Матведответ

Как правило, линейных диэлектриков при увеличении действующего на диэлектрик давления возрастает, так как при всестороннем сжатии растет плотность и, следовательно, число способных поляризоваться молекул в единице объема вещества.

У гигроскопических диэлектриков обычно заметно увеличивается при увлажнении. Упрощенно это можно объяснить сравнительно высоким значением воды.

1.1.1.1.1.1.1.1.5155. Электропроводность диэлектриков. Особенности электропроводности

диэлектриков.

Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый, хотя обычно и весьма незначительный ток, называемый током утечки.

Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей. Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления ( >106 Ом·м) диэлектрика ток через объем участка изоляции – объемный сквозной ток IV очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности - поверхностный сквозной ток IS. Поэтому при изучении электропроводности диэлектриков необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный сквозной ток, полагая общий ток участка изоляции

I = IV + IS.	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..13)
Следовательно, проводимость = I/U складывается из .проводимости объемной V = IV/U и проводимости
поверхностной S = IS/U:
= V + S,	(Ошибка! Текст

указанного стиля в документе отсутствует..14)

Величины, обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции – объемным RV и поверхностным RS. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений:

	R	1		RV	RS	.	(Ошибка! Текст указанного
							стиля в документе отсутствует..15)
				RV
					RS

Под удельным сопротивлением диэлектрика обычно понимают удельное объемное сопротивление, для характеристики RS вводят понятие удельного поверхностного сопротивления S. Формально определение V вытекает из следующих соображений: поверхностное сопротивление участка поверхности твердого диэлектрика между параллельными друг другу кромками электродов длиной b, отстоящими друг от друга на расстоянии а, прямо пропорционально а и обратно пропорционально b: RS = S ·а/b, где S - коэффициент пропорциональности и есть удельное поверхностное сопротивление:

S = RS ·а/b	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..16)

S – есть сопротивление квадрата (любой величины) на поверхности диэлектрика, ток через который идет от одной стороны к противоположи при а = b согласно (5.15) = S.

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектрика является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения IСМ. Этот ток обусловлен смещением упруго связанных зарядов. Этот ток прекращается за очень короткое время примерно равное постоянной времени RС цепи источник–образец. Однако ток продолжает изменяться и после этого, часто в течение минут и даже часов. Медленно изменяющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика, называют током абсорбции (IАБС) Ошибка! Источник ссылки не найден..

Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей встречает на своем пути ловушки захвата – дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все ловушки заполняются носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток IСКВ, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов:

IСКВ = IV + IS.	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..17)

Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика – дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности электрического поля в диэлектрике становится неоднородным. Накопление в диэлектрике объемных зарядов приводит и к такому нежелательному явлению, как неполный разряд конденсатора при коротком замыкании его обкладок, характеризуемый коэффициентом абсорбции, равным отношению остаточного напряжения к начальному.

При измерении удельного сопротивления ток абсорбции необходимо исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некоторого времени.

Далее рассмотрим особенности электропроводности твердых, жидких и газообразных диэлектриков.

1.1.1.1.1.1.1.1.5256. Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых диэлектриков чаще всего носит ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках W >> kТ и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kТ. Например, в кристалле NaCl W = 6 эВ, энергия отрыва ионов натрия W = 0.6 эВ. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов ( ИОН) по сравнению с подвижностью электронов ЭЛ ионная проводимость оказывается больше за счет значительно большей концентрации свободных ионов:

nИОН · q · ИОН >> nЭЛ · е · ЭЛ	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..18)

(В диэлектрике с электронной электропроводностью nЭЛ в 109-1012 раз меньше, чем nИОН в диэлектрике с ионной электропроводностью при одинаковом заряде носителей и одинаковом значении удельной проводимости.) При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности, ионы примесей. При высоких температурах движутся основные ионы кристаллической решетки.

Удельная проводимость (в См/м) при температуре Т
= q · NT · T,	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..19)

где q – заряд носителя, Кл; NT – число носителей в единице объема при температуре Т; м-3; T - подвижность,

м2/В·с).

При относительно невысоких напряженностях электрического поля концентрация носителей заряда и подвижность не зависят от Е, т.е. скорость их перемещения V пропорциональна напряженности поля V= E — соблюдается закон Ома.

При ионной электропроводности число ионов, принимающих участие в переносе тока, находится в экспоненциальной зависимости от Т:

NT = N·ехр[–W/(kТ)],	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..20)
где N — общее число ионов в 1 м3; W — энергия активации иона. Подвижность иона также выражается
экспоненциальной зависимостью от температуры:
T = MAX ·ехр[–WП/(kТ)],	(Ошибка! Текст

указанного стиля в документе отсутствует..21)

где MAX – предельная подвижность иона; WП – энергия перемещения иона, определяющая переход иона из одного неравновесного положения в другое.

Подставляя NT и T в формулу для удельной проводимости, объединяя постоянные N, q и MAX одним коэффициентом А, имеем:

= А·ехр(-b/Т), (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..22)

где b = (W + WП)/k.

Формула (5.21) показывает, что чем больше значения W и WП, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры. Ввиду того, W>>WП, температурная зависимость проводимости определяется главным образом изменением концентрации носителей.

Если в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов выражение для удельной проводимости принимает вид:

= Аi · ехр[–W/kТ]

(Ошибка! Текст

указанного стиля в документе отсутствует..23)

В связи с этим кривые логарифмической зависимости удельной проводимости от температуры имеют изломы. При низких температурах электропроводность обусловлена ионизированными примесями, при высоких температурах она становится собственной. По наклонам участков прямых зависимостей ln (1/Т) можно определить энергию активации носителей заряда и их природу:

ln '' ln ' (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..24)

W k 1/ T '' 1/ T ' .

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы идут к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда мало, и приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда.

У твердых пористых диэлектриков при наличии в них влаги даже в ничтожно малых количествах значительно увеличивается удельная проводимость. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде сопротивление материалов вновь уменьшается. Наиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых материалов, которые содержат растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой проводимостью. Для уменьшения влагопоглощения и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы подвергают пропитке.

При больших напряженностях электрического поля необходимо учитывать возможность появления в твердых диэлектриках электронного тока, быстро возрастающего с увеличением напряженности поля, в результате чего наблюдается отступление от закона Ома.

1.1.1.1.1.1.1.1.5357. Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков.

Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности диэлектрика. Вода обладает значительной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы обнаружить заметную проводимость, которая определяется в основном толщиной этого слоя.

Однако, поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, удельную поверхностную проводимость обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества и чем чище по-верхность диэлектрика. Причем наличие загрязнений на поверхности относительно мало сказывается на удельной поверхностной проводимости гидрофобных диэлектриков и сильно влияет на проводимость гидрофильных диэлектриков.

К первым в основном относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, ко вторым — полярные и ионные диэлектрики со смачиваемой поверхностью. Наиболее значительное увеличение удельной поверхностной проводимости имеет место у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости. Высокой поверхностной проводимостью обладают и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги вглубь материала стимулирует также и образование ее пленки на поверхности диэлектрика.

С целью уменьшения поверхностной проводимости применяют различные приемы очистки поверхности - промывку спиртом, водой с последующей просушкой и т.д. Наиболее эффективной очисткой поверхности достаточно нагревостойкого изделия, не впитывающего воду, является продолжительное кипячение в дистиллированной воде. Покрытие керамики и стекол пленками кремний органических лаков способствует сохранению низкой поверхностной проводимости изделий во влажной среде.

1.1.1.1.1.1.1.1.5458. Электропроводность жидких диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность определяется наличием диссоциированных примесей. В полярных жидкостях электропроводность зависит не только от примесей, иногда она вызывается диссоциацией молекул самой жидкости.

Ток в жидкости может быть обусловлен как перемещением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц (коллоидная система — тесная смесь двух веществ (фаз) причем одна фаза в виде мелких частиц – капель, зерен, пылинок - равномерно взвешена в другой).

Полярные жидкости (дистиллированная вода, этиловый спирт, ацетон) имеют = 103-105 Ом·м, у неполярных жидкостей (бензол, трансформаторное масло) > 1010-1013 Ом·м, так как в полярных жидкостях легче происходит диссоциация молекул.

Удельная проводимость любой жидкости в значительной степени зависит от температуры. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрация ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону:

n = n0·exp[–W/(kT)],	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..25)
где W - энергия диссоциации, n0 - общая концентрация ионов в единице объема.
Отсюда удельная проводимость:
= n·q·( + + –) = А·ехр(–а/Т),	(Ошибка! Текст указанного

стиля в документе отсутствует..26)

где + и – подвижности положительных и отрицательных ионов соответственно, q – заряд иона, А и а – постоянные, характеризующие материал.

Удельное сопротивление жидкостей:

= В·ехр(а/T), (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..27)

где В - постоянная, равная 1/А.

1.1.1.1.1.1.1.1.5559. Электропроводность газов.

Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами: радиоактивным излучением Земли, радиацией, проникающей из космического пространства, излучением Солнца. При этом в газ попадают частицы с большой энергией, которая превышает энергию ионизации молекул или атомов. От столкновения с такими частицами происходит ионизация определенного числа молекул. Например, в 1 см3 воздуха при нормальных условиях под действием внешних ионизирующих факторов за секунду образуется от трех до пяти пар частиц с зарядами противоположных знаков. Заряженные ионы, также как и окружающие их, не имеющие электрического заряда молекулы, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация. Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.

Предположим, что ионизованный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряженно. Ионы под влиянием напряжения перемещаются, и в цепи возникает ток (рис. 33).

Начальный участок кривой до напряжения UН соответствует выполнению закона Ома, когда число положительных и отрицательных ионов n можно считать независящими от напряжения. В газовом промежутке ток пропорционален напряжению, плотность тока пропорциональна напряженности поля.

J = n·q·( + + –)·E (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..28)

По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, будут уходить на электроды, не рекомбинируя. Так как число ионов в газе при малых полях ограничено и не зависит от напряжения, то дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока, ток достиг насыщения. Ток насыщения для

воздуха в нормальных условиях и расстоянии между электродами ICM наблюдается при напряженностях поля примерно 0,6 В/м. Плотность тока насыщения воздуха равна 10-15 А/м2. JН в газах примерно 10-16 – 10-14 А/м2.

JН = q·n·h,	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..29)

где n – мощность внешнего ионизатора (число актов 1 ионизации в 1м-1 за 1 секунду), h – расстояние между электродами.

При дальнейшем повышении напряженности до значений, близких к ЕКР, возникает ударная ионизация электронами и ток резко возрастает. Плотность тока равняется

J = q·n0·ехр( h). (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..30)

где n0 – концентрация свободных электронов около катода,- коэффициент ударной ионизации.

Ударная ионизация в воздухе в нормальных условиях возникает при Е = (105-106) В/м., т.е. в полях, близких к пробивным. В предпробивных полях создаются условия для возникновения «лавин» и ток очень резко возрастает, пока при Е = ЕПР не наступает пробой газа.

1.1.1.1.1.1.1.1.5660. Диэлектрические потери.

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. В диэлектрике, помещенном в переменное синусоидальное электрическое поле с напряженностью Е и угловой частотой , возникают электрические токи двух видов: емкостной ток и активный ток. Плотность емкостного тока

JCM = · · 0·Е	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..31)
Плотность активного тока:
Ja = а·E,	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..32)

где а – удельная активная проводимость диэлектрика на угловой частоте . Плотность общего тока J равна векторной сумме плотностей токов емкостного и активного, как это изображено на векторной диаграмме на комплексной плоскости (рис 5.10).

Если бы диэлектрик был идеальным, т.е. без потерь ( а = 0), ток был бы чисто реактивным и его плотность J = JCM = · · 0·Е была бы направлена по мнимой оси под углом 90° к вектору Е. Однако у реальных диэлектриков с уд отличной от нуля, суммарный ток сдвинут на угол = 90° - относительно тока идеального диэлектрика ( - угол сдвига фаз между током и напряжением). Чем больше а, тем больше угол , характеризующий степень отличия реального диэлектрика от идеального. Угол между векторами плотностей переменного тока диэлектрика и емкостного тока на комплексной плоскости называют углом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла

tg = Ja/JCM = /( · · 0) (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..33)

является одним из важнейших параметров диэлектриков.

Главным процессом, вызывающим диэлектрические потери, является процесс электропроводности. Вызванные этим потери в диэлектрике называются потерями на электропроводность. Они возникают во всех диэлектриках. Больше всего они проявляются при повышенных температурах. К потерям на электропроводность добавляются потери на поляризацию. Эти потери обычно наблюдаются только в определенном интервале температур, где проявляется поляризация, связанная с потерями. В области сильных электрических полей к указанным процессам добавляются потери на ионизацию, которые возникают при ионизации диэлектрика. Процессы электропроводности, поляризации и ионизации при анализе диэлектрических потерь считаются независимыми. Предполагается, что в данном случае справедлив принцип суперпозиции (наложения) диэлектрических потерь, в соответствии с которым общие диэлектрические потери являются суммой составляющих, вызванных отдельными механизмами потерь.

Потери на электропроводность. Эти потери обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Наличие сквозного тока в переменном поле приводит к рассеянию мощности

РCKB = Е2	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..34)

в единице объема диэлектрика. Эту часть потерь, обусловленную сквозным током диэлектрика, называют диэлектрическими потерями на электропроводность. Мощность потерь на электропроводность как видно из

(РCKB = Е2	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..34) не зависит от частоты. Однако тангенс угла потерь,
обусловленных сквозным током,
tg CKB = /( · · 0) = 1,8·1010/(f· · )	(Ошибка! Текст
указанного стиля в документе отсутствует..35)

обратно пропорционален частоте ( слабо зависит от частоты). На высоких частотах (при > 1010 Ом·м – выше 10 кГц) tg CKB очень мал – менее 10-4. Следовательно, потери на электропроводность существенны лишь при низких частотах (50–1000 Гц) (Ошибка! Источник ссылки не найден.,а).

Влияние потерь на электропроводность диэлектриков возрастает с ростом температуры. Это связано с увеличением удельной проводимости в области высоких температур. В случае повышенных температур tg CKB может быть высоким даже при высоких частотах (Ошибка! Источник ссылки не найден.,6). Потери на электропроводность ничтожно малы у электроизоляционных материалов с высоким удельным сопротивлением (полиэтилен), а на высоких и сверхвысоких частотах - практически у всех материалов. Однако их необходимо учитывать при повышенных температурах (выше 100°С), а также при увлажнении и прочих условиях, приводящих к снижению удельного сопротивления.

Релаксационные потери (потери на поляризацию). Эти потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Они характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля (полярные диэлектрики).

У полярного диэлектрика рост tg с увеличением температуры объясняется затратами энергии на ориентацию все увеличивающегося количества полярных молекул, принимающих участие в процессе дипольной поляризации. Начиная с некоторой температуры, происходит переход ориентированных (по направлению электрического поля) полярных молекул в состояние теплового разброса. В связи с переходом все большего количества полярных молекул в состояние беспорядочных тепловых колебаний электрическая энергия, затрачиваемая на процесс дипольной поляризации, уменьшается.

В полярном диэлектрике с увеличением частоты приложенного напряжения возрастают потери энергии. Это объясняется тем, что диполи чаще вынуждены ориентироваться, на что затрачивается все большая энергия. Это происходит лишь до определенной частоты fM, соответствующей максимальной величине tg . Начиная с частоты fM, время одного полупериода (когда электрическое поле сохраняет направление) становится настолько малым, что полярные молекулы не успевают ориентироваться и потери энергии в диэлектрике уменьшаются. На это указывает снижение величины tg в области высоких частот. Знание этих зависимостей необходимо при выборе того или иного диэлектрика для его работы при заданной частоте.

Ионизационные потери. Эти потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. При высоких напряженностях и чаще всего в неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превосходит некоторое критическое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на

ионизацию. Приближенно ионизационные потери могут быть вычислены по формуле:

РИ = А1f(U - UИ)3 (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..36)

где А1 – постоянный коэффициент; f – частота; U – приложенное напряжение; UИ – напряжение, соответствующее началу ионизации.

При возрастании напряжения свыше UИ tg растет. При U > U1, когда газ уже ионизован, требуется меньшая энергия на дальнейшее развитие процесса и tg уменьшается.

Резонансные потери. Они наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tg характерно и для резонансного механизма потерь, однако, при изменении температуры максимум потерь не смещается.

1.1.1.1.1.1.1.1.5761. Пробой диэлектриков. Основные понятия.

В некоторых узлах радиоаппаратуры диэлектрики могут находиться под высоким напряжением. Если при этом напряженность электрического поля превысит допустимую для данного диэлектрика величину, произойдет пробой диэлектрика. В результате пробоя диэлектрик потеряет свои электроизоляционные свойства, так как в месте пробоя образуется сквозной канал с повышенной проводимостью. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем. Пробой может быть полным, если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их, неполным, если проводящий канал не достигает хотя бы одного из электродов, и частичным, если пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика. У твердых диэлектриков кроме пробоя по объему возможен пробой по поверхности (в газе или жидкости), называемый поверхностным пробоем.

Минимальное приложенное к образцу диэлектрика напряжение, приводящее к его пробою, называют пробивным напряжением. Номинальное напряжение электрической изоляции должно быть меньше пробивного напряжения. Величину, равную отношению пробивного напряжения к номинальному напряжению, называют коэффициентом запаса электрической прочности. Значение пробивного напряжения UПР диэлектрика непосредственно связано со временем приложения напряжения. Так, при кратковременных импульсах пробой происходит при больших напряжениях, чем в случае постоянного или длительно приложенного переменного напряжения. При медленном увеличении напряжения UПР называют статическим пробивным напряжением, а при воздействии импульсов — импульсным пробивным напряжением. Отношение импульсного пробивного напряжения диэлектрика к его статическому пробивному напряжению называют коэффициентом импульса, который больше единицы.

Продолжительное воздействие электрического поля высокой напряженности приводит к необратимым процессам в диэлектрике, в результате которых его пробивное напряжение снижается, т.е. происходит электрическое старение изоляции. Вследствие такого старения срок службы изоляции ограничен. Кривую зависимости UПР от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции. Пробивное напряжение UПР растет с увеличением толщины диэлектрика h. Для характеристики способности материала противостоять разрушению в электрическом поле вводят напряженность поля, при которой происходит пробой:

ЕПР = UПР/h. (Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует..37)

Эту напряженность однородного электрического поля, приводящую к пробою, называют электрической прочностью. Электрическая прочность является одним из важнейших параметров электроизоляционного материала.

1.1.1.1.1.1.1.1.5862. Пробой твердых диэлектриков

Физическая картина пробоя твердых диэлектриков в разных случаях может быть весьма различна. Кроме ионизационных процессов к пробою могут приводить вторичные процессы, обусловленные сильным электрическим полем: нагрев, химические реакции, частичные разряды, механические напряжения в результате электрострикции, образование объемных зарядов на границах неоднородностей и т.д. Поэтому различают несколько механизмов пробоя твердых диэлектриков: электрический, тепловой, электрохимический, ионизационный.

Электрический пробой. Электрический пробой твердых диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием. Он протекает за время не более 10-7–10-8 с, не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры, и сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика в очень узком канале.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией, которая ускоряет образование проводящего канала. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин или полному разрушению изолятора. Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае однородного поля и полной однородности структуры материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у

монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.

Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, нежели массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочнения материалов. Его использование позволяет повысить надежность пленочной изоляции микроэлектронных элементов и устройств, поскольку эксплуатационные напряженности поля в тонких пленках (примерно 108 В/м) близки к пробивным для объемных образцов.

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, а процесс приобретает лавинообразный характер. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. 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. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, «электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), 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 выдержки диэлектрика в электрическом поле (при относительно малых значениях времени).

Расчет показывает следующее значение UПР в случае теплового пробоя:

	U ПР	K		h		,	(Ошибка! Текст указанного стиля в документе
				f tg 0			отсутствует..38)

где К — числовой коэффициент, равный 1,15·105, если все величины, имеющие размерности, выражены в единицах СИ, tg - тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды, – температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь, — суммарный коэффициент теплопередачи от диэлектрика во внешнюю среду, h - толщина диэлектрика, f – частота.

Если перегрев диэлектрика обусловлен только потерями на электропводность, то выражение (5.37) можно привести к виду

							(Ошибка! Текст указанного стиля в документе
			K		h
	U						, отсутствует..39)
		ПP		1	0

где К1 = 0,86, – температурный коэффициент удельной проводимости.

Электрохимический пробой. Он обусловлен химическими процессами приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля. Химические изменения (старение) при высоком напряжении возникает вследствие электролиза, наличия озона в воздухе и т.п. 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, обуславливающие 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, TiO2), 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.

Ионизационный пробой – это пробой, обусловленный ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Он наиболее характерен для диэлектриков с воздушными включениями (например, бумажная изоляция). При больших напряженностях поля в воздушных порах возникает ионизация воздуха, образование озона, ускоренных ионов, выделение тепла. Все эти факторы приводят к постепенному разрушению изоляции и снижению напряжения пробоя.

Поверхностный пробой. При испытании и эксплуатации твердых диэлектриков с высокой электрической прочностью может наблюдаться явление поверхностного пробоя, под которым понимают пробой газа или жидкости вблизи поверхности твердого диэлектрика. По существу в случае поверхностного пробоя электрическая прочность 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 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 полупроводящих 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.

1.1.1.1.1.1.1.1.5963. Электроизоляционные материалы. Высоко полимерные твердые

материалы.

Высокополимерные материалы состоят из молекул большой величины. Последние включают в себя десятки и сотни тысяч молекул каких-либо простых веществ, называемых мономерами. Мономеры — вещества» легко вступающие в химические реакции. В результате этих реакций и образуется новое высокополимерное вещество (полимер) с большой молекулярной массой.

Полимеры, состоящие из молекул линейной структуры, называются линейными полимерами. Они способны размягчаться при нагревании, т.е. являются термопластичными материалами.

Есть полимеры, состоящие из молекул, развитых по трем направлениям в пространствеТакие полимеры называются пространственными. Они относительно хрупки -1, как правило, не размягчаются при нагревании, т.е. являются термореактивными материалами.

Полистирол — термопластичный диэлектрик, размягчающийся при 110-120°С, растворяется в неполярных растворителях (бензоле, толуоле, четыреххлористом углероде). Получают в виде пластин, стержней, в гранулах или в виде порошка. Основные характеристики полистирола: v = 1013-1014 Ом·м; = 2,4; tg = (2-4)·10-4; ЕПР = 2530 МВ/м. Из полистирола изготовляют каркас» л катушек, изоляционные панели., основания и изоляторы для электроизмерительных приборов. Из размягченного полистирола получают пленки толщиной от 20 до 100 мкм, которые обладают такими же высокими электроизоляционными свойствами, как и полистирол в толстом слое,

а электрическая прочность у них значительно выше: ЕПР = 80-100 МВ/м. Полистирольные пленки применяют для изоляции жил высокочастотных кабелей, а также в производстве конденсаторов. Основным недостатком полистирола и изделий из него является хрупкость, т.е. сравнительно невысокая ударная вязкость и склонность к растрескиванию.

Полиэтилен — твердый непрозрачный материал белого или светло-серого цвета, несколько жирный на ощупь. Различают полиэтилен высокого (ВД), среднего (СД) и низкого (НД) давления. Полиэтилены — термопластичные материалы. Из них изготавливают электроизоляционные пленки, шланги и трубки. Электрические характеристики полиэтиленов находятся практически на том же уровне, что и у лучших сортов полистирола. Следует отметить, что все полиэтиленовые изделия нестойки к солнечному свету. Для повышения светостойкости в полиэтилены вводят сажу и другие красители. Изделия из полиэтилена могут быть сварены между собой. Основным недостатком полиэтилена ВД является невысокая теплостойкость (55-60°С) и склонность к растрескиванию при повышенных механических нагрузках. Один из способов улучшения термомеханических свойств полиэтилена состоит в воздействии на полиэтилен ионизирующего облучения, например, потока электронов, получаемых из ускорителя. В результате такой обработки получают изоляцию проводов и кабелей из облученного полиэтилена, отличающегося повышенной нагревостойкостью (до 100°С) и большой механической прочностью.

Поливинилхлорид — представляет собой порошок белого цвета, из которого получают горячим прессованием или горячим выдавливанием механически прочные изделия (платы, трубы и др.), стойкие к минеральным маслам, многим растворителям, щелочам и кислотам. Горячим прессованием порошкообразного поливинилхлорида получают твердый, жесткий материал — винипласт в виде листов, пластин, труб и стержней. Винипластовые изделия обладают высокой механической прочностью, особенно к ударным нагрузкам, и имеют хорошие электроизоляционные свойства. Изделия из винипласта поддаются всем видам механической обработки (обточка, фрезерование и др.), а также легко свариваются и склеиваются. Их можно окрашивать в

разные цвета. Основные характеристики винипласта: v = 1010-1012 Ом·м; = 4; tg = 0,01-0,02; ЕПР = 20-22 МВ/м. Недостатками винипласта являются его малая холодостойкость и сравнительно малая теплостойкость. Разложение винипласта наступает при температуре 180 - 200°С.

Капрон — твердый материал белого или светло-желтого цвета. Основные характеристики капрона: v = 1011-1012 Ом·м; = 4,0; tg = 0,04; ЕПР = 18-20 МВ/м. В электрической изоляции находит применение капроновое волокно, получаемое вытяжкой через фильеры (малые круглые отверстия диаметром 0,1 мм и менее) размягченной капроновой смолы. Капроновое волокно обладает большой механической прочностью и повышенным сопротивлением истиранию. Оно применяется в качестве изоляции обмоточных и некоторых типов монтажных проводов, а также в Качестве основы электроизоляционных лакированных тканей. Значительное применение капрон получил в производстве электромонтажных и конструкционных деталей, отличающихся малой массой. Фторопласт-4 - негорючий, жирный на ощупь материал белого цвета. Основной особенностью фторопласта-4 является его исключительно высокая нагревостойкость (250°С) и холодостойкость (-2б9°С). Он отличается также исключительной химической стойкостью: не растворяется ни в одном из растворителей как при комнатной температуре, так и при нагреве; на него не действует ни одна из концентрированных кислот и щелочей. Водопоглощение фтроропласта-4 равно нулю, он не смачивается водой. Основные характеристики фторопласта-4: v = 1015-1017 Ом·м; = 2,0; tg = (2-4)·10-4; ЕПР = 30 МВ/м, (у пленок ЕПР = 100-180 МВ/м). Фторопласт-4 неполярный диэлектрик, вследствие чего эго электрические характеристики стабильны в широком диапазоне частот. Применение в технике имеют тонкие (от 10 до 200 мкм) пленки.

Полиимиды - нагревостойкие органические диэлектрики, могущие длительно использоваться при температурах 200 - 220 °С. Полиимиды являются химически стойкими диэлектриками. Они не растворяются в большинстве органических растворителей, на них не действуют разбавленные кислоты, минеральные масла и водаРазрушение полиимидов вызывают концентрированные кислоты, щелочи и перегретый водяной пар. Полиимиды представляют собой диэлектрики, получаемые в результате реакции поликонденсации ангидрида пиромеллитовой кислоты и некоторых ароматических соединений - диаминов. На основе полиимидов изготовляют эмаль-лаки для эмалирования обмоточных проводов. Эти провода могут длительно работать при температурах до 220°С. Из полиимидов получают гибкие полупрозрачные электроизоляционные пленки светло-желтой или коричневой окраски. Основные характеристики пленок: v = 1015 Ом·м; ЕПР = 100-150 МВ/м. Влагопоглощаемость пленок относительно большая, поэтому обмоточные провода с пленочной полиимидной изоляцией необходимо пропитывать нагревостойкими и водостойкими лаками. На основе термопластичных полиимидов изготовляют различные пластмассовые изделия электроизоляционного и конструкционного назначения. Отличительными особенностями полиимидных пластмасс являются легкость переработки в