Электротехническое материаловедение. Диэлектрики

31

персная фаза – твердое вещество, дисперсионная среда – жидкость). Стабильность эмульсий и суспензий, то есть способность их длительно сохраняться без оседания дисперсной фазы на дно сосуда (или всплывания ее на поверхность), вследствие различия плотностей обеих фаз, объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов (при одноименном заряде частицы взаимно отталкиваются). Такие заряженные частицы и называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что проявляется в виде электрофореза.

Примеры практического использования электрофореза – покрытие металлических предметов каучуком и смолами из их суспензий, обезвоживание различных материалов в электрическом поле и др. В отличие от электролиза при электрофорезе не наблюдается образование новых веществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных частях объема вещества. Молионная электропроводность присуща лакам и компаундам, увлажненным маслам и т.п. Ее вклад в проводимость, как и ионной электропроводности, зависит от вязкости жидкости.

При больших напряженностях электрического поля электропроводность увеличивается за счет ионизации молекул жидкости и увеличения числа движущихся под влиянием поля ионов.

Вернуться к содержанию

2.5.3. Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей. У некоторых твердых диэлектриков электропроводность может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях.

Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной электропроводности это явление не наблюдается. При прохождении электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы могут частично удаляться, выделяясь на электродах, как это имеет место в жидкостях.

32

Втвердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов. При низких температурах передвигаются слабозакрепленные ионы, в частности, ионы примесей. При высоких температурах освобождаются и некоторые ионы из узлов кристаллической решетки.

Вдиэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей. Удельная проводимость их весьма мала. Для приближенных расчетов удельной проводимости в зависимости от температуры можно пользоваться также как и для жидких диэлектриков, выражением (18).

Некоторые диэлектрики (например, TiO2 и другие титансодержащие материалы) обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями заряда часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов.

Втвердых пористых диэлектриках при наличии в них влаги, даже в небольшом количестве, резко увеличивается электропроводность. Значения удельного объемного сопротивления твердых пористых диэлектриков при различной относительной влажности воздуха и температуре приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения удельного объемного сопротивления твердых пористых диэлектриков при различной относительной влажности воздуха и температуре

Материал	Значения ρ, Ом м		при относительной влажности
			воздуха
	70% (t = 20ÀС)	0% (t = 100ÀС)			0% (t = 20ÀС)
Мрамор	106 – 108		1010 – 1012		1012 – 1014
Дерево	106 – 107		1010	– 1011	1011 – 1012
Фибра	106 – 107		108	– 109	1010 – 1011

Электропроводность диэлектрика зависит и от величины напряженности электрического поля. При больших напряженностях электрического поля от 10 до 100 кВ/мм в диэлектриках появляется электронная составляющая электропроводности, быстро

33

возрастающая с увеличением напряженности электрического поля, в связи, с чем наблюдается нарушение закона Ома (рис. 22).

Рис. 22. Зависимость тока в твердом диэлектрике от напряжения (вольтамперная характеристика)

Вернуться к содержанию

2.6. Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями (ДП) называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

ДП не желательны, так как нагрев приводит к ухудшению свойств диэлектрика и ускорению процессов теплового старения.

В силовой электротехнике нагрев приводит к уменьшению электрической прочности диэлектриков и, следовательно, к уменьшению надежности электрооборудования. В слаботочных устройствах нагрев приводит к уменьшению сопротивления изоляции и к увеличению токов утечки в цепях.

Однако диэлектрические потери используются для термообработки материалов, который называется диэлектрическим нагревом. Диэлектрический нагрев отличается от классических способов нагрева тем, что он протекает равномерно по всему объему и не вызывает внутренних механических напряжений, которые возникают в материале в результате неравномерного распределения температуры.

34

Идеальным называют диэлектрик, в котором отсутствуют диэлектрические потери. В схеме замещения такого диэлектрика (рис. 8а) будет только конденсатор, следовательно, через диэлектрик будет протекать емкостной ток, имеющий угол сдвига с напряжением φ=90о.

Потери мощности в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку диэлектрики не являются идеальными и в них всегда присутствует сквозной ток, обусловленный электропроводностью. При постоянном напряжении потери вызываются только одной сквозной проводимостью (объемной и поверхностной), а при переменном напряжении к ним добавляются потери на поляризацию.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать не в абсолютном виде, а рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями. Для многих изоляционных конструкций со сложной формой проблематично определить объем, чтобы оценить величину ДП, зная удельные потери. Поэтому для оценки ДП вводят показатель, который зависит только от качества материала, угол диэлектрических потерь (δ) и тангенс угла ДП (tgδ).

Рис. 23. Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика: а) параллельная; б) последовательная

Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи.

35

Рассмотрим схемы замещения конденсатора с диэлектриком, обладающим потерями, при воздействии на такой конденсатор переменного напряжения (рис. 23).

Используя схемы замещения и векторные диаграммы, выведем формулы для определения tgδ и мощности ДП. Для параллельной схемы замещения из векторной диаграммы на рис. 23:

tg Ia (19)

Ic

Тогда мощность ДП

Pa UIa UIctg U U C ptg U 2 C ptg

(20)

Для последовательной схемы замещения

tg

Ur

I r

Csr

(21)

Uc

I

1

Cs

Р

UICos U

U

Ir

U 2r

U 2r

U 2r

a

Z IZ

Z 2

r2 x

2

x

2

r

2

(

1)

x

2

(22)

U 2tg

U 2 Cstg

x(1 tg 2 )

1 tg 2

Окончательно:

U 2 Cstg

Pa

(23)

1 tg 2

Так как мощность ДП не зависит от схемы замещения, то приравняв формулы (21) и (23), определим соотношение емкостей Ср и Сs:

Сp	Cs		(24)
	1 tg
		2

36

Для высококачественных диэлектриков tg2δ значительно

меньше единицы, поэтому:
P U 2 C tg	(25)
a
Ср Сs C	(26)

Согласно формуле (25) диэлектрические потери пропорциональны квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте поля. Поэтому ДП имеют большое значение для материалов, используемых в высоковольтных высокочастотных устройствах. Материалы, предназначенные для использования в таких устройствах, должны отличаться малыми значениями угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости.

Вернуться к содержанию

2.6.1. Виды диэлектрических потерь

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

1.Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью.

2.Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией.

3.Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.

4.Диэлектрические потери на ионизацию.

5.Резонансные диэлектрические потери.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, проявляются во всех без исключения диэлектриках, как в постоянных, так и в переменных электрических полях.

Тангенс угла ДП на электропроводность определяется по формуле

	tg	1,8 1010	,	(27)
		f

где f – частота внешнего электрического поля, Гц; ɛ – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ρ – удельное объемное электрическое сопротивление материала, Ом м.

37

Если в формулу (25) подставить значение tgδ с учетом, что угловая частота 2 f , получается, что мощность ДП на электропроводность не зависит от частоты (рис. 24, а). Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью диэлектрика, возрастают с температурой (рис. 24, б) по экспоненциальному закону:

Рt Po exp( t)

(28)

где Pt – потери при температуре tÀС; P0 – потери при температуре 0ÀС; α – постоянная материала.

Тангенс угла ДП изменяется в зависимости от температуры по тому же закону, что и потери в диэлектрике.

Рис. 24. Зависимость мощности ДП и tgδ от частоты (а)

и температуры (б) для диэлектрика, потери в котором обусловлены сквозной электропроводностью

Диэлектрические потери на поляризацию наблюдаются в диэлектриках с релаксационными видами поляризации (полярных, диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов, сегнетоэлектриках).

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, наблюдаются в слоистых диэлектриках из пропитанной бумаги и ткани, а также в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике, в производных слюды – микалентах, микалексе и т.п. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и особенностей, содержащихся в них компонентов, общей формулы расчета диэлектрических потерь не существует.

38

Вэлектроизоляционной технике применяется большое количество композиционных материалов, обладающих неоднородной структурой. В одних случаях это определяется требованиями механической прочности (волокнистая основа), в других – удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (наполнители в пластмассах и резинах), в третьих – использованием ценных отходов (слюдяные материалы). Потери в таких материалах имеют сложные зависимости.

Вкачестве примера на рис. 25 приведена зависимость tgδ от температуры для конденсаторной бумаги, пропитанной компаундом (80% канифоли и 20% трансформаторного масла). Такая пропитанная бумага относится к диэлектрикам с неоднородной структурой, и диэлектрические потери определяются электрическими свойствами обоих компонентов.

Рис. 25. Зависимость tgδ от температуры

для пропитанной компаундом конденсаторной бумаги

Как видно из рис. 25, зависимость tgδ от температуры имеет два максимума: первый (при низких температурах) характеризует дипольно-релаксационные потери самой бумаги (целлюлозы), второй (при более высокой температуре) обусловлен дипольнорелаксационными потерями пропитывающего компаунда.

Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии или твердым диэлектрикам, имеющим газовые включения. Ионизационные потери про-

39

являются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа. Ионизационные потери могут быть вычислены по формуле

P Af (U Uи )3 ,

(29)

где А – постоянный коэффициент; f – частота приложенного напряжения; Uи – напряжение, соответствующее началу ионизации.

Формула справедлива только при U > Uи. Ионизационное напряжение Uи зависит от давления, при котором находится газ. С увеличением давления газа величина напряжения начала ионизации возрастает, так как увеличивается плотность газа и уменьшается длина свободного пробега носителей зарядов, вызывающих ударную ионизацию молекул газа.

Резонансные диэлектрические потери происходят в диэлектрике, когда частота электрического поля приближается к частоте

собственных колебаний элементарных частиц диэлектрика (f = 109 – 1010 Гц).

Вернуться к содержанию

2.6.2. Диэлектрические потери в газах

Диэлектрические потери в газах при напряженности электрического поля, недостаточной для развития ударной ионизации молекул газа, очень малы.

Источником диэлектрических потерь газа в этом случае может быть только электропроводность. Тогда по формуле (27):

1,8 1010 8 tg 50 1 1016 4 10

Таким образом, в слабых электрических полях ДП в газах ничтожно малы, поэтому их можно считать идеальными диэлектриками.

Если напряжение превзойдет некоторое критическое значение (Uи – напряжение ионизации), молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию и tgδ начинает резко возрастать (рис. 26). При напряжении U1 происходит пробой газа. Зависимость tgδ = f(U) называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери в газах возрастают.

40

Рис.26. Зависимость tgδ от напряжения для газов

Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает постепенное химическое разложение органической изоляции, содержащей газовые включения. Процесс со временем заканчивается полным пробоем изоляции.

Вернуться к содержанию

2.6.3. Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Диэлектрические потери в неполярных жидкостях обусловлены только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами. Удельная проводимость нейтральных чистых жидких диэлектриков чрезвычайно мала, благодаря чему малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное трансформаторное масло, tgδ которого при частоте 50 Гц составляет около 0,001.

Диэлектрические потери в полярных жидкостях связаны с дипольно-релаксационной поляризацией. Дипольные молекулы, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии. Эти потери значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью. Например, полярная жидкость совол имеет при частоте 50 Гц значение tgδ = 0,02.

Потери в полярных жидких диэлектриках зависят от температуры, так как с температурой изменяется вязкость жидкости. Если вязкость жидкости достаточно велика, молекулы не успевают следовать за изменением поля и дипольная поляризация практически исчезает. Диэлектрические потери при этом будут малы. Если вязкость жидкости мала и ориентация молекул про-