Зависимость tg полярных диэлектриков от температуры

Если пренебречь потерями сквозной проводимости, так же как и в зависимости tg от частоты в температурной зависимости tg будет максимум, как показано на рисунке.

29. Влияние частоты электрополя на диэлектрические потери

Зависимость tgб от частоты

Зависимость tg от частоты для релаксационных поляризаций имеет наибольшую физическую ясность для вязких полярных жидкостей, в которых дипольные молекулы могут сравнительно свободно вращаться друг относительно друга, преодолевая силы вязкого трения. Если пренебречь потерями сквозной проводимости, то для чисто дипольного механизма потерь при частоте _д (рис) будет наблюдаться максимум (кривая 1). Условие максимума

_д =1,

где - время релаксации. Увеличение tg происходит до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул << 1/2f, т.е. с ростом частоты диполям не хватает времени для ориентации 1/2f << , и tg уменьшается. Если в диэлектрике заметны потери сквозной проводимости, то они, в соответствии с выражением tgб =1/R C , уменьшаются с ростом частоты (кривая 2). В этом случае суммарная зависимость имеет вид кривой 3.

30. Пробивное напряжение и электрическая прочность диэлектрика.

Минимальное напряжение U_пр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением.

В зависимости от того, замыкает ли канал оба электрода, пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность материала, образуя на органических диэлектриках науглероженный след-трекинг.

Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому значению больше единицы и называется коэффициентом импульса.

Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.

Снижение U_пр от времени происходит из-за электрического старения изоляции - необратимых процессов под действием тепла и электрического поля.

Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле,

E_пр = U_пр / d, где

E_пр, В/м; U_пр - пробивное напряжение, В; d - толщина диэлектрика, м.

Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в мВ/м или кВ/мм. Соотношение между этими единицами таково:

1 МВ/м=10⁶ В/м=1 кВ/мм.

Определение электрической прочности

Для оценки электрической прочности Епр необходимо, чтобы пробой производился в однородном электрическом поле. В этом случае пробивное напряжение Uпр будет пропорционально Епр. Однородное поле можно создать между двумя электродами, представляющими собой тела вращения определенной формы. Для получения поля, близкого к однородному, можно воспользоваться цилиндрическими электродами, при этом диаметр нижнего электрода D1 должен быть больше диаметра верхнего D электрода не менее чем в 3 раза.

 

Близкое к однородному поле можно получить на электродах в виде дисков с закругленными краями или в виде шаров при малом расстоянии между ними. При использовании листовых образцов и плоских электродов однородное поле получается лишь в средней части образца между электродами, у краев поле искажается.

Для определения Епр твердых изоляционных материалов применяют образцы с одной или двумя лунками или с лункой и выточкой. Электроды получают путем осаждения серебра, золота, платины, меди или алюминия различными методами, например, распылением в вакууме или вжиганием. Могут быть получены графитовые электроды из суспензии графита в лаке.

Для жидких диэлектриков используют электроды в форме дисков с закругленными краями или электроды в виде сферического купола.

Испытательная установка содержит устройство для плавного регулирования напряжения, испытательный трансформатор для повышения напряжения и ряд других элементов. В момент пробоя в образце протекает ток короткого замыкания, вызывающий значительную перегрузку трансформатора, поэтому в цепь высоковольтного напряжения включается нагрузочное сопротивление R. В цепи низкого напряжения предусматривается автоматическое отключение питания после пробоя. На рисунке показана принципиальная схема измерения U_пр при переменном напряжении.

Для измерения на постоянном токе в цепь высокого напряжения включают дополнительно выпрямительное устройство. Параллельно образцу включается конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

31. Механизм ударной ионизации.

Зависимость тока в газе при возрастании напряжения имеет три характерных участка (Рис.9.1.). Первый - линейная зависимость, второй - насыщение, третий участок - экспоненциальный рост. В этой области резко начинают расти и диэлектрические потери. Причина заключается в появлении носителей в промежутке за счет нового механизма - ударной ионизации.

 

 

Рис.9.1. Зависимость тока в газе от напряжения.

 

 

 

       Ударная  ионизация -это физическое явление увеличения числа электронов и ионов в промежутке за счет столкновения электронов с повышенной энергией с нейтральными молекулами.

     Откуда берутся электроны с повышенной энергией? Электроны появляются из электродов, либо в результате развала отрицательного иона, либо в результате термоионизации. В электрическом поле на электрон действует сила, в результате чего он ускоряется и набирает энергию. После прохождения расстояния l приобретаемая энергия составит DW=eEl. При этом в каждом акте ионизации затрачивается энергия ионизации W. Характерные значения энергии ионизации зависят от типа молекул и составляют для некоторых молекул: для цезия - 3.88 эВ, для азота - 14.5 эВ, для кислорода - 12.5 эВ

      Ионизация электронами происходит, в том случае, если кинетическая энергия налетающего электрона mV²/2 > W по схеме e+A = A⁺ +e+e. Такой тип ионизации называется прямой ионизацией. Здесь А - молекула или атом газа.

      Однако возможна ионизация и при меньшей энергии налетающего электрона, если она превышает энергию возбуждения W_возб. Такой тип ионизации называется ассоциативной ионизацией. Она происходит в два этапа, с участием возбужденных молекул A^*. Критерием начала ассоциативной ионизации является W>mV²/2> W_возб. Возможны следующие схемы

e + A = A*+ e, A* + e=A⁺ + e + e

e + A= A* + e, A* + e=A + e + W_i, e + W_i + A=A⁺ + e

e + A=A* , A* + A*=A⁺ + e

Электронная лавина - экспоненциальный рост количества носителей заряда в промежутке от катода к аноду за счет ударной ионизации молекул электронами n = n₀ e^ad. Коэффициент a называется коэффициентом ударной ионизации. Он определяется донорно-акцепторными свойствами молекул жидкости, зависит от длины свободного пробега и резко зависит от напряженности поля. Для примера a = 18 1/cм при 30 кВ/см в воздухе.

       Возникновение лавины - это еще не пробой. Необходимо, чтобы после прохождения лавины снова появился на катоде электрон. После этого возникает повторная лавина, затем еще лавина и т.д. Возникает самостоятельный многолавинный разряд. Для самостоятельности разряда необходимо вырывание электронов из катода положительными ионами, либо фотонами. Для оценки процесса вводят коэффициент g - т.н. вторичный ионизационный коэффициент. Для плотности электронного тока можно получить выражение j = j₀×e/(1-g(e^ad-1)).

Условием самостоятельности разряда является появление на катоде хотя бы одного электрона после прохождения лавины:

1-g(e^ad-1) = 0 (9.2.)

Рис.9.2. Кривая Пашена для лавинного пробоя воздушного промежутка.

 Поскольку коэффициент ударной ионизации зависит от напряженности поля, длины свободного пробега, а следовательно и давления из условия самостоятельности можно получить зависимость разрядного напряжения от внешних факторов, т.н. закон Пашена 

U = f(pd), или в другом виде E/p = F(pd)

       Здесь р - давление в газе, d - межэлектродный промежуток. Характерная кривая для пробоя газов приведена на рис.9.2. Она имеет минимум, значение которого и положение зависят от типа жидкости. Например для воздуха минимум пробивного напряжения составляет 300 В и он достигается вблизи pd~1 Па×м.

        После пробоя газового промежутка он заполняется газоразрядной плазмой. В дальнейшем, в зависимости от мощности источника напряжения в промежутке развиваются различные виды разрядов. Если источник недостаточно мощен и давление невелико, то развивается тлеющий разряд. Этот разряд происходит во всем объеме, он имеет несколько характерных зон, основные из которых - темное пространство у катода и светящийся анодный столб. В темном пространстве электроны не имеют достаточно энергии для возбуждения молекул и поэтому нет свечения. В положительном столбе свечение вызвано излучением возбужденных молекул. Анодное свечение используется в люминесцентных лампах.

В случае мощного источника напряжения в промежутке после пробоя возникает дуговой разряд. Он характеризуется узким высокотемпературным каналом с высокой плотностью тока. В промышленности используется, в частности при электросварке.

Реально закон Пашена выполняется при не очень высоких давлениях, менее 1 атм и при малых зазорах, менее 1 мм. В больших промежутках при нормальном и повышенном давлении механизм пробоя меняется. Дело в том, что по мере удлинения лавины заряд вблизи фронта развивающейся лавины нарастает, напряженность электрического поля также все более и более возрастает. При некоторой напряженности возможно распространение разряда практически без участия электродов, за счет высокой напряженности. Происходит т.н. лавинно-стримерный переход, переход разряда из многолавинной формы в стримерную форму.

32. Механизм внутренней фотонной ионизации

В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее в «возбужденное состояние» – вызвать изменение в движении электронов, связанных с молекулой. В следующий момент эта «возбужденная» молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения – испускает фотон. Некоторые из фотонов имеют энергию, превышающую энергию ионизации молекул. Такие фотоны рождаются за счет ударного возбуждения электронов, находящихся на внутренних оболочках атомов. При поглощении фотона, обладающего большой энергией, другой молекулой возможна ее ионизация. Внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распространения излучения приводит к особо быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной проводимостью газа.

На рис. 3.2 представлена схема, поясняющая, почему рост электропроводящего канала (стримера) происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины. На этом рисунке лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а линиями изображены пути фотонов. Внутри каждого конуса газ ионизируется ударами электронов. Выбитые электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа. Так лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду. Начала линий исходят из атомов, которые были возбуждены ударом электрона и вслед за тем испустили фотон.

Рис. 3.2. Схема развития отрицательного стримера

Двигаясь со скоростью , фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, соответствующем концу линии, ионизируют частицу газа. Выбитый здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, допустим, на расстояние, равное длине стрелки  (рис. 3.2), намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример, распространяется на расстояние, равное длине стрелки .

На следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.

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 которого схематически показано на рис. 3.3. Электронные лавины оставляют на своем пути большое число новообразованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода. Если концентрация положительных ионов здесь достигает определенного значения (близкого к  ионам в ), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотоионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются положительными пространственными зарядами в головную часть положительного стримера, и, в-третьих, вследствие фотоионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается.

Рис. 3.3. Схема возникновения и развития положительного стримера (развитие стадий разряда показано слева направо)

Из рис. 3.3 видно, что многие электроны вовлекаются в область наибольшей концентрации положительных ионов – в головную часть положительного стримера. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных частиц на катоде возникает катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа.

Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее развивается пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается. Это повышение обычно характеризуют коэффициентом импульса:

,

где  – пробивное напряжение при данном импульсе;  – пробивное напряжение при постоянном или переменном (частотой 50 Гц) напряжении. Коэффициент импульса разрядных промежутков с резко неоднородным электрическим полем может доходить до 1,5.

Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой [2].

33. Пробой твердофазного диэлектрика.

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1. электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;

2. электрический пробой неоднородных диэлектриков;

3. тепловой (электротепловой) пробой;

4. электрохимический пробой.

Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10^-7 – 10^-8 с, и не обусловлен тепловой энергией.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижается электрическая прочность как в однородном, так и в неоднородном поле. Площадь электродов тоже влияет на прочность диэлектрика. Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности из-за уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью: мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика.

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений: слюда, стекла, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком.

Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала.

Для того, чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при данной температуре с поверхности изолятора:

U²Ctg= S(T_раб – T₀), (1.28)

где U – напряжение, В; U²C– реактивная мощность, В·А; – угловая частота, с^-1; С – емкость изолятора, Ф; tg– тангенс угла потерь при рабочей температуре; – коэффициент теплоотдачи , Вт/м²·К; S – площадь поверхности изолятора, м²; T_раб и T₀ – температуры поверхности изолятора и окружающей среды, К.

Данное выражение с достаточной степенью точности позволяет рассчитать допустимое напряжение для изделий с известной электрической емкостью и хорошей теплопроводностью диэлектрика, обеспечивающей малый перепад температуры по сечению изделия.

Для более точных расчетов В.А.Фоком и Н.Н.Семеновым получено строгое аналитическое выражение для пробивного напряжения в случае теплового пробоя:

(1.29)

где  _т – удельная электропроводность диэлектрика, Вт/м·К; f – частота, Гц; tg₀ – тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; _tg – температурный коэффициент tg, 1/K; (cs) – поправочная функция аргумента с, зависящая от теплопроводности металла электродов, коэффициента теплопередачи из диэлектрика в металл, толщины диэлектрика и электродов.

Электрохимический пробой имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивление изоляции.

Такое явление часто называют старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании. Это явление имеет место в органических (пропитанная бумага, резина и т.д.) и некоторых неорганических диэлектриках (титановая керамика).

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, т.к. он связан с явлением электропроводности, приводящем к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО₂), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.

Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.

34. Тепловой и электрохимический разновидности пробоя диэлектрика.

Пред. Вопрос

35. Электропроводные и резистивные материалы. Общие требования

36. Удельное сопротивление проводников. Правило Маттисена.

37. Влияние температуры и примеси на электросопротивление проводников.

38. Технологии получения электропровода.

39. Электросопротивление плёночных проводников

40. Упругая, неполная упругая и пластическая деформация. Общая характеристика.

41. Механизм пластической деформации

42. Диаграмма напряжений.

43. Деформационное упрочнение