Шпаргалка по метрологии / 10

13. Потери на электропроводность диэлектриков, их зависимость от температуры и частоты.

Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Если при этом потери от других механизмов несущественны, то частот­ные зависимости и, как упоминалось, могут быть получены при использовании параллельной эквивалентной схемы замещения реаль­ного диэлектрика. Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты приложенного напряжения; уменьшается с частотой по гиперболическому закону. Значение тангенса угла диэлектрических потерь при данной частоте может быть вычислено по формуле: , если известно , измеренное на постоянном токе, и , измеренная при данной частоте. Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону: , где , - постоянные материала.

В зависимости от температуры изменяется по тому же за­кону, так как можно считать, что реактивная мощность от температуры практически не зависит.

15. Ионизационные потери. Зависимость тангенса угла потерь от напряжения для твердого диэлектрика с газовыми включениями.

Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

Для газа частота включений мизерная

, где - критическое напряжение, при котором начинается ионизация.

-активная мощность.

Ионизационные потери являются дополнительным механизмом диэлектрических потерь в твердом диэлектрике с газовыми включениями. На рисунке показано влияние газовых включений на характер изменения с увеличением напряжения. При возрастании напряжения свыше (начало ионизации) растет. При , когда газ во включениях уже ионизирован, требуется меньшая энергия на дальнейшее развитие процесса и уменьшается.

Кривую Часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери в газах возрастают на столько, что это явление может привести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает ионизационное зн-е.

, характеризует потери за период.

17. Разряд по пов-ти твердого диэлектрика. Методы увеличения напряжения перекрытия изоляторов.

Речь идет о пробое в газе вблизи пов-ти твердого диэлектрика

По существу в случае поверхностного пробоя электрическая прочность твердого диэлектрика не нарушается, однако образование проводя­щего канала на поверхности существенно ограничивает рабочие напря­жения изолятора.

Значение поверхностного пробивного напряжения во многом опре­деляется конфигурацией электродов, габаритными размерами и фор­мой твердого диэлектрика. Если изолятор эксплуатируется на воздухе, то напряжение поверхностного пробоя зависит от давления, темпера­туры, относительной влажности воздуха, частоты электрического по­ля. В некоторых конструкциях напряжение поверхностного пробоя может быть даже ниже напряжения пробоя газа в тех же условиях. Одной из причин подобного эффекта является искажение однородности электрического поля, вызываемое перераспределением зарядов в адсорбированной пленке влаги. В результате смещения ионов по поверхности твердого диэлектрика сильно возрастает напряженность поля у электродов.

Чем резче выражены гидрофильные свойства диэлектрика, тем сильнее падает поверхностное пробивное напряжение в условиях повы­шенной влажности. Однако влияние влажности воздуха на это пробивное напряжение слабо сказывается в радиочастотном диапазоне, когда поверхность диэлектрика подсушивается благодаря повышенным диэлектрическим потерям в адсорбированной пленке.

Для предотвращения поверхностного пробоя необходимо по возмож­ности увеличивать длину разрядного пути вдоль поверхности твердого диэлектрика. Этому способствует

19. Упрощенная теория теплового пробоя твердого диэлектрика.

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в элект­рическом поле до температур, соответствующих расплавлению. Электрическая прочность при тепловом пробое являет­ся характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. «Электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики имеют более низкие значения электротепловых пробивных напря­жений, чем неорганические, при прочих равных ус­ловиях вследствие их малой нагревостойкости.

Типичными признаками теплово­го пробоя является экспоненциаль­ное уменьшение пробивного напря­жения с ростом температуры окру­жающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличе­нием времени выдержки диэлектрика в электрическом поле (при относи­тельно малых значениях ).

Рассмотрим методику упрощенно­го расчета пробивного напряжения при тепловом пробое. Пусть пластин­ка однородного диэлектрика, обла­дающего потерями, находится между двумя электродами, как показано на рисунке. К электродам точно мощного источника переменного тока прикладываете напряжение, которое можно увеличивать до пробоя образца. Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно

неустойчивый граничный режим, может быть принято за напря­жение теплового пробоя .

,

полученное выражение показывает, что напряжение теплового пробоя будет выше, если условия теплоотвода лучше (больше), а диэлектрик толще; оно будет меньше при высоких частотах, больших коэффициенте диэлектрических потерь и температурном коэффициенте тангенса угла потерь .

21. Линейные неполярные полимеры. Их основные свойства и применение.

К неполярным относятся такие полимеры, у которых мономерные звенья макромолекул не обладают дипольным моментом. Из мат-лов этой группы наиболее важное значение имеют полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен.

Полиэтилен является продуктом полимеризации этилена в присутствии катализаторов. При полимери­зации получают полиэтилены высокого, среднего и низкого давления, отличающиеся друг от друга степенью кристалличности и механической прочностью. Полиэтилен обладает сравнительно большой эластичностью. Его отличает высокая стойкость к действию кислот и щелочей.

Полистирол получают из мономера стирола, который представляет собой легкую бесцветную синтетическую жидкость с характерным запахом. Стирол легко полимеризуется даже при хранении на колоде. В темноте и при отсутствии катализаторов он постепенно превращается в твердую, прозрачную и бесцветную, как стекло массу. С целью предотвращении нежелательной самопроизвольной полимери­зации стирола во время хранения к нему добавляют специальные вещества, замедляющие реакцию полимеризации. Такие вещества получили название ингибиторов. Неравномерная полимеризации вызывает деление внутренних механических напряжений в материале. Чтобы уменьшить хрупкость полистирола, к нему иногда до­бавляют некоторые виды синтетических каучуков.

Политетрафторэтилен, называют фторопластом. Его получают путем полиме­ризации тетрафторэтилена.

Среди всех органических полимеров он выделяется высокой нагревостойкостью и очень высокой стойкостью к действию химических реагентов. Так, на него совершенно не действуют серная, азотная и плавиковая кислоты и щелочи.

23. Эластомеры (каучуки), их свойства и применение.

Обладают высокой эластичностью при комнатной температуре.

Каучук, резина, изопреновый каучук (природный).

- низкая термостабильность,

- растворение в бензине.

Каучук вулканизируют серой. Возникают дополнительные поперечные связи. Сера повышает полярность диэлектрика, сл-но увеличиваются потери.

С увеличением % серы, повышается структурная вязкость, а сл-но и уменьшаются.

1-3% S- мягкая резина; 30% S – твердая (эбонит)

Исп.: изоляция кабелей, проводов, изготовление резинотехнических изделий.

Эбонит – дорогой материал, стойкий к ударным нагрузкам.

- резина вызывает эрозию меди,

- резина стареет, при работе на высоких напряжениях происходит эл/химическое старение. Низкая химическая стабильность.

25. Пропитывающие вещества. Компаунды и лаки.

Это различные нефтепродукты и смолы.

Из нефти: конденсаторное масло, битумы, парафин, канифоль.

Компаунды: смесь различных в-в для герметизации аппаратуры, пропиточные и заливочные.

Лаки: коллоидные растворы смол, битумов или высыхающих масел в летучих растворителях. Р-ль при сушке уходит и остается лаковый раствор. Пропиточные, покрывные, клеящие, проводящие.

Компаундами называют смеси различных изоляционных веществ (смол, битумов, эфиров, целлюлозы и т. д.), которые переводят в жидкое сос­тояние чаще всего путем разогрева до достаточно высокой температуры; затвердевание происходит при охлаждении расплавленного компаунда. Такие компаунды часто называют термокомпаундами.

Для электронной аппаратуры, состоящей из элементов, чувстви­тельных к воздействию повышенной температуры, большое значение получили компаунды, отвердевающие при комнатной или несколько более высокой температуре вследствие полимеризации, протекающей благодаря вводимым в их состав специальным отвердителям.

По назначению различают две основные группы компаундов: пропиточные и заливочные. Последние используют для заполнения сравнительно больших полостей, промежутков между различными деталями, для защиты изоляции от увлажнения, для увеличения про­бивного напряжения, для улучшения теплоотвода, повышения меха­нической прочности и т. д. Термопластичные компаунды размягчаются при нагревании (для пропитки или заливки) и отвердевают при охлаждении. К их числу относятся битумные компаунды. Битумами называют группу нефтяных аморфных термопластичных материалов, которые представляют собой сложные смеси углеводородов.

27. Электротехнические стекла, их основные свойства и применение.

Стекла — неорганические квазиаморфные твердые вещества, в кото­рых при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.

По химическому составу неорганические стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Свойства диэлектриков проявляют лишь оксидные стекла. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий окисел. К числу стеклообразующих окис­лов относятся Si0₂, В₂0₈, Ge0₂, Р₂0₅. Наибольшее распростране­ние получили силикатные стекла (т. е. на основе Si0₂) благодаря вы­сокой химической устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Для придания определенных физических свойств, а также из технологических соображений в состав силикат­ных стекол вводят окислы различных металлов (наиболее часто - щелочных и щелочноземельных).

Силикатные стекла по составу, а в связи с этим и по электрическим свойствам (тангенсу угла диэлектрических потерь и удельной проводимости) можно подразделить на три группы:

1. Бесщелочные стекла (отсутствуют окислы натрия и калия). В эту группу входит чисто кварцевое стекло (плавленый кварц). Стекла данной группы обладают высокой нагревостойкостью, высоки­ми электрическими свойствами, но из них трудно изготавливать изде­лия, особенно сложной конфигурации и с малыми допусками по разме­рам.

2. Щелочные стекла без тяжелых окислов или с незначительным их содержанием. Эта группа стекол состоит из двух подгрупп: а) натрие­вые; б) калиевые и калиево-натриевые. В эту группу входит большинст­во обычных стекол. Они отличаются пониженной нагревостойкостью, легко обрабатываются при нагреве, но имеют пони­женные

создание ребристой поверхности изоляторов, проточка разного рода канавок, изготовление конструк­ций с «утопленными» электродами. Повышение рабочих напряжений достигается также сглаживанием неоднородностей электрического поля за счет изменения формы электродов или оптимизации конструк­ции изолятора. Аналогичный эффект может быть получен при нане­сении на поверхность изолятора пол у проводящих покрытий или ди­электрических пленок с повышенной диэлектрической проницаемостью.

Эффективной мерой борьбы с поверхностным пробоем является замена воздуха жидким диэлектриком, например, трансформаторным маслом. Как известно, многие жидкости обладают более высокой элект­рической прочностью. Кроме того, повышенная по сравнению с возду­хом диэлектрическая проницаемость жидкостей способствует снижению напряженности поля на поверхности твердого диэлектрика. Поэтому погружением изолятора в жидкий диэлектрик можно добиться повышения предельных рабочих напряжений.

По стойкости к хими­чески активным веществам ПТФЭ превосходит золото и платину. Он негорюч, не растворяется ни в одном из известных растворителей, практически негигроскопичен и не смачивается водой и другими жидкостями.

Благодаря малым потерям неполярные полимеры широко применя­ют в технике высоких и сверхвысоких частот. Полиэтилен используют в качестве изоляции телевизионных и радиочастотных кабелей.

Тонкие пленки из полистирола и политетрафторэтилена применяют для изготовления термостабильных высокочастотных конденсаторов с достаточно большой емкостью и весьма высоким сопротивлением изоляции. Ценным свойством таких пленок является высокая электри­ческая прочность.

Полиэтилен, благодаря химической инертности, используется как вспомогательный материал в технологии полупроводников. В част­ности, из него изготавливают соединительные шланги в установках для очистки различных газов, трубопроводы для подачи и разлива особо чистой воды. Широко распространена полиэтиленовая посуда для хранения чистых химических реактивов.

ожидать, что преобладающими будут по­тери сквозной электропроводности.

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графи­ческим построением, где в выбранной сис­теме координат изображены экспоненты тепловыделения при различных значениях приложенного напряжения и прямая тепло­передачи. При значении приложенного напряжения прямая теплопередачи является секущей кривой тепловыделения, а следовательно, диэлектрик нагреется до температуры , при которой наступит состояние устойчивого теплового равновесия, так как мощ­ность тепловыделения равна мощности, отводимой от образца. Если бы по каким-то причинам температура хотя бы немного превысила зна­чение , то ординаты отводимой мощности были бы больше ординат тепловыделения, и образец самопроизвольно должен был бы возвра­титься в устойчивое состояние при температуре . Напряжение будет не опасным для образца диэлектрика в данных условиях, если нагрев до температуры не приведет к механическому разрушению материала. Поэтому начнем увеличивать напряжение и доведем его до такого значения , при котором прямая теплопередачи окажется касательной к кривой тепловыделения, и, следовательно, будет только неустойчивое тепловое равновесие при температуре . При значения приложенного напряжения большем, никакого теплового равновесия не будет, температура станет нарастать безгранично до разрушения диэлектрика. Таким образом, напряжение , при котором имеет место

электрические свойства.

3. Щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых окислов (на­пример, силикатно-свинцовые и бариевые). Эти стекла, обладая удов­летворительной обрабатываемостью, имеют повышенные электричес­кие свойства, приближающиеся при нормальной температуре к элект­рическим свойствам стекол первой группы.

Силикатные стекла устойчивы к действию кислот, за исключением плавиковой кислоты, которая их растворяет; стойкость этих стекол к щелочам значительно меньше.

Электровакуумные стекла. Определяющим параметром стекол для изготовления из них баллонов, ножек и других деталей электровакуумных приборов является температурный коэффициент линейного расширения. Он имеет очень важное значение при пайке и сварке различных стекол, при впайке металлической проволоки или ленты в стекло. Электровакуумные стекла под­разделяют и маркируют по численным значениям температурного коэффициента линейного расширения. Так как стекла — это материалы с маленьким значением температурного коэффициента линейного рас­ширения, а у металлов наблюдается закономерная связь температуры плавления со значением температурного коэф­фициента линейного расширения, то в стекла удается впаивать толь­ко тугоплавкие металлы или металлические сплавы.

Изоляторные стекла. Стекла легко металлизируются воспользуются в качестве герметизированных вводов в металличе­ские корпусы различных приборов (конденсаторов, диодов, транзисто­ров).

Термореактивные компаунды необратимо отверждаются в резуль­тате происходящих в жидком состоянии химических реакций. Они, как правило, обладают более высокой нагревостойкостью по сравнению с термопластичными компаундами, так как при нагрева­нии уже не размягчаются. Однако заливка термореактивным компаун­дом практически исключает возможность ремонта детали или прибора в случае их повреждения. К числу термореактивных относятся компаунды на основе полиэфирных, кремнийорганических и эпоксидных смол, Наиболее широкое распространение в электронной технике получили эпоксидные компаунды, отличающиеся высокой механичес­кой прочностью, высокой нагревостойкостью, а также хорошими электрическими свойствами.