11.Электропроводность твердых диэлектриков.

Обусловлена, как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов примесей, а у некоторых материалов и наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наблюдается при сильных электрических полях. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы и ионы примесей, а при высоких температурах движутся термически освобождаемые ионы кристаллической решетки. Ионная электропроводность, в отличие от электронной, сопровождается переносом вещества. Температурная зависимость удельной проводимости твердых диэлектриков описывается выражением

где W – энергия активации носителей заряда, k – постоянная Больцмана. Для каменной соли энергия активации ионов натрия 0,85 эВ, ионов хлора 2,5 эВ, электронов 6,0 эВ.Кристаллы с одновалентными ионами, обладают большей проводимостью по сравнению с кристаллами с многовалентными ионами. При больших напряженностях (выше 10 - 100 МВ/м) электрического поля в кристаллическом диэлектрике появляется значительный электронный ток, быстро возрастающий с ростом напряженности поля, приводящий к нарушению закона Ома.

12.Электропроводность твердых диэлектриков ионного строения. У этих диэлектриков электропроводность обусловлена направленным перемещением точечных дефектов, концентрация которых при нагревании возрастает за счет тепловых флуктуации. Точечными дефектами являются как собственные свободные ионы диэлектрика и вакансии кристаллической решетки, так и ионы примеси. Перемещение вакансий рассматривается как движение заряженных частиц. Дрейф собственных заряженных частиц диэлектрика обусловливает его собственную проводимость, которая проявляется при высоких температурах. Дрейф ионов примеси обусловливает примесную проводимость, наблюдаемую уже при сравнительно низких температурах. Примеси являются не только источником свободных ионов, они, ослабляя ионную связь, облегчают тем самым собственным ионам диэлектрика уход из узлов решетки в междоузлие, после чего эти ионы становятся свободными и образуют в диэлектрике электрический ток.

13.Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков. Удельная поверхностная электропроводность ys твердых диэлектриков обусловлена наличием на их поверхности влаги или других загрязнений ионогенной природы, которые, диссоциируя, увеличивают ионную проводимость. С увеличением полярности диэлектрика, температуры и относительной влажности воздуха или уменьшением краевого угла смачивания , удельное поверхностное сопротивление р5 снижается, причем сильнее, чем удельное объемное сопротивление р.

14.Влияние ионизирующих излучений на электропроводность твердых диэлектриков.

15.Токи в диэлектрике. Диэлектрические потери при постоянном напряжении.Диэлектрическими потерями Р (Вт) называют ту часть энергии приложенного электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике за единицу времени. При постоянном напряжении потери обусловлены только током сквозной проводимости, и величина диэлектрических потерь в данном случае зависит (обратно пропорционально) от значений удельных объемного и поверхностного сопротивлений.

16.Угол диэлектрических потерь. Тангенс угла диэлектрических потерь. Диэлектрические потери переменного напряжения. При переменном напряжении диэлектрические потери возникают под действием как тока сквозной проводимости, так и релаксационных видов поляризации; их величина зависит от значения Е. Диэлектрические потери электроизоляционных материалов и конструкций обычно характеризуют тангенсом угла диэлектрических потерь tg8, где 8 — угол, дополняющий до 90(угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи.) Величина tg8 является важной характеристикой диэлектриков. Она определяет диэлектрические потери в материале: чем больше tg8, тем более высокие (при прочих равных условиях) диэлектрические потери.

17.Виды диэлектрических потерь. Различают следующие основные виды диэлектрических потерь:

1) потери, обусловленные электропроводностью (током сквозной проводимости);

2) потери, вызванные релаксационными видами поляризации;

3) ионизационные потери.

18.Диэлектрические потери в жидких неполярных диэлектриках. Зависимость tgb от температуры и частоты напряжения. В жидких неполярных диэлектриках (например, в нефтяных электроизоляционных маслах) диэлектрические потери обусловлены только удельной электропроводностью и имеют небольшие значения (tg8 ~ 10~4), которые мало зависят от частоты напряжения и температуры, но существенно зависят от природы и концентрации примеси. Наличие ионогенной примеси (например, влаги, свободных органических кислот и т. п.) приводит к существенному увеличению удельной электропроводности и, следовательно, диэлектрических потерь. Из рис. 4.7, б видно, что с увеличением температуры tg5 нефтяного трансформаторного масла чистого, сухого возрастает незначительно; tg5 возрастает, так как увеличивается удельная электропроводность. С повышением температуры степень диссоциации молекул кислот, воды и другой ионогенной примеси возрастает, следовательно, возрастает ионная проводимость в трансформаторном масле и, как следствие, увеличиваются диэлектрические потери.

19.Диэлектрические потери в жидких полярных диэлектриках .Зависимость tgb от температуры и частоты напряжения. В жидких полярных диэлектриках диэлектрические потери являются следствием как электропроводности, так и дипольно-релаксационной поляризации. При этом дипольно-релаксационная поляризация существенно влияет на общий уровень диэлектрических потерь. Величина tgb может иметь значения ~ 10~3—10~2 и более.

При нагревании жидких полярных диэлектриков tgb возрастает особенно сильно при высокой температуре , так как увеличивается удельная электропроводность. На кривой зависимости tgb(T) проявляется максимум, обусловленный дипольно-релаксационной поляризацией, который с увеличением частоты напряжения смещается в сторону более высоких температур.

20.Диэлектрические потери в твердых неполярных диэлектриках. В неполярных диэлектриках (например, в парафине) потери обусловлены только удельной электропроводностью. У этих диэлектриков наблюдается электронная поляризация; релаксационные виды поляризации отсутствуют. Диэлектрические потери небольшие (tg8~10~4) и при нагревании слегка возрастают . Наличие ионогенной примеси приводит к существенному возрастанию диэлектрических потерь.

21.Диэлектрические потери в твердых полярных диэлектриках. В полярных диэлектриках (например, в канифоли) на кривых зависимости tgS от температуры и частоты напряжения, подобно полярным жидким диэлектрикам, проявляется максимум тангенса угла диэлектрических потерь, обусловленный дипольно-релаксационной поляризацией. В этих диэлектриках, так же как в жидких полярных, диэлектрические потери складываются из потерь, обусловленных электропроводностью и дипольно-релаксационной поляризацией.

22.Диэлектрические потери в твердых диэлектриках ионного строения. В кристаллических диэлектриках с плотной упаковкой решетки ионами (в кварце, слюде, корундовой керамике и т. п.) наблюдаются электронная и ионная поляризации, не вызывающие рассеивания мощности приложенного электрического поля, поэтому диэлектрические потери в этом случае обусловлены только удельной электропроводностью и имеют небольшие значения тангенса угла потерь (tg5 ~ 10~4), который при нагревании незначительно возрастает , так как возрастает удельная электропроводность .

23.Диэлектрические потери в полимерах.В неполярных полимерах (в полистироле, полипропилене и др.) диэлектрические потери при температурах ниже температуры стеклования (Т< Тс) имеют небольшую величину (tg8 ~10~4—10~5) и практически не зависят от частоты напряжения и очень слабо зависят от температуры .При нагревании (при Т< Тс) tg5 незначительно возрастает, так как слегка возрастает удельная электропроводность. Полярные полимеры (поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиамиды и др.) имеют значительно большие значения tgS (10~3—10~2

и выше), чем неполярные. С увеличением температуры tg5 проходит через два максимума, обусловленные соответственно дипольно-групповой (при Т < Тс) и дипольно-сегментальной (при Т > Тс) поляризациями и далее возрастает вследствие увеличения удельной электропроводности.

24.Пробой диэлектриков и перекрытие. Характеристики электрической прочности. Пробоем диэлектрика называют такое его состояние, когда диэлектрик при некотором значении напряженности электрического поля утрачивает свои электроизоляционные свойства. В диэлектрике образуется канал проводимости. Следовательно, электрическая прочность Епр диэлектрика — это минимальное значение напряженности электрического поля, при котором наступает пробой. В простейшем случае можно принять

Е =Uпр/h. где h — толщина диэлектрика в месте пробоя.Электрическая прочность Епр диэлектриков зависит в первую очередь от степени однородности образца (у твердых диэлектриков — от количества и размера пор, у жидких — от частиц нерастворенной примеси, у воздуха — от микрокапель влаги), химического состава и строения материала, толщины образца (расстояния между электродами), частоты и времени приложения напряжения, давления, влажности и т. д.

25.Электрический пробой диэлектриков.Следствием пробоя является ток короткого замыкания Iкз, который не зависит от природы диэлектрика и определяется лишь мощностью источника напряжения и сопротивлением внешней цепи. Ток короткого замыкания приводит к механическому и тепловому разрушению твердого диэлектрика — образуется сквозное проплавленное отверстие. Напряжение, при котором наступает пробой, называют пробивным напряжением Unp, а напряженность электрического поля в данном случае характеризует электрическую прочность Епр диэлектрика.

26.Электротепловой пробой диэлектриков. Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях; при этом нарушается тепловое равновесие . При электротепловой (или просто тепловой) форме пробоя твердых и жидких диэлектриков принимают действующие (эффективные) значения напряжения U^ и тока 1^, так как пробой в этом случае обусловлен не только электронными процессами, но и тепловыми, возникающими в результате диэлектрических потерь. Напряжение, при котором наступает пробой, называют пробивным напряжением Unp, а напряженность электрического поля в данном случае характеризует электрическую прочность Епр диэлектрика. Для возможности оценки и сравнения значений Епр у диэлектриков пробой испытуемых образцов производят в однородном электротехническом поле. Следовательно, электрическая прочность Епр диэлектрика — это минимальное значение напряженности электрического поля, при котором наступает пробой. В простейшем случае можно принять Е =Uпр/h. где h — толщина диэлектрика в месте пробоя.

27.Электрохимический и ионизационный пробой диэлектриков. Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением, например в керамике, окислов металлов переменной валентности.Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время, поскольку он связан с явлением электропроводности. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария. Электрохимический пробой наблюдается и у многих органических материалов; он во многом зависит от материала электродов.

28.Пробой газообразных диэлектриков. Механизм пробоя. Пробой газообразных диэлектриков имеет чисто электрическую форму. Механизм пробоя газов рассмотрим на примере пробоя воздуха. В результате воздействия внешнего ионизирующего излучения воздух всегда содержит некоторое количество свободных ионов и электронов, которые, так же как и нейтральные молекулы, находятся в тепловом (хаотическом) движении. При приложении электрического поля эти заряженные частицы дополнительно приобретают направленное движение — дрейф. Важная роль при пробое, особенно в начальной стадии, принадлежит электронам как частицам, имеющим намного большую подвижность, чем ионы . Кроме того, при электронной ударной ионизации (см.ниже) отщепляемый от молекулы электрон отталкивается от нее ионизирующим электроном, облегчая условие ионизации. В упрощенном виде механизм пробоя газов сводится к следующему. Свободный электрон (обычно это п свободных электронов) под действием приложенного электрического поля, двигаясь по направлению к аноду, приобретает добавочную энергию W, равную для однородного поля

W = eλE,

где е — заряд электрона; λ — средняя длина свободного пробега электрона (участок пути, пройденный электроном от столкновения с одной молекулой до столкновения с другой молекулой); Е — напряженность электрического поля .

29.Зависимость Епр газообразных диэлектриков от различных факторов.Электрическая прочность газов зависит от степени неоднородности электрического поля, в котором происходит пробой. Чем выше неоднородность поля, тем ниже Епр. Зависимость электрической прочности газов от давления: с увеличением давления (выше атмосферного) Епр возрастает , а с уменьшением — снижается. Зависимость электрической прочности газов от расстояния между электродами и их формы: при

уменьшении расстояния между электродами Епр значительно возрастает . Зависимость электрической прочности воздуха от частоты приложенного напряжения: При пробое на переменном токе частотой до нескольких тысяч герц амплитудная величина пробивного напряжения практически равна пробивному напряжению на постоянном токе. При последующем увеличении частоты пробивное напряжение снижается на 20—25 % и становится минимальным, после чего возрастает и достигает значения, превосходящего пробивное напряжение на постоянном токе более чем в 1,5 раза. Зависимость электрической прочности от природы газообразного диэлектрика: с увеличением молекулярной массы и особенно при введении в состав молекул газообразных диэлектриков атомов таких электроотрицательных элементов и увеличении числа этих атомов Епр возрастает.