Питомий електроопір р та електрична міцність Ечін деяких твердих діелектриків, які застосовуються як електроізоляційні матеріали

Тема: Електропровідність діелектриків

Лекція № 11

Мета: Вивчити електропровідність діелектриків

Методи: словесний

План:

1 Електропровідність діелектриків

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Електропровідність. Якзазначалося раніше, діелектрики - ре­човини, які погано проводять струм. У будь-якій речовині в елек­тричному полі електрони і ядра атомів зазнають дії сил з його боку. Внаслідок цього частина зарядів спрямовано переміщуєть­ся на значні відстані й утворює електричний струм, а частина зарядів перерозподіляється в межах молекул так, що центри ваги додатних і від'ємних зарядів зміщуються один відносно одного, викликаючи поляризацію діелектрика. Залежно від того, який з цих двох процесів - електропровідність чи поляризація - перева­жає, речовини ділять на ізолятори і провідники.

Кількісна різниця в електропровідності діелектриків і металів з точки зору класичної фізики полягає в тому, що в металах наяв­ні вільні електрони, а в діелектриках всі електрони зв'язані, тобто належать окремим атомам. Електричне поле не відриває ці елек­трони, а тільки дещо зміщує їх у межах окремих атомів. Таке по­яснення не точне. Згідно з квантомеханічною теорією тверде тіло як з діелектрика, так і з металу являє собою наче "гігантську молекулу", в якій кожен електрон належить всьому кристалу. Причиною відмінної поведінки електронів у металі і діелектрику є різний характер розподілу електронів на рівнях енергії.

Електропровідність діелектриків мала, але завжди відмінна від нуля (табл.5.1).

Таблиця 5.1

Діелектричний матеріал	р, Ом-см	Еміи, В/см
Кварцове скло	1016-1018	2- 3-Ю5
Поліетилен	1015-1016	4-Ю5
Слюда	1014-1016	1 - 2-Ю6
Електрофарфор	1О13-1О14	3-Ю5
Мармур	108-109	2-3-105

Носіями струму в діелектриках є електрони та іони. Електро­провідність діелектриків зумовлена тими ж причинами, що й елек­тропровідність напівпровідників. У звичайних умовах електро­нна провідність діелектриків мала порівняно з іонною. Іонна про­відність спричинюється переміщенням як власних іонів, так і до-мішкових.

Можливість переміщення іонів по кристалу тісно пов'язана з дефектністю кристала. Якщо, наприклад, у кристалі наявні ва­кансії (незайняті іонами вузли ґратки), то під дією поля іон може перескочити на сусіднє з ним вакантне місце, а на місці цього іона утворюється нова вакансія. У цю новоутворену вакансію може перескочити інший іон, тобто відбувається упорядкований у напрямку поля рух вакансій, який приводить до перенесення заряду через весь кристал і виникнення струму.

Переміщення іонів може відбуватися і по міжвузловому прос­торі. Підвищення температури спричинює збільшення кількості іонів у цьому просторі і зумовлює зростання провідності. Суттє­вий вклад у загальну провідність може внести також поверхнева провідність.

Об'ємна і поверхнева електропровідність. Загальний опір тіла з постійним поперечним перерізом s і довжиною l визначається за формулою:

де — питомий об’ємний опiр матерiалу,

У системі СІ питомий опір визначається в Ом∙м.

1 Ом-м = 100 Ом-см = 10⁶ Ом-мм²/м = 10⁶мкОм-м = 10⁸мкОм-см.

Для вивчення електропровідності твердого діелектричного матеріалу зразок з цього матеріалу розміщують між: двома ме­талічними електродами, до яких підводиться електрична напру­га (рис. 5.27). Струм витікання I, який проходить крізь товщу ма­теріалу і стабілізується за достатньо великий проміжок часу піс­ля включення зразка під постійну напругу U, також є постійним.

Електроопір Я_із, поміщено­го між електродами відрізка ізоляції становить:

, (5.4)

Провідність ізоляції .-величина, обернена :

, См. (5.5)

Крім об'ємної провідності
ізоляції G, яка кількісно визначає можливість протікання струму через товщу ізоляції, необхідно враховувати також поверхневу провідність ізоляції,яка характеризує можливість протікання струму по зволоженій і забрудненій по­верхні діелектрика.

Поверхневий і об'ємний R опори ізоляції, а також поверхне­вий і об'ємний І струми визначають за формулами:

З рис. 5.27 видно, що

Так що

Або

Тобто опір ізоляції визначається як результуюча двох опорів, увімкнених паралельно один до одного між електродами [об'є­много і [поверхневогоопорів.

Величина питомого електроопору діелектрика залежить від наявності ► домішок, ► вологості, ► температури, ► значення при­кладеної напруги та ін. Найбільший вплив на питомий опір гігрос­ копічних діелектриків, тобто таких, які здатні поглинати воло­гу, має поглинута діелектриком волога. Присутність навіть малої кількості вологи може значно зменшити питомий опір діелект­рика. Це пояснюється тим, що розчинені у воді домішки дисоцію­ють на іони. Діелектрична проникність води висока і сприяє дисо­ціації молекул самого діелектрика. Тому умови роботи електри­чної ізоляції погіршуються при її зволоженні.

Особливо сильно знижується при зволоженні волокнистих матеріалів, в яких волога може утворювати суцільні плівки на поверхні волокон і утворювати електропровідні канали, які про­низують весь діелектрик від одного електрода до іншого. Для за­хисту гігроскопічних матеріалів від дії вологи ці матеріали про­сочують або покривають не гігроскопічними лаками, компаунда­ми тощо, які значно зменшують або унеможливлюють зволоження матеріалу. Волога не знижує суцільних негігроскопічних мате­ріалів.

Поверхневі шари електричної ізоляції, твердих діелектриків завжди зволожуються і забруднюються, і в них з'являється поміт­на поверхнева електропровідність, яка характеризується питомим поверхневим опором . У металічних провідниках поверхневі стру­ми у зволоженому шарі надзвичайно малі порівняно з об'ємними і тому не враховуються.

Поверхневий питомий опір ділянки поверхні твердого діелект­рика між паралельними окрайками електродів довжиною b, розміще­ними на відстані а одна від одної (рис. 5.28), прямо пропорційний величині a і обернено пропорційній величині а:

Розмірністьспівпадає з роз­мірністю опору, тому що величи­на Я виражається в омах, а відно­шення b/а безрозмірне. Враховую­чи, що р₅є опір умовного квадра­та будь-якого периметра (величи­ни) на поверхні діелектрика, якщо струм тече з однієї сторони квадрата до протилежної, то за a=b отримуємо.

Література:

1 Конструкционные и электротехнические материалы: Учеб. для учащихся электротехн. спец. /В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990 2 Кузьмин Б.А., Самохацкий А.И. Металлургия, металловедения и конструкционные материалы. – М.: Высш. шк., 1984 3 Корицкий В.И. Электротехнические материалы. – Энергия. 1978 4 Электротехнические материалы. Справочник. Под ред. В.А. Березина. –М.: Энергоатомиздат, 1983