Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЕТМ_т_студ / ЕТМ_лк_pdf / ЕТМ_лк2-Діелектричні матеріали

.pdf
Скачиваний:
47
Добавлен:
02.03.2016
Размер:
382.6 Кб
Скачать

Л е к ц і я 2

ДІЕЛЕКТРИЧНІ МАТЕРІАЛИ. ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ

План лекції

1Електричні властивості діелектриків.

1.1Поляризація діелектриків.

1.2Електропровідність діелектриків.

1.3Діелектричні втрати.

1.4Електрична міцність діелектриків.

2Фізико-хімічні властивості діелектриків.

3Теплові властивості діелектриків.

Література: 1. ст. 30-59; 2 ст. 26-40; 3. ст. 17-104; 4. ст. 5-26; 5. ст.132-192;

6. ст. 94-146.

Діелектричні (електроізоляційні) матеріали складають найбільш чис-

ленну групу електротехнічних матеріалів як за різноманітністю та властивостя-

ми, так і за їх застосуванням.

Для оцінки експлуатаційних властивостей діелектриків та можливих об-

ластей їх застосування необхідно вивчити фізичні явища, які відбуваються в матеріалах під час впливу на них електромагнітного поля, та визначити основні

електричні, фізико-хімічні, теплові та механічні властивості.

Властивості електроізоляційних матеріалів залежать від: їх агрегатного стану та структури; температури, вологості, тиску навколишнього середовища та його хімічного складу; прикладеної напруги та її частоти; від забрудненості матеріалу та ін.

1 Електричні властивості діелектриків

1.1 Поляризація діелектриків

В робочому режимі електрообладнання електроізоляційні матеріали є середовищем електричного поля. У найпростішому вигляді діелектрик поміж

17

двома струмопровідними частинами являє собою конденсатор. Під дією елект-

ричного поля діелектрик поляризується.

Поляризація – це процес при якому зв’язані заряди в атомах, іонах або молекулах матеріалу обмежено зміщуються або орієнтуються під впливом еле-

ктричного поля. Позитивні заряди зміщуються в напрямку негативного елект-

роду, а негативні – в напрямку позитивного електроду (Рис. 2.1).

 

l

+

 

Е

Рисунок 2.1 – Схема розташування зарядів в поляризованому діелектрику

Під час поляризації в матеріалі утворюються електричні диполі, які ма-

ють електричний момент. Зміщення зарядів, і як наслідок, поява електричного струму виникає у напрямі поля і слідує за кожною зміною прикладеної напруги.

Спроможність діелектрика поляризуватися у електричному полі є його основною властивістю. В залежності від агрегатного стану і структури діелект-

рика розрізняють два види поляризації:

поляризація, що не викликає діелектричних втрат;

поляризація, яка пов’язана з появою діелектричних втрат.

Поляризація першого виду – це поляризація діелектрика під впливом еле-

ктричного поля, яка протікає майже миттєво, без виділення теплоти і назива-

ється ще пружною поляризацією. До цього виду відносяться електронна та іон-

на поляризація діелектриків.

Поляризація другого виду протікає сповільнено і супроводжується розсі-

юванням енергії в діелектрику, тобто його нагрівом, називається не пружною,

або релаксаційною. До цього виду відносяться: дипольна, іонно-релаксаційна,

електронно-релаксаційна, міграційна, спонтанна та ін.

18

Електронна поляризація – це пружне зміщення і деформація електрон-

них оболонок (орбіт) атомів відносно позитивно зарядженого ядра під дією зо-

внішнього електричного поля.

При електронній поляризації кожен атом перетворюється в пружний еле-

ктричний диполь, так як між центрами позитивного та негативного зарядів з’являється деяка відстань l (Рис. 2.2). Поляризована частка буде мати елемен-

тарний електричний момент

 

 

 

 

 

m q l,

(2.1)

де

 

q - елементарний електричний заряд, Кл.

 

q = e = 1,6 10-19 Кл

 

 

 

 

 

Е = 0

Е 0

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

а

б

Рисунок 2.2 – Атом водню: а – до поляризації; б – в момент поляризації.

Утворення таких диполів відбувається майже миттєво (10-15 ... 10-14 с) і

зникає після зняття напруги. Утворені електричним полем диполі в діелектрику розташовуються у вигляді ланцюгів (Рис.2.1). Електронна поляризація спостері-

гається в усіх видів діелектриків незалежно від їх фізичного стану та структури.

Ця поляризація є достатньо пружною і не супроводжується втратою енергії.

Іонна поляризація – це зміщення один відносно одного різнойменно за-

ряджених іонів у сумішах з іонними зв’язками. На рис. 2.3 показано поляриза-

цію елементарної частки кристалу типу NaCl . Центри позитивних та негатив-

них зарядів q іонів частки, що співпадають до прикладення електричного поля,

19

під дією поля розходяться на деяку відстань l – як результат зміщення різно-

йменно заряджених іонів в протилежних напрямках. Внаслідок цього елемента-

рна частка набуває індукований електричний момент.

Е = 0

Е 0

Cl

+

 

Na

l

а

б

Рисунок 2.3 – Елементарна частка іонного кристалу NaCl:

а – до поляризації; б – в момент поляризації.

Іонна поляризація встановлюється за дуже короткий час – 10-14...10-13 с, вона створює суто реактивний електричний струм, що доповнює струм електронної поляризації. Це призводить до збільшення поляризованості діелектрика і збільшення ємнісного струму та відповідно до збільшення діелектричної проникності, тобто до збільшення ємності.

Дипольна поляризація полягає в повороті (орієнтації) дипольних молекул в напрямку зовнішнього електричного поля і належить до другого виду поляризації. На відміну від розглянутих електронної та іонної поляризації вона пов’язана з тепловим рухом часток, що приводить до розсіювання (втрати) енергії.

У багатьох діелектриків у різних агрегатних станах (газоподібний, рідкий, твердий) – молекули, якщо вони мають несиметричну структуру, володіють електричним дипольним моментом при відсутності зовнішнього електричного поля. У таких молекул центри позитивних та негативних зарядів зміщені один відносно одного на деяку відстань. Молекули у складі яких присутні такі диполі називаються дипольними або полярними, а молекули, що не мають ди-

20

полів називаються нейтральними. Відповідно до цього і діелектрики можуть бути полярними, або не полярними.

Полярні молекули поляризовані спонтанно, без впливу електричного поля. Такі молекули находяться у хаотичному тепловому русі і частково орієнтуються під впливом електричного поля – що і є причиною поляризації. Дипольна поляризація можлива, якщо молекулярні сили не заважають молекулам орієнтуватися вздовж електричного поля.

Дипольна поляризація діелектриків в значній мірі залежить від температури діелектрика і від частоти прикладеної напруги.

Із підвищенням температури молекулярні сили слабнуть, що повинно підсилювати дипольну поляризацію, але в цей же час зростає енергія теплового руху. Коли тепловий рух стає інтенсивнішим – ступінь дипольної поляризації із ростом температури починає зменшуватися.

Поворот диполів в напрямку поля потребує певного часу навіть при газоподібному стані речовини. Тому при швидко перемінних полях диполі не встигають орієнтуватися і дипольна поляризація зменшується із підвищенням частоти прикладеної напруги. Також, час дипольної поляризації визначається розміром молекули – він тим більший, чим більша молекула.

Взалежності від будови діелектрика час дипольної поляризації знаходиться в межах 10 - 8 … 10- 1 с.

Дипольна поляризація супроводжується розсіюванням енергії. Прикладом матеріалу із таким видом поляризації є целюлоза. Спонтанна поляризація існує у сегнетодіелектриків (сегнетова сіль,

титанат барію, титанат свинцю та ін.). Речовини із спонтанною поляризацією мають окремі області (домени), які мають електричний момент (поляризовані) при відсутності зовнішнього електричного поля. Накладення зовнішнього поля сприяє орієнтації електричних моментів доменів у напрямку поля, що дає ефект сильної поляризації.

Взмінних електричних полях матеріали із спонтанною поляризацією характеризуються значним розсіюванням енергії.

Міграційна поляризація обумовлена наявністю в діелектриках провідникових та напівпровідникових домішок. При внесенні неоднорідних матеріалів в електричне поле утворюються поляризовані області.

21

Процес міграційної поляризації може тривати від секунд до годин. Ця поляризація можлива лише при низьких частотах і пов’язана із втратами енергії.

Процеси міграційної поляризації є самими повільними (10-3…1 с). Іонно-релаксаційна поляризація обумовлена зсувом слабо зв’язаних

іонів під впливом зовнішнього електричного поля на відстань, яка перевищує постійну кристалічної решітки. Із підвищенням температури іоннорелаксаційна поляризація значно підвищується. Характерна для неорганічних кристалічних діелектриків з іонною структурою та із нещільною упаковкою іонів (натрієво-силікатне скло, фарфор).

Електронно-релаксаційна поляризація виникає в матеріалах які мають дефекти в електронній будові внаслідок збудження тепловою енергією надлишкових електронів або дірок. Характерна для діелектриків з високим показником заломлення, великим внутрішнім полем і електронною електропровідністю (кераміка із вмістом титану).

Ступінь поляризованності діелектрика оцінюється діелектричною проникністю – чим вище значення тим сильніше поляризується діелектрик.

Діелектрична проникність кількісно характеризує процес поляризації. Вона являється основною характеристикою діелектриків.

Будь-яка електрична ізоляція має електричну ємність. Ізоляція розташована поміж двома струмоведучими частинами, що знаходяться під різними електричними потенціалами утворює електричний конденсатор. Ємність конденсаторів залежить від їх геометричних розмірів і від матеріалу діелектрика, що знаходиться між обкладками.

Ємність плоского конденсатора із будь-яким діелектриком між обкладками визначається із виразу:

C 0

 

S ,

 

h

(2.2)

де S – площа електродів, що знаходяться в контакті із зразком, м2;0 – діелектрична проникність вакууму ( 0 = 8,86 10-12 Ф/м);

– відносна діелектрична проникність діелектрика; h – товщина діелектрика, м.

22

Діелектрична проникність повітря приймається рівною 0.

 

Ємність вакуумного плоского конденсатора дорівнює:

 

C

 

 

0 S

,

(2.3)

0

 

 

 

h

 

 

 

 

 

Отже відносна діелектрична проникність – це відношення ємності кон-

денсатора С із заданим діелектриком до ємності вакуумного конденсатора С0, якщо S і h у них однакові:

 

C

.

(2.4)

 

 

C0

 

Відносна діелектрична проникність вказує у скільки разів збільшуєть-

ся ємність вакуумного конденсатора, якщо не змінюючи його розмірів і форми, між електродами помістити даний діелектрик.

Так ємність слюдяного конденсатора з тими ж значеннями S та h буде у 6 разів більша ніж у вакуумного конденсатора, тому що у слюди = 6.

Поляризація газоподібних речовин внаслідок великих відстаней між молекулами незначна, і їх діелектрична проникність близька до одиниці. Діелектрична проникність газів пропорційна тиску і обернено пропорційна абсолютній температурі, так як вона визначається зміною числа молекул в одиниці об’єму.

Для рідких діелектриків діелектрична проникність тим більша чим більше значення електричного моменту диполів та чим більше число молекул в одиниці об’єму. Діелектрична проникність нейтральних рідких діелектриків не перевищує 2,5 (бензол, толуол). Діелектрична проникність полярних рідких діелектриків більш висока і дорівнює 3…4,5.

Діелектрична проникність твердих тіл може приймати різні значення, в залежності від різноманітності структурних особливостей твердих діелектриків. Найменші значення діелектричної проникності мають нейтральні тверді діелектрики, які мають лише електронну поляризацію. Сюди можна віднести наприклад парафін ( = 1,9 ... 2,2). Із підвищенням температури таких діелектриків їх діелектрична проникність зростає майже лінійно за рахунок зростання поляризованості іонів, незважаючи на зменшення щільності речовини.

Діелектрична проникність таких матеріалів, як скло може знаходитись в межах від 4 до 20. Діелектрична проникність деяких видів кераміки (конденсаторна кераміка, ультрафарфор) може досягати декількох сотень.

23

1.2 Електропровідність діелектриків

В природі немає такого матеріалу, який би в тій чи іншій мірі не проводив електричний струм. Поляризаційні процеси зміщення зв’язаних зарядів в речовині до моменту встановлення стану рівноваги протікають на протязі деякого часу, утворюючи поляризаційні струми, або струми зміщення у діелектриках.

Електропровідність діелектриків має дві характерні особливості. Перша особливість полягає в тому, що струм витоку має об’ємну та поверхневу скла-

дову. Струм, що протікає через об’єм діелектрика називається об’ємним, а

струм, що протікає по поверхні діелектрика називається поверхневим. Так як

ці струми сумірні за величиною, то при вивченні електропровідності діелектри-

ків необхідно враховувати як об’ємну так і поверхневу складову струму витоку:

 

I Iv Is ,

(2.5)

де

Іs – поверхнева складова струму витоку, А;

 

 

Іv – об’ємна складова струму витоку, А.

 

Другою характерною особливістю електропровідності діелектриків є спадання струму із плином часу, після прикладення постійної напруги до діеле-

ктрика. При підключенні постійної напруги струм в діелектрику спочатку стрі-

мко зростає, а потім поступово зменшується до усталеного значення (Рис. 2.5).

Струм, що спадає з плином часу, з моменту прикладення постійної на-

пруги до значення струму крізної провідності, називається струмом зміщен-

ня І зм.

Електропровідність діелектриків в більшості випадків має іонний характер, тобто носіями зарядів є іони. Електропровідність матеріалу залежить від його агрегатного стану.

Електропровідність газів пояснюється кінетичною теорією газів, за якою усі вільні електрони та іони знаходяться у неперервному хаотичному тепловому русі. Прикладення напруги створює направлений рух вільних зарядів – електричний струм, або струм витоку.

На рис.2.4. показана залежність струму витоку від прикладеної напруги.

На першій ділянці кривої до напруги Uн, яка відповідає слабким електричним

24

полям, струм витоку дуже малий і пропорційний напруженості – число направлених зарядів зростає із зростанням прикладеної напруги. По мірі зростання прикладеної напруги наступає насичення – усі утворені заряди досягають своїх електродів і струм перестає залежати від напруги (ділянка Uн - Uк). Значне збільшення прикладеної напруги до критичного значення Uк приводить до появи великої кількості вільних електронів (явище ударної іонізації), що супроводжується різким збільшенням струму витоку. Для повітря при нормальних умовах Uк = 10 МВ/м.

І

0

 

Uн

 

Uк

 

U

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.4 – Залежність струму витоку у газах від прикладеної напруги

Електропровідність рідких діелектриків пов’язана із будовою моле-

кул і в значній мірі залежить від домішок що присутні в діелектрику. Струм в рідині обумовлюється не тільки рухом іонів, а й рухом великих колоїдних час-

ток. Полярні рідини мають підвищену електропровідність в порівнянні із непо-

лярними, а сильнополярні рідини можуть розглядатися як провідники. Очи-

щення діелектриків знижує їх електропровідність.

Залежність струму витоку від напруженості поля для чистих рідин така ж як і у газів (Рис. 2.4). Для ізоляційних рідин з домішками відсутня ділянка на-

сичення. При значному підвищенні напруженості поля в рідинах, зростання струму відбувається за рахунок ударної іонізації газу, що розчинений в рідині.

Питома електропровідність будь-якої рідини значно залежить від тем-

ператури. Так при підвищенні температури зростає рухомість іонів у зв’язку із зменшенням в’язкості, що веде до підвищення провідності.

25

Електропровідність твердих тіл визначається рухом іонів як діелект-

рика, так і його домішок. Для твердих діелектриків характерна залежність струму, що протікає через діелектрик від часу його прикладення (Рис. 2.5).

І

Iаб

Iкр

t

Рисунок 2.5 – Зміна струму в твердому діелектрику

Струм після включення діелектрика під постійну напругу з плином часу зменшується і досягає сталого значення. Частина струму, що зменшується з ча-

сом, називається струмом абсорбції (абсолютна різниця між початковим та кін-

цевим струмом витоку). Цей струм зумовлений різними видами поляризації.

Усталене значення струму через діелектрик називається струмом крізної провідності, цей струм спричиняється зарядами, які рухаються через увесь діе-

лектрик і іонізуються біля електродів.

За струмом крізної провідності оцінюють провідність діелектрика. Опір діелектрика визначається за формулою

R

 

U

 

U

 

U

,

(2.6)

 

In

 

 

кр

I

 

I Iабс

 

Iкр

 

 

 

 

 

де U – прикладена напруга;

І – струм, що спостерігається;

Іn = Іабс – сума струмів, що викликані поляризаціями;

Iкр струм крізної провідності.

26