- •Экзаменационные вопросы по дисциплине «Электротехнические материалы». Содержание:
- •Классификация материалов.
- •Диэлектрик в электрическом поле.
- •Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость.
- •Основные виды поляризации диэлектриков.
- •Зависимость проницаемости от давления и температуры.
- •Классификация диэлектриков по виду поляризации.
- •Истинное сопротивление диэлектриков.
- •Объёмная и поверхностная проводимости.
- •Пробой диэлектриков. Пробивное напряжение и электрическая прочность диэлектриков.
- •Пробой газов.
- •Пробой жидких диэлектриков.
- •Пробой твёрдых диэлектриков.
- •Химические свойства диэлектриков.
- •Влажностные свойства диэлектриков.
- •Гигроскопичность, влагопроницаемость.
- •Тепловые свойства диэлектриков.
- •Механические свойства диэлектриков.
- •Классификация диэлектрических материалов.
- •Газообразные диэлектрики.
- •Жидкие диэлектрики.
- •Синтетические масла.
- •Органические полимеры.
- •Природные смолы.
- •Синтетические смолы.
- •Эпоксидные смолы.
- •Электроизоляционные лаки.
- •Компаунды.
- •Волокнистые материалы.
- •Текстильные материалы. Лакоткани.
- •Слоистые пластики.
- •Эластомеры.
- •Неорганические материалы. Стёкла.
- •Керамические диэлектрические материалы.
- •Слюда и слюдяные материалы.
- •Асбест и асбестовые материалы.
- •Проводниковые материалы.
- •Материалы высокой проводимости.
- •Сплавы высокого сопротивления.
- •Магнитные материалы. Общие сведения.
- •Классификация магнитных материалов.
- •Магнитомягкие материалы.
- •Магнитотвёрдые материалы.
Объёмная и поверхностная проводимости.
У твердых изоляционных материалов различают объемную и поверхностную электропроводности.
Для сравнительной оценки объемной и поверхностной электропроводности разных материалов используют также удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления.
Удельное объемное сопротивление численно равно сопротивлению куба с ребром в , мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит через две противоположные грани этого куба; выражают в .
В случае плоского образца материала при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывают по формуле:
, |
|
где – объемное сопротивление, ; – площадь электрода, ; – толщина образца, м.
Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две противоположные стороны этого квадрата ( выражают в омах):
, |
|
где – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной , отстоящими друг от друга на расстоянии (рис. 4.2).
По удельному объемному сопротивлению можно определить удельную объемную проводимость и соответственно удельную поверхностную проводимость .
Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению , складывается из объемной и поверхностной проводимостей. Произведение сопротивления изоляции диэлектрика конденсатора на его емкость называют постоянной времени конденсатора: . Легко показать, что в системе СИ: .
Диэлектрические потери - та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла. Нагрев диэлектрика в постоянном электрическом поле зависит от значений удельных объемного и поверхностного сопротивлений (или удельной проводимости). Если известно сопротивление диэлектрика в Омах, то потери мощности в нем Р в ваттах можно подсчитать по известному соотношению P = U2/R , где U - напряжение в вольтах. Для сопоставления потерь различных материалов лучше пользоваться удельными потерями, которые для единичного объема диэлектрика в виде куба со стороной 1m будут определяться по формуле Pуд = E2/ или Pуд = E2 , где E - напряженность электрического поля, удельное электрическое сопротивление, удельная электрическая проводимость. Если измеряется в Ом м, в Ом-1м-1, Е в В/м, U в В, то Руд измеряется в Вт/м3. В диэлектрическом конденсаторе с идеальным диэлектриком, т.е. диэлектриком без потерь, вектор тока Ic опережает вектор напряжения на 90o . В реальных диэлектриках угол между током, протекающим через емкость, и напряжением меньше 90o за счет потерь, которые вызывают протекание активного тока Ia, совпадающего по фазе с напряжением.
Для расчета полных диэлектрических потерь P = U. Ia = U. Ic. tgб, Ic = U. w. C, P = U2. w. C. tgб, где w = 2 f - угловая частота. Формулу для удельных диэлектрических потерь получим, если в качестве диэлектрика возьмем куб со стороной грани в 1m, считая, что напряжение приложено к двум противоположным граням. Тогда с учетом того, что емкость единичного куба можно подсчитать по формуле С = OS/d, где S = 1 м2, d = 1м , O=1/36 109 Ф/м и E= U/d получим
Можно выделить следующие основные виды диэлектрических потерь.
ПОТЕРИ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ - характерны для всех без исключения диэлектриков. Наблюдаются при постоянном и переменном напряжении. В однородных неполярных диэлектриках являются единственным видом потерь. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ - обусловливаются поляризацией диэлектриков. Вызываются активными составляющими абсорбционных токов замедленных поляризаций. ПОТЕРИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ - вызывается проводящими и газовыми включениями, слоистостью и т.п. Эти потери являются дополнительными релаксационными потерями. Наиболее часто они проявляются в виде потерь, обусловленных миграционной поляризацией, характерной в основном для композиционных и слоистых диэлектриков.
ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ, возникают в диэлектриках, содержащих поры или газовые включения.
РЕЗОНАНСНЫЕ ПОТЕРИ, характерны для частот, совпадающих с собственными частотами колебаний электронов и ионов.
Потери на электропроводность. Протекание сквозного тока через диэлектрик как в постоянном, так и в переменном электрическом поле приводит к диэлектрическим потерям на электропроводность. Потери сквозной электропроводности будут единственным видом потерь в однородном неполярном диэлектрике, для которого можно использовать простейшую параллельную схему замещения. Для такой схемы замещения по определению tg = Ia/Ic = U/R .1/UwC = 1/RwC, т.е. tg будет обратно пропорционален частоте. Потери на электропроводность будут наблюдаться также и в полярных диэлектриках. Так как tg диэлектриков пропорционален активной проводимости tg = a/ c, то ясно, что tg будет следовать за изменением a, которая увеличивается экспоненциально с увеличением температуры.
Релаксационные потери. потери релаксационного характера могут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в неполярных, например при наличии пористой или слоистой структуры, когда становится возможна ионизация газовых включений, накопление объемных зарядов и др. Появление абсорбционных токов в полярных диэлектриках под действием внешнего поля, наряду с неоднородностью, обусловлено, главным образом, ориентацией полярных молекул. В вязких жидкостях полярные молекулы - диполи, ориентируясь во внешнем поле, преодолевают силы внутреннего трения (вязкость) в результате чего часть электрической энергии превращается в тепло. В твердых диэлектриках релаксационные потери вызываются как процессами установления дипольной поляризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами.