Классификация веществ по электрическим свойствам

Экзаменационные вопросы

1.Зонная теория твердого тела. 

Электротехнические материалы характеризуются определенными свойствами по отношению к электромагнитным полям и применяются в технике с учетом этих свойств.

По магнитным свойствам материалы подразделяются на сильномагнитные и слабомагнитные (немагнитные). Все вещества в зависимости от их электрических свойств делятся на диэлектрики, проводники или полупроводники. Различие между ними наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

Спектральный анализ отдельных атомов показывает, что для атома каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии. Это говорит о наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов.

Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома. На других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом подвергается внешнему энергетическому воздействию и становится возбужденным. Стремясь снова вернуться к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии, и электроны возвращаются на свои прежние уровни, при которых энергия атома минимальна.

Нормальные энергетические уровниобразуют заполненную электронами зону 2 (рис.5). Уровни возбужденного состояния атомаобразуют свободную зону энергетических уровней 3. Между заполненной зоной и свободной зоной располагается запрещенная зона 2.

На рис. 5 показаны энергетические диаграммы диэлектрика (а), полупроводника (б) и проводника (в).

Рис.5. Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б), проводников (в)

 

Диэлектриками являются такие материалы, у которых запрещенная зона (следовательно, и необходимая для ее преодоления энергия) настолько велика, что в обычных условиях электроны не могут переходить в свободную зону и электронной электропроводности не наблюдается. Ширина запрещенной зоны диэлектриков W>3 эВ (электрон-вольт).

Полупроводники имеют более узкую запрещенную зону, которая может быть преодолена за счет небольших внешних энергетических воздействий, например температуры, света или других источников энергии. Если подведенная извне энергия будет достаточна для перехода электронов через запрещенную зону, то, став свободным, электроны могут перемещаться и под действием электрического поля, создавать электронную электропроводность полупроводника. С повышением температуры число носителей заряда растет, и сопротивление полупроводников сильно уменьшается.

Проводниками являются материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею. Вследствие этого электроны в металле могут переходить из заполненной зоны в свободную зону даже при слабых напряженностях электрического поля.

 

2. Виды химических связей.        

  Ковалентная связь (рис.1) возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами. Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, являются неполярными. Если же в отдельных молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными.

Рис.1. Схематическое изображение двухатомной молекулы с ковалентной связью

Полярная молекула характеризуется величиной дипольного момента (μ), который определяется по формуле:

 

                                                                          (1)

 

где q – заряд, l – расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов.

Электрический момент полярноймолекулы является векторной величиной. За направление векторапринимают направление от отрицательного заряда к положительному. При отсутствии внешнего электрического поля суммарныйдипольный момент равен нулю, так как диполи расположены хаотично. При приложении внешнего электрического поля диполи и их электрические моменты ориентируются по направлению поля.

Второй вид связи – ионная связь – определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами. Твердые тела ионной структуры характеризуются повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Вещества ионной структуры могут быть с плотной или неплотной упаковкой ионов (рис.2).

 

Рис. 2. Ионная структура материалов

 

Третий вид связи – металлическая связь, которая также приводит к образованию твердых кристаллических тел.

Металлы можно рассматривать как системы, построенные из расположенных в узлах решетки положительно заряженных ионов, находящихся в среде свободных электронов (рис.3).

Притяжение между положительными ионами и электронами является причиной монолитности металлов. Наличием свободных электронов объясняется высокая электропроводность и теплопроводность металлов.

Рис.3. Схематическое изображение металлической связи

 

Четвертый вид связи – молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса). Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. Межмолекулярное притяжение в этом случае обусловливается согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах (рис.4).

Рис.4. Схематическое изображение молекулярной связи

 

В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказывается сильнее сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Вещества, имеющие данный вид связи, например, парафин, обладают низкой температурой плавления, свидетельствующей о непрочности их кристаллической решетки.

 

3. Строение диэлектриков.  

 Диэлектриками называют вещества, которые плохо проводят электрический ток. При обычных условиях у них практически отсутствуют свободные заряды. В зависимости от химического строения диэлектрики разделяют на три группы.

1). Неполярные диэлектрики — вещества, молекулы (атомы) которых неполярные: в них при отсутствии внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают. Например, инертные газы (аргон, ксенон) газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул (кислород, водород, азот); некоторые органические жидкости (масло, бензин); из твердых тел — пластмассы.

2). Полярные диэлектрики — вещества, молекулы которых полярны: у них в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Примером полярного диэлектрика является вода.

Молекулы воды, как и других полярных диэлектриков, представляют собой микроскопические электрические диполи.

Электрический диполь — электронейтральная совокупность равных по модулю и противоположных по знаку двух зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

При отсутствии внешнего электрического поля дипольные молекулы благодаря тепловому движению располагаются беспорядочно. Поэтому векторная сумма напряженностей полей, созданных дипольными молекулами диэлектрика, равна нулю.

3). Ионные диэлектрики — вещества, имеющие ионную структуру. Среди них соли и щелочи: натрия хлорид натрия (NaCl), калий хлорид (KCl) и т.д. При отсутствии внешнего электрического поля каждая ячейка и кристалл в целом является электронейтральной.

 

 

4. Что происходит с диэлектриком в электрическом поле? 

5.Поляризация диэлектриков.

 Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Электрическая поляризация приводит к тому, что суммарный электрический момент объема вещества становится отличным от нуля.

В любом материале, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных носителей заряда, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, ионы. Под действием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний по направлению действующих сил в зависимости от величины напряженности поля. В результате этого каждый элементарный объем диэлектрика dV приобретает индуцированный электрический момент dp. Образование индуцированного электрического момента Р в диэлектрике и представляет собой явление поляризации. Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации (поляризованность, интенсивность поляризации), который равен отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

 

                                                                        (2)

 

При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние.

Большинство диэлектриков характеризуются линейной зависимостью электрического смещения (Д) от напряженности электрического поля (Е), приложенного к диэлектрику (линейные диэлектрики, рис.6).

Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно (рис.6), достигая насыщенного состояния при некотором значении напряженности электрического поля. При уменьшении напряженности поля вектор электрического смещения уменьшается и при отсутствии поля остается остаточное электрическое смещение (Д_о). Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками.

Наименование «сегнетоэлектрик» связано с тем, что нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли. За рубежом данная группа материалов называется ферроэлектриками.

 

Рис.6. Зависимости электрического смещения от напряженности электрического поля

 

В результате поляризационных процессов внутри диэлектрика образуется внутреннее электростатическое поле определенного заряда, направленное встречно внешнему электрическому полю (рис.7).

В связи с этим любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости.

 

Рис.7. Диэлектрик в электрическом поле

 

Заряд конденсатора, как известно, равен:

 

                                       ,                             (3)

 

где С – емкость конденсатора, U – приложенное напряжение.

Заряд Q при заданном значении приложенного напряжения обусловлен зарядом Q_о, который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и зарядом Q_д, возникшем вследствие поляризации диэлектрика, фактически разделяющем электроды:

                                                                   (4)

 

6. Виды поляризации.   

Различают два механизма поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла, за время 10^-15 – 10^-13 с; поляризация, совершаемая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называется релаксационной (время от 10^-8 до 10² с).

В схемах замещения диэлектрики обозначают конденсатором определенной емкости С, если в них не происходит рассеяния энергии (рис.8, а). Если происходит рассеяние энергии, то в схему замещения добавляется активное сопротивление r, эквивалентное нагреву диэлектрика (рис.8, б).

                              а)                  б)

Рис. 8. Схемы замещения диэлектрика: а) без потерь; б) с потерями

 

К мгновенным относятся электронная и ионная поляризации. Электронная поляризация (C_э , Q_э) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием внешнего электрического поля (рис.9).

 

Рис.9. Электронная поляризация диэлектрика. Положение орбит

электронов при отсутствии (а) и при наличии (б) электрического

поля

 

При отсутствии электрического поля центр положительного заряда ядра и центр отрицательного заряда совпадают. Атом нейтрален. Под действием внешнего электрического поляорбиты, по которым движутся отрицательные электроны, смещаются к положительному электроду. Центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Нейтральный атом превращается в диполь (так называемый упругий диполь). Наблюдается такая поляризация во всех видах диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n².

Ионная поляризация (C_и , Q_и) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки (рис.10). С повышением температуры смещение усиливается в результате ослабления упругих сил между ионами. Это происходит из-за увеличения расстояния между ионами вследствие теплового расширения.

Время установления ионной поляризации больше, чем электронной, но оно также очень мало и имеет порядок 10^-13 с.

 

 

Рис.10. Механизм ионной поляризации

 

Все остальные виды поляризации являются релаксационными.

Дипольно-релаксационная поляризация (C_др , r_др , Q_др) отличается от электронной и ионной тем, что она связана с потерями энергии при поляризации, т.е. с нагреванием диэлектрика. Этот вид поляризации наблюдается в полярных диэлектриках. В таких веществах молекулы или радикалы являются диполями даже при отсутствии электрического поля (рис.11).

Рис.11. Механизм дипольно-релаксационной поляризации (ориентация диполей в направлении электрического поля: а) поле отсутствует; б) при наличие поля).

При отсутствии электрического поля они находятся в хаотическом тепловом движении, дипольные моменты их направлены в разные стороны и результирующий электрический момент всех этих диполей равен нулю. Под действием сил электрического поля диполи поворачиваются, ориентируясь вдоль линий электрического поля, т.е. положительным полюсом к отрицательному электроду.

Кроме ориентации диполи еще растягиваются электрическим полем, и величина дипольного момента при этом возрастает. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, рассеивается энергии в виде тепла (r_др). Время релаксации здесь порядка 10^-8 – 10^-6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.

Ионно-релаксационная поляризация (C_ир, r_ир, Q_ир) наблюдается в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов (например, неорганических стеклах). Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений ограниченно смещаются в направлении электрического поля. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры за счет ослабления сил меж-

ионного взаимодействия. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации происходит в течение 10^-6 – 10^-4 секунд с рассеянием энергии.

Электронно - релаксационная поляризация (C_эр, r_эр, Q_эр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10^-8 – 10^-6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, ряд соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута.

Миграционная поляризация (C_м, r_м, Q_м) протекает в твердых диэлектриках неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях или наличии примесей за время порядка 10² с. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д.

При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, образуя большие поляризованные области (рис.12). В слоистых материалах на границах раздела слоев и в приэлектродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации.

 

Рис.12. Механизм миграционной поляризации

 

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация, (C_сп, r_сп, Q_сп), –это вид поляризации возникает в диэлектриках, имеющих доменную структуру. Доменами называют отдельные области, 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 (рис. 13).

В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастание интенсивности поляризации.

 

Рис. 13. Механизм спонтанной поляризации

 

Резонансная поляризация (C_рез, r_рез, Q_рез) проявляется в диэлектриках под воздействием высокочастотного электрического поля (f =10⁶ Гц), когда частота собственных колебаний электронов или ионов совпадает с частотой внешнего поля. Резонансные явления увеличивают амплитуду колебаний (вектор смещения) связанных заряженных частиц в материале.

 

8. Классификация диэлектриков по видам поляризации.      

 Все диэлектрики по видам поляризации подразделяются на несколько групп.

Первая группа – диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол, полиэтилен и др.), а также неполярные и слабополярные жидкости (бензол и др.) и газы (азот, водород и др).

Вторая группа – диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризацией – это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества: маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и др.

Третья группа – твердые диэлектрики ионной структуры с плотной упаковкой ионов, для которых характерны электронная и ионная поляризации: кварц, слюда, корунд, рутил, каменная соль и др.

Четвертая группа – твердые диэлектрики ионной структуры с неплотной упаковкой ионов с электронной и ионно-релаксационной поляризацией: неорганические стекла, фарфор, микалекс и др.

Пятая группа – сегнетоэлектрики, для которых характерны

спонтанная, электронная, ионная, электронно-релаксационная и ионно-релаксационная поляризация: сегнетова соль, титанат бария и др.

Шестая группа – неоднородные диэлектрики, способные, в зависимости от состава, к разным видам поляризации.

 

9. Эквивалентная схема замещения диэлектрика.       

Технические диэлектрики обладают, как правило, не одним,

а одновременно несколькими видами поляризации. Следователь-

но, емкость конденсатора с диэлектриком обусловливается суммой различных видов поляризации.

 

 

Рис.14. Эквивалентная схема замещения диэлектрика с различными механизмами поляризации

 

На рис.14 приведена эквивалентная схема замещения диэлектрика, в котором присутствуют все виды поляризации. Где: С₀- соответствуют собственному полю электродов, если между ними нет диэлектрика. C_{э –} Электронная, C_и- Ионная, C_др- Дипольно-релаксационная, C_ир- Ионно-релаксационная, C_эр- Электронно – релаксационная, C_м- Миграционная, C_сп- Спонтанная (самопроизвольная) поляризации.

Все емкости эквивалентной схемы шунтированы резистором R_из, представляющим собой сопротивление изоляции сквозному току через диэлектрик.

 

  10.  Дать понятие о диэлектрической проницаемости. 

Среди изоляционных материалов важная роль отводится электрическим характеристикам и такому показателю, как диэлектрическая проницаемость. Она может оцениваться двумя различными характеристиками:

1. абсолютным значением;

2. относительной величиной.

Термином абсолютной диэлектрической проницаемости вещества εa пользуются при обращении к математической записи закона Кулона. Она, в форме коэффициента εа, связывает вектора индукции D и напряженности E, D=εа*E. Определение относительной диэлектрической проницаемости среды используется для характеристики изоляционных свойств вещества. Она оценивает соотношение силы взаимодействия между двумя точечными зарядами при двух различных условиях: в вакууме и рабочей среде. При этом показатели вакуума принимаются за 1 (εv=1), а у реальных веществ они всегда выше, εr>1.

Численное выражение εr отображается безразмерной величиной, объясняется эффектом поляризации у диэлектриков, используется для оценки их характеристик.

 

11. Дать понятие о токах утечки, сквозном и абсорбционном.

 Электроизоляционные материалы, применяемые в технике, не являются идеальными диэлектриками в связи с присущей им небольшой электропроводностью.

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике протекают во времени до момента установления равновесия и создают токи смещения (токи поляризации). В случае электронной и ионной поляризаций эти токи практически не удается зафиксировать приборами. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые в большинстве технических диэлектриков, называют токами абсорбции. При приложении постоянного напряжения они наблюдаются только при включении и выключении, меняя свое направление

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению малых по величине сквозных токов.

Следовательно, в диэлектрике протекают абсорбционный ток (i _абс), обусловленный смещением связанных зарядов, и сквозной ток (i _скв) за счет направленного перемещения свободных носителей зарядов. Ток, протекающий в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, называется током утечки (i _ут).

 

 

12.  Дать понятие об ударной и фотонной ионизациях.  

ИОНИЗАЦИЯ, образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Положительные ионы образуются в результате отрыва электрона (или электронов) от атомов и молекул. В
особых случаях нейтральные атомы и молекулы могут присоединять электроны и образовывать отрицательные ионы. Подвергаться И. могут и ионы, при этом повышается их кратность. Под И. понимают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости). И. может происходить при столкновениях частиц (столкновительная, или ударная, И.), под действием электромагнитного излучения (фотоионизация), под действием электрич. поля (ионизация полем). И., происходящая при взаимодействии излучения или частиц внутри вещества (среды), называется объёмной, на поверхности твёрдого тела или жидкости – поверхностной ионизацией. Положительные и отрицательные ионы образуются также при электролитической диссоциации.

 

13. Условие ионизации.      

Для от­ры­ва элек­тро­на из ато­ма, на­хо­дя­ще­го­ся в осн. со­стоя­нии, тре­бу­ет­ся за­тра­тить энер­гию ио­ни­за­ции, рав­ную энер­гии свя­зи. Энер­гия свя­зи осн. уров­ня ко­леб­лет­ся от ми­ним. энер­гии 3,89 эВ для це­зия до мак­си­маль­ной 24,59 эВ для ге­лия. Сво­бод­ный элек­трон, об­ла­даю­щий энер­ги­ей боль­шей (или рав­ной) энер­гии свя­зи, при столк­но­ве­нии с ато­мом (мо­ле­ку­лой) вы­би­ва­ет из не­го (неё) один элек­трон и об­ра­зу­ет­ся од­но­за­ряд­ный по­ло­жи­тель­ный ион. Ми­ним. зна­че­ние ки­не­тич. энер­гии ио­ни­зую­ще­го элек­тро­на на­зы­ва­ет­ся по­ро­гом И. Эле­мен­тар­ный акт И. час­ти­цей (или фо­то­ном) ха­рак­те­ри­зу­ет­ся эф­фек­тив­ным се­че­ни­ем И. Ве­ли­чи­на се­че­ния рас­тёт от ну­ля при по­ро­го­вой энер­гии до оп­ре­де­лён­но­го макс. зна­че­ния и за­тем плав­но умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем энер­гии. В слу­чае удар­ной И. се­че­ние мак­си­маль­но при от­ры­ве внеш­них ва­лент­ных элек­тро­нов и малó для внутр. элек­тро­нов. Ес­ли сво­бод­ный элек­трон об­ла­да­ет ки­не­тич. энер­ги­ей, дос­та­точ­ной, что­бы ото­рвать от ато­ма два элек­тро­на или бо­лее, то про­ис­хо­дит двух­элек­трон­ная или мно­го­элек­трон­ная И. Се­че­ние И. та­ких про­цес­сов зна­чи­тель­но мень­ше, чем се­че­ние од­но­элек­трон­ной ио­ни­за­ции.

Фотоионизация

В этом слу­чае энер­гия ио­ни­зую­ще­го фо­то­на hνhν долж­на быть не мень­ше энер­гии ио­ни­за­ции (hh – по­сто­ян­ная План­ка, νν – час­то­та из­лу­че­ния). Для всех ато­мов и мо­ле­кул га­зов и жид­ко­стей это­му ус­ло­вию удов­ле­тво­ря­ют лишь фо­то­ны ульт­ра­фио­ле­то­во­го и бо­лее ко­рот­ко­вол­но­во­го из­лу­че­ния. Фо­то­ио­ни­за­ция иг­ра­ет су­ще­ст­вен­ную роль, напр., в про­цес­сах И. верх­них сло­ёв атмо­сфе­ры (ио­но­сфе­ры), в об­ра­зо­ва­нии стри­ме­ров при элек­трич. про­бое га­за и т. д. Фо­то­ны боль­ших энер­гий (рент­ге­нов­ские и γγ-кван­ты) мо­гут эф­фек­тив­но вы­ры­вать элек­тро­ны не толь­ко с внеш­них, но и с внутр. элек­трон­ных обо­ло­чек ато­мов.

 

14.Чем обусловлена электропроводность жидких диэлектриков и что на нее оказывает влияние?       

 Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидких диэлектриках электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги. Под диссоциацией понимают разложение молекул на более простые частицы – атомы, радикалы или ионы, а также разложение сложных молекул на более простые. В полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но и диссоциацией молекул самой жидкости. Невозможность полного удаления из жидких диэлектриков примесей, способных к диссоциации, осложняет получение высококачественных электроизоляционных жидкостей с малой удельной электропроводностью.

Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем неполярных в связи с тем, что энергия диссоциации полярных жидких диэлектриков значительно меньше, чем неполярных, а удельная проводимость значительно выше. Сильнополярные жидкости, например, вода, обладают настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.

 

15.Особенности электропроводности 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.

В твердых 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.

В диэлектриках 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.

В твердых пористых диэлектриках при наличии в них влаги, даже в небольшом количестве, резко увеличивается электропроводность.

 

16. Дать понятие об электрической очистке диэлектрика.

Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей заметно повышает их удельное сопротивление. При длительном пропускании электрического тока через неполярный жидкий диэлектрик можно наблюдать возрастание сопротивления за счет переноса свободных ионов примесей к электродам (электрическая очистка). 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. При низких температурах передвигаются слабозакрепленные ионы, в частности, ионы примесей.

 

17.Дать понятие об угле ДП (d) и tgd.       

 

  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).

 

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

 

Тангенс угла диэлектрических потерь – tgδ определяется как тангенс угла δ, являющегося дополнительным углом по отношению к углу сдвига фаз между током I и напряжением U (δ = 90⁰- φ).

 

18.Схемы замещения диэлектрика.

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

                                                                              (19)

Тогда мощность ДП:

 

               (20)

 

Для последовательной схемы замещения:

                                                (21)

 

    (22)

 

Окончательно:

                                                                  (23)

 

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

                                                                     (24)

 

Для высококачественных диэлектриков tg²δ значительно меньше единицы, поэтому:

 

                                                              (25)

 

                                                                       (26)

 

Согласно формуле (25) диэлектрические потери пропорциональны квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте поля. Поэтому ДП имеют важное 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.

 

 

19.Что оказывает влияние на величину ДП?

 Согласно формуле (25) диэлектрические потери пропорциональны квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте поля. Поэтому ДП имеют важное 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.

 

20.Виды ДП.

 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 электро-

проводностью, проявляются во всех без исключения диэлектриках, как в постоянных, так и в переменных электрических полях.

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.

Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии или твердым диэлектрикам, имеющим газовые включения. Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа.

Резонансные диэлектрические потери происходят в диэлектрике, когда частота электрического поля приближается к частоте собственных колебаний элементарных частиц диэлектрика (f =10⁹ – 10¹⁰ Гц).

 

  

21.Дать общую характеристику явления пробоя диэлектриков.

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Эту внезапную потерю электроизоляционной способности материала под действием внешнего электрического поля называют пробоем. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением (U_пр), кВ.

По физической природе различают несколько, видов пробоя диэлектриков, основными из которых являются следующие:

- электрический;

- электротепловой;

- электрохимический;

- ионизационный.

 

 

22.Какие факторы оказывают влияние на электрическую прочность газов?

Пробивное напряжение в однородном поле выше пробивного напряжения в неоднородном при прочих равных условиях. Кроме этого Uпр, Eпр, газа зависят от рода тока, температуры, влажности, давления и химического состава газа.

23.Как длина свободного пробега электрона связана с электрической прочностью диэлектрика?

Длина свободного пробега – это расстояние, которое преодолевает заряженная частица под действием внешнего электрического поля от одного до другого столкновения с нейтральными молекулами.

При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.

При уменьшении давления вначале происходит уменьшение электрической прочности, что связано с увеличением длины свободного пробега электронов и, следовательно, увеличением их кинетической энергии, т.е. улучшаются условия возникновения ударной ионизации, а тем самым и условия пробоя.

При дальнейшем снижении давления и высокой степени разряжения Е_пр начинает возрастать. Это увеличение электрической прочности объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.

 

 

24.Дать понятие о тепловом пробое. Какие факторы оказывают влияние на электрическую прочность при тепловом пробое?

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях: при этом нарушается тепловое равновесие и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, «электротепловое пробивное напряжение» зависит от нагревостойкости материала: органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях, вследствие их малой нагревостойкости.

Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле. Для возникновения теплового пробоя достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь одно место диэлектрика, где теплоотдача хуже или повышены удельные диэлектрические потери. При этом средняя температура всего объёма диэлектрика мало отличается от температуры, имевшей место до приложения к диэлектрику напряжения. Для того, чтобы температура диэлектрика не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение диэлектрика, необходимо правильно установить допустимое напряжение.

 

25.Что оказывает влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков?

Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и мельчайшие механические частицы.

Наличие примесей значительно усугубляет явление пробоя жидких диэлектриков и затрудняет выяснение механизмов пробоя. В максимально очищенных от примесей жидкостях при высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и разрушение молекул самой жидкости за счет соударений с заряженными частицами, как и в случае пробоя газов (электрический пробой). Повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега электронов в жидкости, чем в газах.

Электрическая прочность трансформаторного масла зависит от многих факторов, однако наибольшее влияние на прочность оказывают примеси: вода, газы и твердые частицы. Пробой масла, содержащего газовые включения, объясняется местным перегревом жидкости за счет энергии, выделяющейся при ионизации пузырьков газа, который приводит к испарению легких фракций масла и образованию газового канала между электродами.

Влага в трансформаторном масле может находиться в трех состояниях: в растворенном виде, в виде эмульсии (под микроскопом в масле видны шарики диаметром 2-10 мкм) и в виде отстоя на дне резервуара.

Молекулярно растворенная вода мало влияет на электрическую прочность трансформаторного масла и тангенс угла диэлектрических потерь, однако способствует повышению окисляемости масла и снижению его стабильности. Вместе с тем даже малые доли процента эмульсионной воды значительно снижает его электрическую прочность (рис.32).

Это объясняется тем, что под действием электрического поля шарики эмульсионной воды поляризуются и, притягиваясь между собой разноименными концами, образуют цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

 Электрическая прочность трансформаторного масла зависит от температуры.

На электрическую прочность масла оказывает влияние частота приложенного электрического поля.

При увеличении частоты электрического поля до 10⁵ Гц электрическая прочность трансформаторного масла уменьшается, что вызвано его разогревом за счет диэлектрических потерь.

 

26.Как и почему электрическая прочность газов зависит от давления?

 При уменьшении давления газа длина свободного пробега электронов увеличивается, и ионизация наступает при более низком напряжении.

 При уменьшении давления вначале происходит уменьшение электрической прочности, что связано с увеличением длины свободного пробега электронов и, следовательно, увеличением их кинетической энергии, т.е. улучшаются условия возникновения ударной ионизации, а тем самым и условия пробоя.

 При дальнейшем снижении давления и высокой степени разряжения Е_пр начинает возрастать. Это увеличение электрической прочности объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.

 

 

27.Тепловые свойства диэлектриков.

 Тепловые свойства характеризуют способности диэлектриков к температурным воздействиям в процессе эксплуатации.

 К тепловым свойствам относятся: нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение, холодостойкость.

 Нагревостойкость – способность изоляционного материала выдерживать воздействие повышенной температуры без явного ухудшения изоляционных свойств в течение всего срока службы электрооборудования.

 В зависимости от допустимых в эксплуатации рабочих температур (t_р) диэлектрики различают по классам нагревостойкости.

Класс нагревостойкости	Y	A	E	B	F	H	C
Рабочая температура, (tр), 0С	90	105	120	130	150	180	>180

 

Холодостойкость – способность изоляции не снижать эксплуатационной надежности при низких температурах (минус 60-70 ^о С) и более низких (криогенных температурах).

Особенно важна холодостойкость для изоляции электрооборудования открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций.

При низких температурах электрические свойства изоляции улучшаются, но материалы гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими, т.е. ухудшаются их механические свойства.

Теплопроводность – способность материалов переносить тепло от более нагретых частей к менее нагретым, что приводит к выравниваю температуры.

Тепловые потери в проводниках и магнитопроводах электрических машин и аппаратов, кабелях передаются в окружающую среду через изоляцию.

От теплопроводности электрической изоляции зависит нагрев электрооборудования, а, следовательно, его срок службы.

Характеристикой теплопроводности является коэффициент теплопроводности (γ_т), Вт/(мК).

Перенос тепла осуществляется свободными электронами, поэтому у металлов коэффициент теплопроводности значительно выше, чем у диэлектриков.

Тепловое расширение – увеличение объема материала при нагреве.

Количественной оценкой данного свойства является температурный коэффициент линейного расширения (ТК_l или α_l), 1/ К.

 

28.Влажностные свойства диэлектриков.

 К влажностным свойствам изоляции относятся: гигроскопичность, влагопроницаемость, тропикостойкость.

 Гигроскопичность – способность изоляционных материалов впитывать влагу из окружающей среды.

Влагопроницаемость – способность материала пропускать через себя пары воды.

Эта характеристика важна для материалов, применяемых в качестве шлангов для кабелей, компаундных заливок, защитных лаковых покрытий.

 Тропикостойкость и тропикализация оборудования – защита электрооборудования от влаги, плесени, грызунов.

 

 

29.Механические свойства диэлектриков.

 К механическим свойствам относятся: механическая прочность, хрупкость, вязкость, вибропрочность.

 В процессе эксплуатации детали из изоляционных материалов подвергаются воздействию механических нагрузок: растягивающих, сжимающих, изгибающих.

 Количественной оценкойспособности материалов выдерживать механические нагрузки без разрушения являются пределы прочности при растяжении σ_р, сжатии σ_с, изгибе σ_и. Единица измерения пределов прочности – паскаль; 1Па=1 Н/м².

Механическая прочность диэлектриков уменьшается с увеличением температуры. Механическая прочность пористых диэлектриков зависит от относительной влажности воздуха.

Способность материалов деформироваться под действием механических нагрузок определяет их пластичность.

Хрупкость –способность диэлектрика разрушаться без заметной пластической деформации.

Хрупкость зависит от структуры диэлектрика и увеличивается при увеличении скорости нарастания механической нагрузки и при воздействии отрицательных температур.

 Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Количественной оценкой вязкости является коэффициент динамической вязкости или коэффициент внутреннего трения – η. Вязкость жидких диэлектриков зависит от температуры.

Вибропрочность – способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций, то есть повторяющихся колебаний определенной частоты и амплитуды.

 

 

30.Химические свойства диэлектриков.

 К химическим свойствам относятся: растворимость, химостойкость, радиационная стойкость, светостойкость, трекингостойкость.

 Растворимость – это свойство важно для подбора растворителей лаков, а также для оценки стойкости изоляционных материалов к действию различных жидкостей, с которыми эти материалы соприкасаются в процессе изготовления изоляции (например, при пропитке лаками) и в эксплуатации (изоляция маслонаполненных трансформаторов и т.п.).

Химостойкость – стойкость к коррозии различными химически активными веществами (кислотами, щелочами, солевыми растворами).

При определении химостойкости образцы материалов на длительное время помещают в условия, близкие к эксплуатационным с точки зрения выбора концентрации химической активности среды.

Радиационная стойкость –способность изоляционных материалов продолжать выполнять свои функции в условиях интенсивного облучения или после радиационного воздействия.

Иногда радиационное воздействие на материалы используют с целью полезного изменения их структуры, улучшения или придания им новых свойств (радиационная сшивка полимеров).

Воздействие радиации приводит к появлению дефектов в структуре материала, которые со временем накапливаются.

Светостойкость – способность диэлектриков сохранять свои эксплуатационные характеристики под действием оптического облучения.

Под действием света и особенно ультрафиолетового излучения происходит ускорение процесса старения некоторых материалов: нефтяные масла, резина, капрон. Некоторые материалы теряют механическую прочность и эластичность, в результате чего в них появляются трещины.

Трекингостойкость –способность диэлектрика сопротивляться образованию проводящих следов (треков) на поверхности материала.

Трекингостойкость показывает насколько диэлектрик способен сопротивляться образованию проводящих треков (дорожек), которые образуются при воздействии дуговых разрядов.

Данная характеристика важна при выборе материалов для изоляции и монтажа электрооборудования наружной установки, а также в помещениях с высокой влажностью.

 

 

31.Классификация проводниковых материалов.