

7.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: исследовать температурную зависимость магнитной проницаемости феррита.

Задания для подготовки к работе:

1.Охарактеризовать понятия:

намагниченность;

магнитная восприимчивость;

относительная магнитная проницаемость;

ферромагнетик;

феррит;

домен;

коэрцитивная сила;

магнитострикция.

57

танной) намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Но хотя в ферромагнетике и образуются спонтанно намагниченные области (домены), магнитный поток такого тела во внешнем пространстве будет равен нулю. Это обусловлено тем, что магнитные моменты доменов имеют различные направления и их векторная сумма равна нулю.

Процесс намагничивания ферромагнитного материала под действием внешнего магнитного поля сводится к росту тех доменов, магнитные моменты которых составляют наименьший угол с направлением поля, и к уменьшению размеров других доменов (процесс смещения границ доменов), а также к повороту магнитных моментов в направлении внешнего поля (процесс ориентации).

Основными характеристиками, которые описывают поведение магнитных материалов в магнитном поле, являются кривая намагничивания (зависимость индукции B от напряженности магнитного поля H) и магнитная проницаемость μ. Магнитная проницаемость определяется по кривой намагничивания (рис. 7.1) как отношение индукции к напряженности магнитного поля в данной точке кривой намагничивания.

Магнитную проницаемость μн при очень слабых полях, порядка 0,1 А/м, называют начальной проницаемостью.

Наибольшее значение магнитной проницаемости носит наименование максимальной и обозначается μmax. При сильных полях в области насыщения

μ → 1.

Характеристикой ферромагнитных материалов в переменных магнитных полях является динамическая магнитная проницаемость μs, представляющая собой отношение амплитудного значения индукции к амплитудному значению напряженности магнитного поля.

С увеличением частоты переменного поля динамическая магнитная проницаемость уменьшается из-за инерционности магнитных процессов. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры (рис. 7.2).

Эта зависимость характеризуется кривой с максимумом. Максимум μ соответствует определенному состоянию ферромагнетика, которое называют точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри области спонтанного намагничивания разрушаются тепловым движением, а материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Рис. 7.2

59

Для характеристики изменения магнитной проницаемости в зависимости от температуры пользуются температурным коэффициентом магнитной проницаемости

TKμ = (μ2 – μ1)/μ1(T2 – T1).

Необходимо отметить, что здесь речь идет об относительной магнитной проницаемости, которая показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе больше, чем в вакууме. Напряженность магнитного поля в изотропной среде связана с магнитной индукцией следующим соотношением

H = B/μμ0,

где H – напряженность магнитного поля; B – индукция; μ – относительная магнитная проницаемость; μ0 – магнитная постоянная.

Ферромагнитные материалы характеризуются магнитным гистерезисом – отставанием изменения магнитной индукции от изменения напряженности внешнего намагничивающего поля, обусловленным зависимостью B от ее предыдущих значений. Магнитный гистерезис является следствием необратимых изменений при намагничивании. Причинами магнитного гистерезиса являются необратимые процессы смещения гра-

ниц доменов и процессы ориентации магнитных моментов. Петлей гистерезиса (рис. 7.3) называется кривая изменения магнитной индукции ферромагнетика, помещенного во внешнее магнитное поле, при изменении напряженности последнего от +Hs до -Hs и обратно (Hs – напряженность магнитного поля, соответствующая магнитному насыщению ферромагнетика). Величины +Bs и -Bs называют индукцией насыщения. Величины +Br и -Br называют остаточной индукцией; ее существование является основой созда-

ния постоянных магнитов. Напряженность +Hc или -Hс обратного поля, доводящего магнитную индукцию до нуля, называют коэрцитивной силой (задерживающей напряженностью).

При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнитных полях всегда наблюдаются потери энергии в форме тепла. Они обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Динамические потери вызываются вихревыми токами, индуцированными в массе магнитного материала. Потери на вихревые токи уменьшаются с увеличением удельного сопротивления ферромагнетика (у ферритов, например, эти потери чрезвычайно малы). Потери на гистерезис могут быть определены по площади петли гистерезиса, которая прямо пропорциональна работе, совершенной при перемагничивании ферромагнетика.

60