Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные физические процессы в проводниках, полупроводниках и диэлектриках. Учебное пособие
.pdf
71
U – приложенное напряжение;
Рисунок 3.13 – Изменение tgδ в зависимости от напряжения для
твердой изоляции с газовыми включениями
tgδ
U
U1 Uи 0
Uи – напряжение соответствующее началу ионизации.
Формула справедлива при U>Uи.
На рисунке 3.13 показана зависимость tgδ от напряжения. При возрастании
напряжения свыше Uи (начало ионизации) tgδ растет. При U>U
, когда газ во
1
включениях уже ионизирован, требуется меньшая энергия на дальнейшее развитие
процесса и tgδ уменьшается. Кривую tgδ=F(U) часто называют кривой ионизации.
3.8.4 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. Наличие максимума в
частотной зависимости tgδ характерно и для резонансного механизма потерь, однако
при изменении температуры максимум tgδ не смещается.
3.9 Диэлектрические потери в зависимости от агрегатного состояния
вещества
Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах
72
различна в зависимости от состояния вещества: газообразного, жидкого, твердого.
а б
Рисунок 3.14 – Частотная (а) и температурная (б) зависимости потерь в
полярных жидкостях
T
tgδ
f
tgδ
3.9.1 Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при
напряженностях поля ниже напряжения начала ударной ионизации малы. И газ
можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик.
Источником диэлектрических потерь в газах может быть в основном только
электропроводность. Величина tgδ может быть вычислена по формуле (3.30).
3.9.2 Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. В неполярных
жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью, если
жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами. Удельная
проводимость нейтральных чистых жидкостей очень мала, поэтому малы и
диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от
примесей нефтяное конденсаторное масло, tgδ которого очень мал и поддается
расчету по формуле (3.30).
Полярные жидкости в зависимости от условий (температуры, частоты) могут
обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной
поляризацией, и потерями на электропроводность.
Температурная и частотная зависимость потерь в жидких диэлектрика может
быть получена наложением ординат кривых для температурной и частотной
зависимостей дипольно-релаксационных потерь и потерь на электропроводность
(рисунок 3.14).
73
Из рисунка 3.14 следует, что при повышенных температурах преобладают
потери на электропроводность, так как при повышенных температурах
релаксационные потери падают, а потери на электропроводность возрастают. При
высоких частотах релаксационные потери, наблюдаемые в жидкостях, значительно
превосходят потери на электропроводность. Ввиду этого полярные жидкости не
могут быть использованы при высокой частоте.
3.9.3 Диэлектрические потери в твердых диэлектриках. Твердые вещества
обладают разнообразным составом и строением; в них возможны все виды
диэлектрических потерь.
Диэлектрические потери в веществах молекулярной структуры зависят от вида
молекул. Диэлектрики молекулярной структуры с неполярными молекулами, не
имеющие примесей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями. К
таким диэлектрикам относятся сера, неполярные полимеры — полиэтилен,
полистирол и др. Указанные вещества в связи их малыми потерями применяют в
качестве высокочастотных диэлектриков.
Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами, благодаря
присущей им дипольно-релаксационной поляризации имеют большие потери,
особенно при повышенных частотах. Примеры подобных веществ: полярные
полимеры (органическое стекло, полиамиды, каучуковые материалы, фенолоформальдегидные смолы и др.).
Диэлектрические потери в веществах ионной структуры зависят от
особенностей упаковки ионов в решетке. В веществах ионной структуры с плотной
упаковкой в отсутствие примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери
весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются
потери на электропроводность. К веществам данного типа относятся корунд,
входящий в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является
также каменная соль.
К диэлектрикам ионной структуры с неплотной упаковкой ионов относится
ряд кристаллических веществ, характеризующихся релаксационной поляризацией,
вызывающей повышенные диэлектрические потери. Многие из них входят в состав
74
керамических масс, изоляторного фарфора, огнеупорной керамики и т.д.
Рисунок 3.15 Зависимость tgδ для конденсаторной бумаги,
пропитанной компаундом
t
tgδ
3.9.4 Диэлектрические потери в веществах неоднородной структуры.
Неоднородные диэлектрики – это материалы, в состав которых входит не менее
двух компонентов механически смешанных между собой. К неоднородным
диэлектрикам относится керамика, имеющая кристаллическую, стекловидную и
газовую фазы, слюда, обладающая слоистой структурой, пропитанная бумага,
пластические массы с различными наполнителями, слоистые пластмассы,
каучуковые материалы с наполнителями, пористая изоляция, содержащая воздух и
примеси влаги.
Диэлектрические потери в веществах неоднородной структуры зависят от
компонентов. На рисунке 3.15 представлена зависимость tgδ от температуры для
бумаги, пропитанной масляно-канифольным компаундом. Кривая имеет два
максимума: первый (при низких температурах) характеризует диэлектрические
потери самой бумаги (целлюлозы); второй (при более высокой температуре)
обусловлен дипольно-релаксационными потерями пропитывающего компаунда.
3.9.5 Потери в сегнетоэлектриках. В сегнетоэлектриках различают
дополнительный вид потерь – потери на гистерезис, обусловленные
переориентацией доменов в электрическом поле. Потери в сегнетоэлектриках
значительны при температурах ниже точки Кюри, когда имеет место доменная
75
структура. Потери этого вида возрастают с частотой приложенного напряжения.
Рисунок 3.16 – Вольт – амперная характеристика электрической изоляции
U
I
При температурах выше точки Кюри потери в сегнетоэлектриках заметно
уменьшаются.
3.10 Пробой диэлектриков
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства
изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое
критическое значение. Это явление называют пробоем диэлектрика.
Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют
пробивным напряжением. Пробивное напряжение Uпр измеряют чаще всего в
киловольтах. За пробивное напряжение принимают такое напряжение, при котором
дифференциальная проводимость становится бесконечно большой (рисунок 3.16).
Значение пробивного напряжения зависит от материала и толщины
диэлектрика, формы электродов, типа воздействующего напряжения. Поэтому оно
характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного
образца противостоять сильному электрическому полю. Для сравнения свойств
материалов более удобной характеристикой является электрическая прочность.
Электрической прочностью диэлектрика Eпр называют минимальную
76
напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою
диэлектрика. Электрическая прочность определяется величиной пробивного
напряжения Uпр, отнесенного к толщине диэлектрика h в месте пробоя:
Eпр=Uпр/h. (3.34)
В практике электрическую прочность выражают в кВ/мм; в системе СИ – в
В/м. Электрическую прочность удобно выражать в МВ/м – кратных единице
системы СИ, так как при этом получают числовые значения, совпадающие с
привычными для практики величинами электрической прочности диэлектриков в
кВ/мм.
3.11 Пробой газов
3.11.1 Механизм пробоя газа. При приложении к газовому промежутку
напряжения, содержащиеся в газе заряженные частицы (ионы, электроны),
получают добавочную скорость и начинают в зависимости от знака заряда
перемещаться в направлении поля или против поля. При этом заряженная частица
приобретает дополнительную энергию:
Э = q Ul. (3.35)
где q – заряд;
Ul – разность потенциалов на длине свободного пробега.
Если поле однородное, то:
Ul = E l ср.
(3.36)
где E – напряженность поля;
lср – длина свободного пробега.
Отсюда:
77
Э = E q l ср. (3.37)
При столкновении с нейтральными частицами заряженные частицы передают
им свою дополнительную энергию. Если энергия достаточно велика, происходит
ударная ионизация молекул. Условие начала ударной ионизации:
Э
ЭИ.
(3.38)
Из выражения (3.37) имеем:
E q l ср ЭИ.
(3.39)
Результатом ударной ионизации является образование электронных лавин.
В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать
молекулу, а привести ее в «возбужденное состояние» – вызвать переход электронов
молекулы на верхние уровни энергии. В следующий момент эта «возбужденная»
молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения — испускает фотон.
Фотон, благодаря большой скорости, распространяется на значительное расстояние
внутри газового промежутка, поглощается другой молекулой, которая при этом
может ионизироваться. Такая ионизация называется фотонной или фотоионизацией.
Результатом фотоионизации является практически одновременное возникновение
электронных лавин на всем протяжении газового промежутка. Таким образом, пока
первая лавина вырастает на величину, равную стрелке АВ (рисунок 3.17),
намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример,
распространяется на величину стрелки CD. На следующей стадии отдельные лавины
в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя сплошной канал
ионизированного газа (рисунок 3.17).
78
А
В
С
D
катод
Рисунок 3.17 – Схема развития отрицательного стримера
Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду,
начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных
частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал
газоразрядной плазмы. Возникновение и развитие положительного стримера
происходит, во-первых, за счет положительных ионов, которые образуются при
ударной и фотонной ионизации молекул, во-вторых, за счет электронов, которые
притягиваются положительным пространственным зарядом из других частей
газового промежутка.
Под влиянием ударов положительных частиц на катоде возникает катодное
пятно, излучающее электроны. В результате трех указанных процессов и возникает
пробой газа.
3.11.2 Пробой газа в однородном поле. Однородное поле может получиться
между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами,
если расстояние между ними меньше их диаметра. В таком поле пробой газа
происходит при строго определенном напряжении, зависящем от температуры и
давления газа. Между электродами возникает искровой разряд, который, если
источник напряжения имеет достаточную мощность, переходит в дуговой,.
Для пробоя газа в постоянном однородном поле зависит от ряда факторов:
1) Давление. Зависимость Е
от давления представлена на рисунке 3.18.
пр
Давление 0.1 МПа соответствует нормальному атмосферному давлению. Если
давление больше нормального, то Е
при растет в связи с уменьшением длины
пр
свободного пробега электронов (см. выражение 3.39). При уменьшении давления
79
ниже нормального длина свободного пробега электронов растет, в результате Е
р
Е
пр
0,1 МПа
Рисунок 3.18 – Зависимость электрической прочности газа от давления
а б
Рисунок 3.19 – Зависимость электрической прочности (а) и
пробивного напряжения (б) воздуха от расстояния между электродами
Е
пр
d
U
пр
d
пр
уменьшается. При низком давлении Епр опять возрастает, что связано с
уменьшением вероятности столкновения электронов с молекулами газа из-за
уменьшения их числа в единице объема. При высоком вакууме пробой можно
объяснить явлением «вырывания» электронов из поверхности электрода (холодная
эмиссия).
2) Расстояние межу электродами. Зависимость пробивного напряжения и
электрической прочности воздуха от расстояния между электродами показана на
рисунке 3.19. Возрастание Е
при малых расстояниях связано со сложностью
пр
завершения процесса ударной ионизации.
80
3) Частота. Пробивное напряжение газа в однородном поле меняется в
Рисунок 3.20 – Зависимость пробивного напряжения газа от частоты
f
Uпр
зависимости от частоты, особенно при радиочастотах. На рисунке 3.20 показана
зависимость пробивного напряжения газа от частоты.
При небольших частотах амплитудная величина пробивного напряжения
совпадает с пробивным напряжением при постоянном токе. Уменьшение
пробивного напряжения с ростом частоты объясняется искажением поля, что
связано с образованием объемных зарядов в газе вследствие различной
подвижности положительных ионов и электронов. Дальнейшее повышение
пробивных напряжений на коротких волнах объясняется тем, что уменьшается
время приложения напряжения, величина которого больше пробивного, и поэтому
развитие и завершение процесса ударной ионизации сильно затруднены.
4) Температура. Температурная зависимость пробивного напряжения
обусловлена уменьшением плотности газов при росте температуры в условиях
постоянного давления в соответствии с уравнением идеального газа PV = RT или n
= P/kT.
5) Характер воздействия. Если длительность воздействия напряжения очень
мала, то пробивное напряжение повышается. Это повышение обычно характеризуют
коэффициентом импульса:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]