38.Процессы в диэлектриках в электрическом поле и электрические характеристики диэлектриков.

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

В диэлектриках практически нет свободных электронов поэтому ток по ним не проходит. Внесём в электрическое поле, которое назовём внешним пластинку диэлектрика, например стекла.

Под влиянием внешнего электрического поля происходит поляризация диэлектрика.

Это значит, что электроны в атомах начинают вращаться по вытянутым орбитам. В результате, на нашем рисунке левая поверхность имеет отрицательный заряд, а правая поверхность имеет положительный заряд. Между  этими зарядами внутри диэлектрика возникает своё электрическое поле, которое назовём внутренним. Таким образом, внутри пластинки диэлектрика будут одновременно два поля- внешнее и внутреннее, противоположные по направлению. Напряжённость результирующего электрического поля равна напряжённости большего поля минус напряженность меньшего поля.

Пояснение:  Напряжённость внутреннего поля в диэлектриках всегда меньше напряжённости внешнего поля.

Число, показывающее во сколько раз напряжённость электрического поля в диэлектрике меньше чем в вакууме, называется диэлектрической проницаемостью ε (эпсилон).

диэлектрик	ε
Вакуум	1,0
Воздух	1,00059
Бумага	3,0-3,5
Каучук	2-3
Парафин	2,1-2,2
Гетинакс	4-5
Слюда	4-7,5
Дерево	4,5-5
Фарфор	6-6,5
Стекло	5,5-10
Вода	81
Керосин	6-6,5

Электрические характеристики диэлектриков

Объемное сопротивление — сопротивление диэлектрика при прохождении через него постоянного тока. Для плоского диэлектрика оно равно:

Rv = ρv (d / S), Ом

где ρv - удельное объемное сопротивление диэлектрика, представляющее собой сопротивление куба с ребром 1 см при прохождении постоянного тока через две противоположные грани диэлектрика, Ом-см, S — площадь сечения диэлектрика, через которое проходит ток (площадь электродов), см2, d - толщина диэлектрика (расстояние между электродами), см.

Поверхностное сопротивление диэлектрика

Поверхностное сопротивление - сопротивление диэлектрика при прохождении тока по его поверхности. Это сопротивление составляет:

Rs = ρs (l / S), Ом

где ps - удельное поверхностное сопротивление диэлектрика, представляющее собой сопротивление квадрата (любых размеров) при прохождении постоянного тока от одной его стороны к противоположной, Ом, l- длина поверхности диэлектрика (в направлении прохождения тока), см, S — ширина поверхности диэлектрика (в направлении, перпендикулярном прохождению тока), см.

Диэлектрическая проницаемость.

Как известно, емкость конденсатора - диэлектрика, заключенного между двумя параллельно расположенными и находящимися друг против друга металлическими обкладками (электродами), составляет:

С = (ε S) / (4π l), см,

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, равная отношению емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора таких же геометрических размеров, но диэлектриком которого является воздух (вернее вакуум); S - площадь электрода конденсатора, см2, l - толщина диэлектрика, заключенного между электродами, см.

Угол диэлектрических потерь

Потеря мощности в диэлектрике при приложении к нему переменного тока составляет:

Pa = U х Ia, Вт

где U - приложенное напряжение, Ia - активная составляющая тока, проходящего через диэлектрик, А.

Как известно: Ia = Iр / tgφ = Iрх tgδ, А, Iр = U2πfC

где Iр - реактивная составляющая тока, проходящего через диэлектрик, А, С - емкость конденсатора, см, f - частота тока, гц, φ - угол, на который вектор тока, проходящий через диэлектрик, опережает вектор напряжения, приложенного к этому диэлектрику, град, δ - угол, дополняющий φ до 90° (угол диэлектрических потерь, град).

Таким образом, величина потери мощности определяется:

Pa = U²2πfCtgδ, Вт

Большое практическое значение имеет вопрос зависимости tgδ от величины приложенного напряжения (кривая ионизации).

При однородной изоляции, не имеющей расслоений и растрескиваний, tgδ почти не зависит от величины приложенного напряжения; при наличии расслоений и растрескиваний с увеличением приложенного напряжения tgδ резко возрастает из-за ионизации промежутков, заключенных внутри изоляции.

Периодическое измерение угла диэлектрических потерь (tgδ) и его сравнивание с результатами предыдущих замеров характеризуют состояние изоляции, степень и интенсивность ее старения.

Электрическая прочность диэлектрика

В электроустановках диэлектрики, образующие изоляцию обмоток, должны противостоять действию электрического поля. Интенсивность (напряженность) тюля возрастает с увеличением напряжения, создающего это поле, и, когда напряженность поля достигает критической величины, диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства происходит так называемый пробой диэлектрика.

Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением, а соответствующая ему напряженность поля - электрической прочностью диэлектрика.

Численное значение электрической прочности равно отношению величины пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя:

Eпр = Uпр / l, кВ / мм,

где Uпр - пробивное напряжение, кВ, l - толщина изоляции в месте пробоя, мм.