Электротехническое материаловедение. Диэлектрики

21

С увеличением температуры уменьшается вязкость жидкого диэлектрика, поэтому полярным молекулам проще ориентироваться в направлении внешнего электрического поля, что приводит к увеличению εr . Уменьшение εr происходит вследствие усиления теплового движения молекул, препятствующего их ориентации в направлении электрического поля.

Значительное влияние на εr дипольной жидкости имеет частота. Пока частота мала и диполи успевают следовать за полем, εr близка к значению, измеренному при постоянном напряжении. Когда же частота становится настолько большой, что диполи уже не успевают следовать за изменением поля, диэлектрическая проницаемость уменьшается, стремясь к значению, обусловленному электронной поляризацией, т.е. к значению, близкому к единице.

В твердых диэлектриках в зависимости от структуры диэлектрика возможны все виды поляризации. Поэтому εr твердых тел может принимать самые различные численные значения. Для твердых неполярных диэлектриков характерны те же зависимости, что и для неполярных жидкостей и газов. На рис. 17 показана температурная зависимость εr для парафина. При переходе парафина из твердого состояние в жидкое (температура плавления составляет 54ÀС) происходит резкое уменьшение εr вследствие сильного понижения плотности вещества.

Рис. 17. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярного диэлектрика – парафина

22

Твердые диэлектрики ионной структуры с неплотной упаковкой ионов, в которых наблюдается помимо электронной и ионной, также и ионно-релаксационная поляризация, характеризуются в большинстве случаев большим положительным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости. Примером может служить электротехнический фарфор, εr которого в зависимости от температуры приведена на рис. 18.

Рис. 18. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости электротехнического фарфора

Полярные твердые диэлектрики характеризуются дипольнорелаксационной поляризацией. Диэлектрическая проницаемость этих материалов в большой степени зависит от температуры и частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются для полярных жидкостей.

Вернуться к содержанию

2.5. Электропроводность диэлектриков

Электроизоляционные материалы, применяемые в технике, не являются идеальными диэлектриками в связи с присущей им небольшой электропроводностью.

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике протекают во времени до момента установления равновесия и создают токи смещения (токи поляризации). В случае электронной и ионной поляризаций эти токи практически не удается зафиксировать приборами. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые в большинстве технических диэлектриков, называют токами абсорбции. При

23

приложении постоянного напряжения они наблюдаются только при включении и выключении, меняя свое направление

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению малых по величине сквозных токов.

Следовательно, в диэлектрике протекают абсорбционный ток (iабс), обусловленный смещением связанных зарядов, и сквозной ток (iскв) за счет направленного перемещения свободных носителей зарядов. Ток, протекающий в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, называется током утечки (iут).

Плотность тока утечки в диэлектриках определяется суммой сквозного тока и тока абсорбции (А/м2):

jут jскв jабс

(10)

На рис. 19 приведена зависимость изменения тока утечки в диэлектрике после приложения к нему постоянного напряжения.

Рис. 19. Зависимость тока через диэлектрик от времени

Как следует из рис. 19, ток абсорбции изменяется c течением времени (t) по закону затухающей экспоненты. После оконча-

24

ния процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Сопротивление диэлектрика, называемое сопротивлением изоляции Rиз, определяется только величиной сквозного тока и определяется по формуле

R	U		U	(11)
из	iут iабс		iскв

где U – приложенное постоянное напряжение.

Следовательно, для оценки состояния изоляции необходимо измерять ток утечки спустя некоторое время после приложения напряжения, когда закончатся поляризационные процессы и ток абсорбции спадет до нуля. На практике измерение тока утечки производят через одну минуты после приложения к диэлектрику постоянного напряжения, считая, что процессы замедленной поляризации закончились. Следует иметь в виду, что при приложении к диэлектрику переменного электрического поля поляризация будет продолжаться до снятия поля.

Особенностью электропроводности диэлектриков является ее ионный характер (ионы переносят с собой часть вещества).

Для твердых электроизоляционных материалов различают объемную и поверхностную электропроводности и соответственно объемное и поверхностное сопротивления. Объемная электропроводность обусловлена свойствами самого диэлектрика. Поверхностная же электропроводность обусловлена присутствием на поверхности диэлектрика влаги и различных загрязнений. Поскольку вода отличается значительной электропроводностью, то даже тончайший слой влаги на поверхности диэлектрика приводит к появлению заметной проводимости, определяемой в основном толщиной увлажненного слоя.

Поскольку толщина адсорбированного слоя влаги и его сопротивление связаны с природой материала, на поверхности которого находится этот слой, то поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика. Поверхностная электропроводность тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокими значениями по-

25

верхностного сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой. Пониженное значение поверхностного сопротивления можно наблюдать у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков притягиваются и оседают на ней различные загрязнения.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающего воздуха. Особенно резкое увеличение поверхностной проводимости наблюдается при относительной влажности воздуха, превышающей 70–80% (рис. 20).

Рис. 20. Зависимость удельного поверхностного сопротивления твердого диэлектрика от относительной влажности воздуха: 1 – неполярный;

2 – полярный; 3 – частично растворимый полярный диэлектрик

Для сравнительной оценки различных материалов по их объемной и поверхностной электропроводности, пользуются зна-

26

чениями удельного объемного сопротивления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρS.

В системе СИ удельное объемное сопротивление ρ численно равно сопротивлению куба с ребром в 1 м, вырезанного реально или мысленно из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной. Единица измерения удельного объемного сопротивления (Ом¶м). Если для измерения берется не куб, а плоский образец материала, то при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывается по формуле

		R S	(12)
		h

где R – объемное сопротивление образца, Ом; S – площадь электрода, м2; h – толщина образца, м.

Объемное сопротивление образца будет равно

R	h	(13)

S

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата любых размеров, мысленно или реально выделенного на поверхности исследуемого материала, если ток проходит через квадрат от одной его стороны к противоположной. Единица измерения удельного поверхностного сопротивления Ом. Если для измерения берется не квадрат, а прямоугольник, то удельное поверхностное сопротивление в Ом рассчитывается по формуле

	s	Rs d	(14)
		l

где Rs – поверхностное сопротивление образца материала, Ом; d – ширина электродов; l – расстояние между электродами.

Поверхностное сопротивление будет равно

	R		l	(15)
		s d
	s

27

По удельному объемному сопротивлению можно определить удельную объемную проводимость:

1 (16)

Удельная поверхностная проводимость определяется аналогично:

			1		(17)
			s
	s
	Удельная поверхностная проводимость измеряется в симен-
	сах (См), а удельная объемная проводимость – См¶м-–1
	При длительной работе	диэлектрика			под напряжением

сквозной ток через жидкие и твердые диэлектрики может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение сквозного тока характеризует увеличение сопротивления изоляции за счет электрической очистки образца. Слабо закрепленные ионы примесей даже в слабых электрических полях ионизируются и постепенно осаждаются на электродах.

Увеличение сквозного тока происходит вследствие старения материала, под которым понимают необратимое ухудшение изоляционных свойств (уменьшение сопротивления изоляции), что в конечном итоге, может привести к пробою диэлектрика.

Вернуться к содержанию

2.5.1 Электропроводность газов

Газы при небольших напряженностях электрического поля обладают исключительно малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов, которые могут появиться только в результате ионизации молекул. Ионизация молекул газа возникает по двум причинам: либо вследствие влияния каких-либо внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц (свободных электронов) газа с нейтральными молекулами. Ионизация нейтральных молекул газа при малых напряженностях электрического поля может возникнуть только под действием внешних факторов. Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются: рентгеновские или ультрафиолетовые лучи; радиоактивное излучение, а также термическое воздействие – сильный на-

28

грев газа и др. Электропроводность газов, обусловленная воздействием внешних факторов, называется несамостоятельной.

Одновременно с процессом ионизации происходит и процесс рекомбинации, когда часть положительных ионов вновь соединяется с электронами и образует нейтральные молекулы. 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 ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Под действием напряжения часть ионов будет перемещаться, и нейтрализоваться на электродах, т.е. в цепи возникнет электрический ток. Другая часть ионов исчезнет за счет рекомбинации. Из сказанного следует, что электропроводность газов имеет смешанный характер – ионный и электронный.

Наиболее распространенным газообразным диэлектриком является воздух. В качестве примера на рис. 21 показана зависимость тока в воздухе от напряжения. В начале кривой до напряжения UH (напряжение насыщения) ток возрастает пропорционально напряжению, т.к. за счет несамостоятельной ионизации увеличивается концентрация зарядов (выполняется закона Ома).

Рис. 21. Зависимость тока в газе от напряжения (вольт-амперная характеристика)

При U > UH ток достигает насыщения и дальнейшее увеличение напряжения не вызывает увеличения тока в связи с тем, что явление рекомбинации ограничивает увеличение концентрации

29

свободных зарядов. Ток насыщения зависит от интенсивности внешней ионизации. Реальное значение плотности тока насыщения в воздухе в нормальных условиях весьма мало и составляет примерно 10–15 А/м2. Поэтому воздух при напряжениях U < UKP можно рассматривать как идеальный диэлектрик.

При больших значениях напряженности электрического поля (при U > UKP) возможна ударная ионизация нейтральных молекул за счет соударений заряженных частиц с молекулами газа.

Ударная ионизация возникает в тех случаях, когда кинетическая энергия заряженных частиц, движущихся под действием сильного электрического поля, достигает достаточно больших значений. Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, носит название самостоятельной. При возникновении самостоятельной проводимости ток вновь начинает увеличиваться с возрастанием напряжения вплоть до пробоя газового промежутка.

Вернуться к содержанию

2.5.2. Электропроводность жидких диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидких диэлектриках электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги. Под диссоциацией понимают разложение молекул на более простые частицы – атомы, радикалы или ионы, а также разложение сложных молекул на более простые. В полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но и диссоциацией молекул самой жидкости. Невозможность полного удаления из жидких диэлектриков примесей, способных к диссоциации, осложняет получение высококачественных электроизоляционных жидкостей с малой удельной электропроводностью.

Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем неполярных в связи с тем, что энергия диссоциации полярных жидких диэлектриков значительно меньше, чем неполярных, а удельная проводимость значительно выше. Сильнополярные жидкости, например, вода, обладают настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью. В табл. 1 приведены значения удельного объемного сопротивления и ди-

30

электрической проницаемости некоторых жидких диэлектриков при температуре 20ÀС.

Таблица 1

Сравнительные значения ρ и ε для различных жидкостей

Жидкость	Особенности	Удельное со-	Диэлектриче-
	строения	противление,	ская прони-
	жидкости	ρ, Ом м	цаемость, ε
Трансформатор-	неполярная	1010–1013	2,2	r
ное масло
Совол	полярная	108–1010	4,5
Дистиллирован-	сильнополяр-	103–104	80
ная вода	ная

Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей заметно повышает их удельное сопротивление. При длительном пропускании электрического тока через неполярный жидкий диэлектрик можно наблюдать возрастание сопротивления за счет переноса свободных ионов примесей к электродам (электрическая очистка).

Удельная проводимость любой жидкости существенно зависит от температуры. С увеличением температуры возрастает подвижность ионов в связи с уменьшением вязкости и может увеличиваться степень тепловой диссоциации. Оба эти фактора повышают проводимость. Зависимость удельной проводимости γ жидких диэлектриков от температуры может быть выражена следующей формулой:

о ехр[ (t to )]

(18)

где α – постоянная величина для данной жидкости; γ0 – удельная проводимость при температуре t0=20ÀС; t – температура, ÀС.

В жидкостях с примесями иногда наблюдается молионная

или электрофоретическая электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые представляют собой смесь двух веществ (фаз), причем одна фаза в виде мелких частиц (капель, зерен, пылинок и т.п.) равномерно взвешена в другой. Из коллоидных систем наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии (оба вещества – жидкости) и суспензии (дис-