Классификация материалов по электрическим свойствам

Классификация материалов.

агрегатному состоянию все материалы подразделяются на следующие типы: твёрдые материалы, жидкости, газы и плазма.

Газ – это состояние вещества, в котором атомы и молекулы не связаны или слабо связаны силами взаимодействия и хаотически двигаясь, заполняют весь объём. Если силами взаимодействия молекул в газе пренебречь, то такой газ называется идеальным.

Жидкости – вещества, сочетающие свойства газов и твёрдых тел. Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положения равновесия и перескоков из одного положения в другое.

Твёрдое тело характеризуется стабильностью формы. У него атомы могут совершать лишь малые (тепловые) колебания вокруг фиксированных положений равновесия.

Плазма – это особое состояние вещества. В данной дисциплине плазма не рассматривается.

Конструкционные материалы – твёрдые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическому нагружению.

Электротехнические материалы предназначены для изготовления изделий, применяемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии.

Классификация материалов по электрическим свойствам.

все материалы можно подразделить на три основные группы: диэлектрики, проводники и полупроводники

проводники (Ме) ρ<〖10〗^(-5)Ом*м (ρ – удельное сопротивлениеρ)
Проводниковые материалы – материалы, обладающие высокой электропроводностью за счет того, что у них энергетические зоны электронов - валентная зона и зона проводимости, примыкают вплотную или перекрываются, запрещенной зоны нет, поэтому валентные электроны без сообщения им дополнительной энергии могут «уходить» от атома и становиться свободными носителями заряда. Удельное сопротивление проводников менее 10-5Ом•м.
2) полупроводники ρ=〖10〗^(-6)…〖10〗^(-9)Ом*м; φ_з=0.1…3
Полупроводниковые материалы – материалы с узкой запрещенной энергетической зоной, отличительным свойством их является сильная зависимость удельного сопротивления от концентрации и вида примеси, дефектов внутренней структуры и факторов внешней среды (температуры, освещенности и т.п.). Удельное сопротивление полупроводников при нормальных условиях лежит в пределах 10-6…109 Ом•м.
3) диэлектрики ρ>〖10〗^7 Ом*м
Диэлектрические материалы – материалы с широкой запрещенной энергетической зоной, в обычных условиях электронная электропроводность в них отсутствует, а основным свойством диэлектриков является способность к поляризации. Удельное сопротивление диэлектриков более 107 Ом•м.

1. Виды поляризации диэлектриков.

Поляризация – явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10⁻¹⁵ с). Не связана с потерями.

Ионная — смещение узлов кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10⁻¹³ с, без потерь.

Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.

Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.

Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.

Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.

Самопроизвольная (спонтанная) — возникает в отсутствие внешнего электрического поля. Наблюдается в материалах, состоящих из отдельных доменов (областей). В каждом из доменов имеет своё, отличное от других доменов, направление, в результате чего суммарный дипольный момент материала равен нулю. При наложении внешнего электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются вдоль поля. Возникающая при этом поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля; наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики).

Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты колебания которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объёмных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения; имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты.

1. Схема замещения и классификация диэлектриков по виду поляризации.

Схема замещения диэлектрика: С_о – ёмкость диэлектрика, вызванная электронной и ионной поляризациями; R – сопротивление сквозному току; С₁ и R₁ – ёмкость и сопротивление обусловленные релаксационными видами поляризации

Все диэлектрики можно подразделить на следующие основные группы:

1. Неполярные или слабополярные;

2. Полярные;

3. Твёрдые неорганические диэлектрики:

а) с плотной упаковкой ионов, б) с неплотной упаковкой ионов;

4. Сегнетоэлектрики;

5. Слоистые диэлектрики.

К первой группе можно отнести диэлектрики, обладающие в основном электрической поляризацией. Сюда относятся:

- твёрдые вещества: парафин, сера, полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, алмаз;

- жидкости: бензол, тетраформ (ССL₄);

- газы: водород, гелий, азот, метан.

Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями:

- твердые (целлюлоза),

- жидкие: (маслоканифольный компаунд, совол),

- газы: аммиак, пары воды и спиртов,

К твердым диэлектрикам с плотной упаковкой ионов относятся диэлектрики с электронной и ионной поляризациями: кварц, смола, каменная соль, корунд, рутил.

Диэлектрик с неплотной упаковкой имеет электронную, ионную и ионно-релаксационную поляризацию. К этой подгруппе относятся фарфор, микалекс (основа – слюда со стеклом), неорганические стекла.

К четвертой группе относятся сегнетоэлектрики, у которых спонтанная, электронная, ионно-релаксационная поляризации. К этой группе относятся: сегнетовая соль, метатитанат бария, титанат бария и др.

Пятая группа слоистых диэлектриков представляет слоистая изоляция. Слоистая изоляция широко применяется в энергетике: изоляция трансформаторов, кабелей, конденсаторов, проходных изоляторов и т. д. Это может быть бумажно-маслянная, маслобарьерная или бумага пропитанная маслоканифольным компаундом.

1. Общая характеристика явления пробоя.

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U_ПР, а соответствующее значения напряженности поля – электрической прочностью диэлектрика E_ПР.

Значение пробивного напряжения U_ПР обычно измеряется в киловольтах, а электрическая прочность Е_ПР в киловольтах на сантиметр (кВ/см, кВ/м, МВ/м)

Е_ПР = ,

где h – толщина диэлектрика.

Основные виды пробоя следующие:

1. Электрический пробой.

2. Тепловой пробой.

3. Электрохимический пробой (электрическое старение)

1. Пробой газов. Лавина, стример, лидер

Пробой газа. В газах возникает только электрический пробой. В воздушном промежутке вследствие радиоактивного и космического излучения всегда присутствует небольшое количество заряженных частиц. Электроны в электрическом поле разгоняются электрическим полем и приобретают дополнительную энергию:

W = g·Е·λ,

где g – заряд электрона, Е – напряженность поля, λ – средняя длина свободного пробега электрона до очередного соударения.

Если напряженность достаточна (то есть Е ≥ Е_пр), то возникает быстро нарастающий поток электронов, приводящий к пробою промежутка.

Пробивная напряжённость (Е_пр) газа зависит от многих факторов. Одним из важнейших факторов является вид поля. На рис.6. приведены зависимости пробивных напряжений от расстояния между электродами для трёх классических промежутков.

Электронная лавина - экспоненциальный рост количества носителей заряда в промежутке от катода к аноду за счет ударной ионизации молекул электронами
n=n₀·e^d. Коэффициент  называется коэффициентом ударной ионизации. Он определяется донорно-акцепторными свойствами молекул жидкости, зависит от длины свободного пробега и резко зависит от напряженности поля. Для примера  =18 1/cм при 30 кВ/см в воздухе.

Возникновение лавины - это еще не пробой. Необходимо, чтобы после прохождения лавины на катоде снова появился электрон. После этого возникает повторная лавина, затем еще лавина и т.д. Возникает самостоятельный многолавинный разряд.

Стример – это большое количество сдвинутых во времени и пространстве лавин, образующих канал высокой проводимости, с концентрацией заряженных частиц в канале стримера N ≈ 10¹³ на 1 см³

По мере удлинения промежутка, для длинных промежутков, возможно возникновение повторных стримеров в следе первого стримера. Это происходит потому, что там, где прошел стример, газ прогревается, плотность газа уменьшается, его электрическая прочность уменьшается, и в следе стримера могут возникать и распространяться новые стримеры со своим дополнительным нагревом и т.д. В результате локального повышения температуры в нем начинается термоионизация, и возрастает электропроводность, по значению выше перехода из диэлектрического состояния в проводящее состояние. Возникающая структура - лидер эквивалентна продвижению электрода в виде острия вглубь промежутка, что способствует пробою длинных промежутков. В линиях электропередач реализуется именно этот вид пробоя.

Лидер – это большое количество сдвинутых во времени и пространстве стримеров, образующих термоионизирующий канал с числом заряженных частиц

N ≈ 10¹⁸ на 1 см³.

1. Пробой жидких диэлектриков.

Теория пробоя жидких диэлектриков не так хорошо разработана, как для газов. В жидких диэлектриках механизм пробоя и пробивное напряжение зависят от чистоты диэлектрика.

Различают три степени чистоты:

1) диэлектрики содержат эмульсионную воду и твёрдые механические загрязнения;

2) технически чистые, диэлектрики практически не содержат эмульсионной воды и механических загрязнений;

3) особо тщательно очищенные, т. е. совершенно не содержат воды и механических загрязнений, а также хорошо дегазированы.

В особо тщательно очищенных жидких диэлектриках возникает только электрическая форма пробоя. Плотность жидкости существенно больше плотности газа, поэтому в них значительно меньше длина свободного пробега электронов (λ), а значит существенно выше пробивная напряжённость.

В электроэнергетике обычно используются технически чистые жидкие диэлектрики, в которых в незначительных количествах возможны примеси. Особенно сильно снижает электрическую прочность жидкого диэлектрика эмульсионная вода, находящаяся в нем даже в небольшом количестве. Пробой увлажнённых жидкостей происходит следующим образом. Капельки эмульсионной воды в электрическом поле поляризуются, втягиваются в пространство между электродами, деформируются и, сливаясь, образуют мостики с малым электрическим сопротивлением, по которым и происходит разряд. Образование мостиков приводит к значительному снижению прочности масла.

1. Пробой твердых диэлектриков.

В твёрдых диэлектриках возможны все виды пробоя. Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для одного и того же диэлектрика в зависимости от характера электрического поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), а также от наличия в диэлектрике примесей и дефектов.

1. Газообразные диэлектрики

В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, должен быть упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности даже помимо нашей воли, часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам. В отдельных частях электрических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии.

Несмотря на его сравнительно низкую электрическую прочность всего Е_пр=1-30 кВ/см, воздушная изоляция имеет ряд достоинств, благодаря которым ее широко применяют в электроэнергетике:

1. Простота конструкции и малая, по сравнению с другими диэлектриками, стоимость.

2. Отсутствие старения, т. е. изменения электрических характеристик при длительной эксплуатации,

3. Способность восстанавливать свои изолирующие свойства после погасания разряда.

Повышение давления газа является одним из путей увеличения его электрической прочности. При достаточно высоком давлении электрическая прочность газа выше прочности трансформаторного масла и электротехнического фарфора.

Особенно высокие разрядные характеристики имеют электроотрицательные газы, у которых большой коэффициент прилипания электронов. Наиболее широкое применение нашел элегаз (шестифтористая сера SF₆) поскольку он не горюч, обладает хорошей теплопроводностью, хорошей дугогасительной способностью, относительно низкой температурой сжижения, не токсичен. Гексафторид серы (шестифтористая сера) имеет электрическую прочность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха. Гексафторид серы был назван впервые исследовавшим этот газ советским ученым. Б. М. Гохбергом элегазом (сокращение от слов «электричество» и «газ»).

В качестве изоляции элегаз при повышенном давлении находит применение как в электрофизических, так и в электроэнергетических установках. Например, все шире применяют герметизированные распределительные устройства (ГРУ), которые имеют ряд важных преимуществ перед открытыми распределительными устройствами (ОРУ):

1. Все элементы, находящиеся под напряжением, расположены внутри заземленного корпуса, что повышает безопасность работы обслуживающего персонала и существенно уменьшает размеры распределительного устройства.

2. Герметизированные распределительные устройства могут быть установлены в подвалах зданий или специальных помещениях под землей, что особенно важно при строительстве или расширении распределительных устройств в черте города, поскольку в крупных городах трудно отыскать свободную площадь под открытую подстанцию. Кроме того, ОРУ нарушают архитектурный ансамбль города, создают повышенные радиопомехи, в то время как ГРУ работают практически бесшумно и не создают радиопомех.

3. Изоляция ГРУ непосредственно не контактирует с атмосферой и поэтому надежность ее работы не зависит от погодных условий и загрязненности атмосферы.

1. Жидкие диэлектрики

Электрические свойства жидких диэлектриков в значительной мере зависят от степени их очистки. Даже небольшое содержание примеси заметно ухудшает их электрические характеристики. Особенно существенно на Е_пржидких диэлектриков влияет нерастворенная полярная примесь, например вода.

Основное назначение жидких диэлектриков заключается в повышении электрической прочности твердой пористой изоляции, отводе тепла от обмоток трансформатора, гашении электрической дуги в масляных выключателях. В конденсаторах жидкие диэлектрики, пропитывая твердую изоляцию, повышают ее Е_пр и ε и тем самым − U_ном и емкость конденсатора. Наиболее распространенными жидкими диэлектриками являются:

− нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное и кабельное);

− синтетические жидкости (совол);

− кремнийорганические и фторорганические.

1. Классификация твердых диэлектриков

Твердые диэлектрики можно разделить по происхождению на природные (естественные) и искусственные, по химическому составу — на органические, под которыми подразумеваются вещества на основе соединений углерода (но в них также могут входить и другие элементы) и неорганические. Последние, как правило, обладают большей нагревостойкостью, чем органические. По строению диэлектрики делятся на волокнистые, кристаллические и аморфные. По исходному состоянию при производстве изоляции отдельную подгруппу составляют твердеющие материалы.

1. Волокнистые материалы (бумага, картон, хлопок, шелк, и синтетические).

2. Полимеры (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и т. д.)

3. Пластмассы и слоистые пластики.

4. Эластомеры (каучуки)

5. Стекла

6. Керамика

7. Слюда и слюдяные материалы

8. Асбест и асбестовые материалы

9. Лаки и компаунды.

10. Смолы, растительные масла, воскообразные диэлектрики и т. д.

Из всего многообразия материалов, особое внимание следует лишь уделить следующим диэлектрикам:

1. Волокнистые материалы (бумага, картон, дерево). Бумага − это основная изоляция кабелей, трансформаторов, конденсаторов.

2. Слюда. Это основная изоляция электрических машин.

3. Полиэтилен. Это изоляция современных кабелей.