Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроматериаловедение. Учебник для СПО.pdf
жидкого диэлектрика от напряженности и частоты электрического поля имеют
r
TK
ε
r
ε
r
TK
ε
вид, представленный на рис. 1.4б и 1.4г.
К неполярным жидким диэлектрикам относятся бензол, толуол и др.
В полярных жидких диэлектриках, помимо электронной, наблюдается
еще и дипольно-релаксационная поляризация. В большинстве полярных жидкостей преобладающее влияние на их свойства оказывает именно дипольнорелаксационная поляризация. В связи с этим относительная диэлектрическая
проницаемость зависит от температуры, напряженности и частоты электрического поля так, как это показано на рис. 1.6.
Коэффициент нейтральных жидких диэлектриков отрицателен, а у полярных в области низких температур он положителен, а в области высоких темпе-
ратур
— отрицателен. Диэлектрическая проницаемость
полярных ди-
электриков изменяется в пределах 3,5–5.
1.5.3. Относительная диэлектрическая проницаемость
твердых диэлектриков
Все твердые диэлектрики делятся на четыре группы. К первой группе относятся нейтральные твердые диэлектрики, которые обладают только электронной поляризацией. Значение относительной диэлектрической проницаемости лежит в пределах от 1,8 до 5,8. Более высокое значение относительной диэлектрической проницаемости нейтральных твердых диэлектриков, чем
у жидких и газообразных, связано с более высокой плотностью первых. Зависимости относительной диэлектрической проницаемости твердых нейтральных
диэлектриков от напряженности, частоты электрического поля и температуры
такие же, как и у остальных диэлектриков, в которых наблюдается только электронная поляризация (рис. 1.4).
Примерами нейтральных твердых диэлектриков являются парафин, полистирол, сера и пр.
Вторую группу образуют твердые диэлектрики с ионной структурой
строения и плотной упаковкой ионов. Эти диэлектрики обладают как электронной, так и ионной поляризацией. У подавляющего числа таких диэлектриков
преобладает ионная поляризация над электронной. Из-за этого относительная
диэлектрическая проницаемость с ростом температуры до температуры плавле-
ния возрастает, а температурный коэффициент
— положителен.
Зависимости относительной диэлектрической проницаемости от напряженности и частоты поля приведены на рис. 1.4г и 1.4б. Примером таких ди-
31
электриков является каменная соль KCl. Исключение в этой группе представ-
r
TK
ε
r
TK
ε
x
rnn
x
r
x
r
x
r
εΘ
...εΘ
εΘε
2
2
1
1
⋅++⋅+⋅=
n
ΘΘΘ ,,
21
1...
21
=Θ++Θ+Θ
n
rn
rr
ε,ε,ε
21
ляют вещества, содержащие ионы титана. У них температурный коэффициент
— отрицателен, что объясняется преобладанием электронной поляриза-
ции над ионной. К третьей группе относятся твердые диэлектрики с неплотной
упаковкой ионов (фарфор, неорганическое стекло, полярные органические диэлектрики). В этих диэлектриках наблюдается одновременно электронная, ионно-релаксационная и ионная поляризаций. Относительная диэлектрическая
проницаемость сравнительно невелика (от 4 до 20). Температурная зависимость
относительной диэлектрической проницаемости такая же, как и у диэлектриков
с ионной поляризацией (рис. 1.5), а температурный коэффициент
ложителен. При температурах t > t
(tпл — температура плавления) у твердых
пл
— по-
диэлектриков всех трех групп наблюдается уменьшение относительной диэлектрической проницаемости из-за перехода в жидкое агрегатное состояние.
Большое влияние на значение относительной диэлектрической проницаемости
оказывает попадание влаги в поры, капилляры и трещины твердых диэлектриков.
Четвертую группу образуют сегнетоэлектрики, у которых, помимо электронной поляризации, существует спонтанная поляризация.
Значения относительной проницаемости сегнетоэлектриков лежат в пределах от 500 до 9000.
1.5.4. Относительная диэлектрическая проницаемость
сложных диэлектриков
Ряд диэлектриков, используемых на практике, представляют собой механические смеси двух и более компонентов, имеющих различные по значению относительные диэлектрические проницаемости. Относительная диэлектрическая
проницаемость сложного диэлектрика, состоящего из двух компонентов, определяется на основании уравнения Лихтенеккера, которое имеет следующий вид:
, (1.11)
где
условию
— объемные концентрации компонентов, удовлетворяющие
;
— относительные диэлектрические проницаемости компо-
нентов;
32
x — константа, значение которой определяется порядком чередования
2
2
1
1
ε
Θ
ε
Θ
ε
1
rr
r
+=
2211
εΘεΘε
rrr
⋅+⋅=
2211
lnεΘlnεΘlnε
rrr
⋅+⋅=
компонентов.
В принципе, возможно три варианта распределения компонентов: последовательный, параллельный, хаотический.
При последовательном порядке чередований компонентов х = –1, и наличии двух компонентов уравнение Лихтенеккера принимает вид:
. (1.12)
Если компоненты распределены параллельно, то х = 1:
. (1.13)
Наконец, при хаотическом распределении компонентов х → ∞, а уравнение Лихтенеккера приводится к форме:
. (1.14)
Формулы (1.11–1.14) используются на практике. В частности, доказано,
что для конденсаторной бумаги достаточно точно подходит модель последовательного чередования компонентов (уравнение 1.12). Формула (1.14) может
быть использована при определении относительной диэлектрической проницаемости пластмасс, состоящих из связующего материала и наполнителя,
для которых характерно хаотическое распределение компонентов.
1.6. Электропроводность диэлектриков
1.6.1. Понятие об электропроводности диэлектриков.
Механизм электропроводности
Как отмечалось, у диэлектриков в зоне проводимости отсутствуют свободные электроны, которые обусловливают наличие электропроводности. Тем
не менее, диэлектрики обладают электропроводностью, хотя и весьма незначительной. Ее наличие объясняется следующими причинами.
33
В диэлектрике всегда имеется определенное количество примесей проводящего и полупроводящего характера, в которых есть свободные носители
электрических зарядов. Под действием электрического поля эти носители создают в диэлектрике электрический ток.
Ток, возникающий в диэлектрике за счет свободных носителей электрических зарядов примесей проводящего и полупроводящего характера, называется током сквозной проводимости i
сп
.
Под воздействием электрического поля в диэлектрике происходят процессы поляризации. Перемещение электрических зарядов при поляризации создает электрический ток. Ток, обусловленный протеканием в диэлектрике процессов поляризации, называется поляризационным током i
.
п
В зависимости от механизмов поляризации, вызывающих возникновение
поляризационных токов, последние подразделяются на токи смешения и абсорбционные токи.
Токи смещения i
абсорбционные токи i
вызываются электронной и ионной поляризациями, а
см
— поляризациями дипольно-релаксационной, ионно-
абс
релаксационной, электронно-релаксационной, миграционной и спонтанной.
Таким образом, ток, протекающий, через диэлектрик, определяется
по формуле i
= iсп + iп. Учитывая, что iп = iсм + i
д
, уравнение для тока диэлек-
абс
трика примет вид:
i
= iсп + iсм + i
д
. (1.15)
абс
Из равенства (1.15) видим, что ток, протекающий через диэлектрик, состоит из трех составляющих: тока сквозной проводимости, тока смешения и абсорбционного тока. Графики изменения тока диэлектрика и его составляющих
во времени при воздействии постоянного электрического поля приведены
на рис. 1.9.
34
i
t
i
g
i
абс
i
СП
Рис. 1.9. Графики изменения токов диэлектрика от времени
В постоянном электрическом поле ток сквозной проводимости
остается
постоянным. По величине он незначителен, так как концентрация свободных
носителей электрических зарядов в диэлектрике мала. Длительность протекания токов смещения не превышает 10
-13
с. Поэтому зафиксировать его наличие
с помощью электроизмерительных приборов невозможно. В начальный момент
времени i
скачком возрастает до максимума, а затем в течение 10
см
-15
10
-13
с.
уменьшается до нуля. Такая малая длительность протекания тока смещения
связана с длительностью электронной и ионной поляризации (t < 10
-13
с). Аб-
сорбционный ток вначале возрастает от нуля до максимального значения, а затем плавно уменьшается до нуля. Время протекания этого тока определяется
длительностью поляризации, вызывающей его появление, и может достигать
нескольких минут. Результирующий ток диэлектрика увеличивается от значения, равного току сквозной проводимости, до своего максимального значения, а
потом плавно уменьшается до тока сквозной проводимости.
Таким образом, в постоянном электрическом поле после окончания процессов поляризации через диэлектрик будет протекать ток, значение которого
определяется током сквозной проводимости. А так как этот ток мал, то принято
считать, что диэлектрики постоянный электрический ток не проводят.
В переменном электрическом поле происходит постоянный процесс переполяризации диэлектрика с частотой, равной частоте поля.
Вызываемые этими процессами поляризационные токи обусловливают
электропроводность диэлектрика, которая может достигать достаточно большой величины. При этом чем больше относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем больше его электропроводность. По этой причине ре-
35
комендуется в качестве изоляционных материалов в электротехнических
( )
−+
+⋅= UU
qnj
0
устройствах переменного тока использовать диэлектрики с малым значением
относительной диэлектрической проницаемости.
1.6.2. Электропроводность газообразных диэлектриков
Электропроводность газообразных диэлектриков связана с наличием положительных ионов и отрицательных электронов, появляющихся в газах в результате внешних ионизирующих факторов (тепловое и радиационное излучения и т.д.). Электропроводность, вызванная перемещением положительных
ионов и отрицательно заряженных электронов, возникших в газе в результате
воздействия внешних ионизирующих факторов, называется несамостоятельной.
В электрических полях большой напряженности в газообразных диэлектриках возникает процесс ударной ионизации, приводящий к лавинообразному
росту числа свободных носителей электрических зарядов (положительных
ионов и отрицательно заряженных электронов) и резкому возрастанию электропроводности.
Электропроводность, вызванная перемещением свободных носителей
электрических зарядов, возникших за счет процесса ударной ионизации, называется самостоятельной.
Рассмотрим зависимость электропроводности газообразных диэлектриков
от напряженности электрического поля (рис. 1.10). В слабых электрических полях (Е < Е
) ток, протекающий в газообразном диэлектрике, подчиняется закону
н
Ома.
В данном диапазоне напряженностей концентрация свободных носителей
электрических зарядов остается неизменной. В связи с этим ток диэлектрика
прямо пропорционален напряженности поля:
(1.16)
где п
— количество свободных носителей электрических зарядов;
0
q — заряд носителя;
U
, U— — подвижности положительных и отрицательных зарядов.
+
Под подвижностью зарядов понимается скорость, которую приобретает
электрический заряд под воздействием разности потенциалов, равной 1 В.
Когда напряженность поля близка по величине Е
, называемой напряжен-
н
ностью насыщения, число свободных носителей зарядов в газе начинает посте-
36
пенно уменьшаться, так как количество вновь образуемых зарядов за счет
j
E
E
пр
E
н
,qNj ⋅=
внешней ионизации не в состоянии компенсировать убыль зарядов, нейтрализуемых на металлических электродах. При напряженности поля Е = Е
вновь образуемые свободные заряды нейтрализуются на электродах (n
все
н
= 0), и
c
прекращается рост тока через диэлектрик с увеличением напряженности поля.
Рис. 1.10. Зависимость плотности тока газа
от напряженности электрического поля
Ток диэлектрика остается постоянным в диапазоне изменения напряженности поля от Е
до Епр:
н
(1.17)
где N — число свободных носителей зарядов, возникших за счет внешней ионизации.
При напряженности поля Е > Е
в газообразном диэлектрике возникает
пр
процесс ударной ионизации, приводящий к лавинообразному возрастанию количества свободных носителей электрических зарядов и скачкообразному возрастанию электропроводности. Электропроводность газа в этом диапазоне
напряженностей является самостоятельной и может достигать весьма значительной величины. Из вышесказанного следует, что газ может выполнять
функции изоляционного материала только до значения напряженности поля Е <
Е
.
пр
37
1.6.3. Электропроводность жидких диэлектриков
,1010ρ
43
−=
v
,
eγγ
α0t
⋅=
0
γ
α
Электропроводность нейтральных жидких диэлектриков зависит от наличия в них примесей, в том числе и влаги. По содержанию примесей диэлектрики подразделяют на жидкие диэлектрики высокой степени очистки (ДВСО) и
технически чистые жидкие диэлектрики. Технически чистые диэлектрики
(ТЧД) отличаются от жидких диэлектриков высокой степени очистки более высокой концентрацией примесей.
Механизмы возникновения электропроводности ДВСО аналогичны тем,
которые имеют место в газообразных диэлектриках. Потому зависимость тока
от напряженности поля у них такая же, как и у газов (рис. 1.10). В создании
электропроводности ТЧД большую роль играют диссоциированные ионы примесей, наличие которых приводит к существенному росту электропроводности
и к отсутствию в зависимости j = f(E) горизонтального участка — участка
насыщения.
Электропроводность полярных жидких диэлектриков возникает как
за счет примесей, так и за счет диссоциации собственных молекул жидкого диэлектрика. Электропроводность полярных жидких диэлектриков существенно
выше, чем у нейтральных. Так, вода по значению электропроводности может
быть отнесена к проводникам с ионной электропроводностью (
Ом·м).
Электропроводность любого жидкого диэлектрика зависит от температуры:
(1.18)
где
— электропроводность жидкого диэлектрика в начале температурного
интервала;
— постоянная жидкого диэлектрика;
t — температура в градусах Цельсия.
Из уравнения (1.18) следует, что с ростом температуры из-за уменьшения
вязкости увеличивается электропроводность жидкости.
На практике иногда приходится иметь дело с коллоидными системами:
эмульсиями и суспензиями. Эмульсии представляют механические смеси двух
веществ, в которых обе фазы являются жидкими.
В отличие от эмульсий, суспензии — механические смеси, в которых од-
на из фаз является жидкой, а вторая — твердые частицы. Электропроводность
38
коллоидных систем создается за счет перемещения крупных заряженных ча-
,eρρ
α0t
vv
−
⋅=
0ρv
α
стиц, называемых молионами. Под воздействием поля эти частицы начинают
перемещаться по направлению к металлическим электродам и осаждаться
на них. Это явление называется электрофорезом. В отличие от электролиза,
при электрофорезе не образуются новые вещества, а лишь изменяется концентрация фаз.
1.6.4. Электропроводность твердых диэлектриков
Механизмы создания электропроводности твердых диэлектриков тесно
связаны со строением диэлектрика. В диэлектриках с атомной или молекулярной кристаллической решеткой электропроводность создается за счет примесей
проводящего и полупроводящего характера, причем с течением времени примеси могут частично удаляться, осаждаясь на металлических электродах, что
приводит к уменьшению электропроводности.
В твердых диэлектриках с ионной структурой строения электропровод-
ность обусловлена перемещением слабозакрепленных ионов примеси или
ионов самого диэлектрика, освобождаемых из узлов кристаллической решетки
за счет тепловой энергии.
Удельное объемное сопротивление твердых диэлектриков зависит от тем-
пературы:
(1.19)
где
— удельное сопротивление диэлектрика в начале температурного диа-
пазона;
— постоянный коэффициент, значение которого определяется видом
диэлектрика;
Т — температура в градусах Цельсия.
Из уравнения (1.19) видно, что удельное сопротивление уменьшается
с ростом температуры, что объясняется увеличением количества свободных носителей электрических зарядов в диэлектрике.
Электропроводность твердых диэлектриков зависит от напряженности
электрического поля в диапазоне ее высоких значений. Эта зависимость описывается формулой Пуля:
39
,e
γγ
β
0
E
E
⋅
=
(1.20)
где γ
водность не зависит от напряженности поля;
няется тем, что энергии поля оказывается достаточно, чтобы электроны с валентного уровня атомов диэлектрика перешли в зону проводимости.
ских зарядов, обусловливающее рост электропроводности диэлектрика.
сти окружающей среды. Влага, заполняющая поры и капилляры таких диэлектриков, уменьшает их удельное сопротивление, так как обладает малым собственным удельным сопротивлением. Для уменьшения влияния влажности
окружающей среды на изоляционные свойства пористых твердых диэлектриков
последние пропитываются жидкими диэлектриками с малой электропроводностью, либо их поверхность покрывается лаковыми пленками с целью затруднения проникновения воды или ее паров внутрь диэлектрика.
— электропроводность диэлектрика в диапазоне, в котором электропро-
0
β — коэффициент, зависящий от вида диэлектрика.
Возрастание электропроводности в области высоких напряжений объяс-
При этом резко возрастает количество свободных носителей электриче-
Электропроводность пористых твердых диэлектриков зависит от влажно-
1.6.5. Удельные объемное и поверхностное сопротивления
твердых диэлектриков
В твердых диэлектриках имеются два пути протекания электрического
тока: сквозь диэлектрик и по его поверхности.
Поэтому для оценки способности диэлектрика проводить электрический
ток по этим направлениям используются понятия объемного и поверхностного
сопротивлений.
Под объемным понимается сопротивление, которым обладает диэлектрик
при протекании постоянного тока через его объем.
Поверхностным называется сопротивление, которым обладает диэлек-
трик при протекании постоянного тока по его поверхности.
Объемное и поверхностное сопротивления определяются эксперимен-
тально.
При измерении объемного сопротивления диэлектрика на противополож-
ных гранях образца наклеиваются металлические электроды площадью S. Толщина образца равна h.
40