Содержание отчета по работе

Отчет по работе должен содержать следующие разделы:

1. Цель работы.

2. Теоретические положения.

Раздел должен содержать основные определения нагревостойкости, температуры воспламенения, температуры вспышки, вязкости; описание свойств и применения нефтяного трансформаторного масла.

3. Практическая часть.

4. Раздел должен содержать результаты проведенных экспериментов в виде таблиц, выводы.

Контрольные вопросы №5

1. Что такое температура вспышки паров трансформаторного масла?

2. Как регламентируется скорость повышения температуры при проведении опыта по определению температуры вспышки паров трансформаторного масла, его увлажненность и почему?

3. Назовите классы нагревостойкости.

4. Как определяется вязкость жидких диэлектриков?

5. Что такое динамическая, кинематическая и условная вязкость?

6. Как связана вязкость с электропроводностью диэлектриков?

7. Какие методы определения вязкости вы знаете?

Библиографический список №5

1. Колесов С.Н. Материалолведение и технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов – М.: Высш. Шк., 2004.519 с.

2. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М., Электротехнические материалы. М.: Энергия, 1977.

3. Пасынков В.В., Тареева Б.М. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Корицкого Ю.В., М.: Энергоатомиздат. 1987. Т2, стр.413-421.

4. Воробьев Г.А. Физика диэлектриков, область сильных полей.: Изд-во Томского Университета, Томск 1977, 252 с.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

И ТАНГЕСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ.

Цель работы:

1. Изучить физическую сущность процессов, возникающих при воздействии на диэлектрик электрического напряжения.

2. Определить значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков в области высоких частот.

Основные теоретические положения

6. 1. Поляризация диэлектриков

При действии внешнего электрического поля на диэлектрик в нем протекает процесс поляризации – упругое смещение связанных зарядов или ориентация вдоль поля дипольных моментов полярных молекул. Состояние диэлектрика при этом оценивается количественно с помощью вектора электрического смещения, который связан с величиной электрического поля соотношением

где – абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества, Ф/м,– относительная диэлектрическая проницаемость вещества,

- абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м.

Относительная диэлектрическая проницаемость позволяет оценить, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при замене вакуума исследуемым диэлектриком. Для плоского конденсатора относительная диэлектрическая проницаемость выражается формулой:

,

где S - площадь электрода, см², d - толщина диэлектрика между электродами, см, - емкость конденсатора, пФ.

В зависимости от строения диэлектрика различают следующие основные виды поляризации: электронная, ионная, ионно-релаксационная, дипольно-релаксационная, миграционная, электронно-релаксационная, самопроизвольная (спонтанная), резонансная. Наиболее часто встречаются первые пять видов поляризации.

Вид поляризации в первую очередь зависит от того, какие частицы диэлектрика, смещаясь, вызывают поляризацию, а также на какие расстояния они смещаются. Все частицы диэлектрика, способные смещаться (заряженные частицы) или ориентироваться (диполи) под действием внешнего электрического поля, вызывая при этом поляризацию, можно объединить в две группы: упруго (сильно) связанные и слабо связанные.

Упруго связанные частицы (заряды) имеют одно положение равновесия, около которого они совершают тепловые колебания. Под действием приложенного поля они смещаются на небольшие расстояния: электроны смещаются в пределах атома (иона), атомы – в пределах молекулы, ионы – в пределах элементарной ячейки и т.д.

Слабо связанные частицы (ионы в неплотно упакованной кристаллической решетке, в аморфном теле или на дефектах, а также диполи) имеют несколько положений равновесия, в которых они в отсутствие электрического поля могут находиться равновероятно. Переход слабо связанных частиц из одного положения в другое осуществляется под действием флуктуаций теплового движения. Слабо связанная частица какое-то время колеблется около положения равновесия, затем под действием флуктуации скачком меняет это положение равновесия на другое. Время нахождения частицы в определенном положении равновесия зависит от высоты потенциального барьера между данными положениями равновесия. Электрическое поле придает направленный характер эти переходам: положительно заряженные частицы смещаются по полю, а отрицательно заряженные – против поля. Смещение слабо связанных частиц происходит на гораздо большие расстояния, чем смещение упруго связанных частиц (зарядов).

Все виды поляризации подразделяются на упругие (деформационные) – обусловленные упруго связанными частицами (зарядами), и релаксационные – обусловленные слабо связанными зарядами.

К деформационным видам поляризации относятся электронная и ионная. Они устанавливаются упруго, практически мгновенно и без рассеяния энергии приложенного электрического поля.

Электронная поляризация заключается в упругом смещении (деформации) электронных оболочек атомов (ионов) относительно ядра и имеет место во всех диэлектриках. Эта деформация мгновенно устраняется после снятия электрического поля. Время установления электронной поляризации мало и составляет 10^-14 - 10^-15 с, поэтому она наблюдается на всех частотах, включая оптические. Величина смещения электронов невелика, чем обусловлена низкая относительная диэлектрическая проницаемость веществ с чисто электронной поляризацией и находится в пределах 2–2,5. Такую поляризацию имеют неполярные вещества, например, неполярные жидкости: нефтяное масло, октол; неполярные твердые вещества: парафин, полиэтилен, фторопласт–4.

Ионная поляризация наблюдается в кристаллических и аморфных телах ионного строения (в кварце, слюде, асбесте, стекле и т.п.). Она заключается в смещении упруго связанных ионов под действием приложенного поля на расстояния, меньшие постоянной решетки. Время установления ионной поляризации 10^-13 - 10^-12 с, поэтому она имеет место на всех частотах. Диэлектрическая проницаемость веществ с ионной поляризацией изменяется в пределах примерно 4-30 (у стекол и керамики может достигать значений 200–300).

Релаксационными видами поляризации являются: ионно-релаксационная, дипольно-релаксационная, миграционная, электронно-релаксационная, самопроизвольная (спонтанная) и резонансная. Они протекают замедленно и с поглощением энергии приложенного поля.

Ионно-релаксационная поляризация имеет место в неорганических стеклах и в ионных кристаллах с неплотной упаковкой решетки ионами (в электротехнической керамике, асбесте, мраморе и т.п.). Этот вид поляризации заключается в некотором упорядочении, вносимом электрическим полем в хаотический тепловой переброс слабо связанных ионов. Слабо связанными ионами являются собственные ионы диэлектрика, находящиеся в узлах решетки вблизи вакансий, ионы примеси и т.п. Ионы, перемещаясь на расстояния, превышающие постоянную решетки, не становятся свободными и, следовательно, не обусловливают электропроводности. Закрепляясь на некотором расстоянии друг от друга, они образуют в диэлектрике положительный и отрицательный пространственные заряды, которые обусловливают ионно-релаксационную поляризацию. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.

Ионно-релаксационная поляризация проявляется в диапазоне частот от постоянного напряжения до 10⁶ – 10¹⁰ Гц.

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается только в полярных диэлектриках молекулярного строения (газообразных жидких и твердых), молекулы которых в отсутствие внешнего поля имеют постоянный дипольный момент (например, в полихлордифениле, канифоли, поливинилхлориде и т.п.). Дипольно-релаксационная поляризация заключается в том, что под действием внешнего электрического поля становится более упорядоченным положение полярных молекул (диполей), непрерывно совершающих хаотическое тепловое движение.

Продолжительность установления дипольно-релаксационной поляризации называется временем релаксации диэлектрика. Еслибольше, чем время полупериода приложенного переменного напряжения, то диполи не успевают ориентироваться вслед за изменяющимся полем, и дипольно-релаксационная поляризация, соответственно не наблюдается. Этот вид поляризации проявляется только на частотах ниже 10⁶ – 10¹⁰ Гц. Величина диэлектрической проницаемости для полярных диэлектриков лежит в пределах 3 – 8.

Миграционная поляризация наблюдается в твердых диэлектриках с макроскопически неоднородной структурой (например, в слоистых материалах), а также в диэлектриках, содержащих проводящие и полупроводящие включения (например, поры, заполненные влагой). При внесении в электрическое поле диэлектрика, имеющего слоистое строение (гетинакс, текстолит), в результате разной электропроводности различных слоев, на границе их раздела и в приэлектродных объемах, начнут накапливаться заряды медленно движущихся ионов, и возникнет межслойная поляризация. Аналогичная картина имеет место в поликристаллических телах, когда на границах кристаллитов (зерен) образуются пространственные заряды. Перемещение электронов и ионов в пределах каждого проводящего и полупроводящего включения под действием приложенного поля образует большие поляризационные области. Межслойная поляризация и образовавшиеся поляризационные области и обусловливают миграционную поляризацию, которая проявляется на весьма низких частотах (до 0,5 кГц).

Электронно-релаксационная поляризация отличается от электронной и ионной и возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Этот вид поляризации обычно наблюдается в диэлектриках с большим внутренним полем и электронной проводимостью (например, у многих видов титаносодержащей керамики).

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует у сегнетоэлектриков. В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации.

Время установления спонтанной поляризации - 10^-7 - 10^-9 с. При температуре выше определенного значения (точки Кюри) спонтанная поляризация исчезает.