Alma38.ru

Электро Свет
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Техника высоких напряжений — Механизмы электропроводности диэлектрических жидкостей

Техника высоких напряжений — Механизмы электропроводности диэлектрических жидкостей

Транспортировка заряда в диэлектрических жидкостях происходит в основном за счет движения положительных и отрицательных ионов, возникающих в результате диссоциации примесей или продуктов распада жидкости при ее старении, а также наличия электронов, влиянием которых при не слишком высоких напряженностях поля можно пренебречь [8.8, 8.9]. Причиной этого является быстрая рекомбинация появившихся свободных электронов с положительными ионами или прилипание к молекулам и образование отрицательных ионов [8.10]. Поэтому плотность свободных электронов пренебрежимо мала. К ионной проводимости добавляется электрофоретическая, если жидкость содержит примеси в виде суспензии или эмульсии. Частицы этих примесей могут получать заряд от окружающей среды и участвовать в переносе заряда.
Плотность тока J в постоянном поле зависит от заряда q, концентрации п и средней подвижности носителей заряда, а также от напряженности поля Е. Можно записать следующее уравнение: J=qnbE. (8.6)
Если справедлив закон Ома, т. е. отсутствуют насыщение и ионизационные процессы, электропроводность
e=qnb. (8.7)

Подвижность зависит как от значения заряда q, так и от радиуса r носителя зарядов (ионов) и обратно пропорциональна вязкости жидкости, т. е.

(8.8)
где η — вязкость жидкости.
Характерной особенностью жидких диэлектриков является то, что при постоянном напряжении их электропроводность со временем снижается. Приблизительно эту зависимость (рис. 8.5) можно разбить на четыре области.
В области А ток уменьшается вследствие ориентации диполей. Область Б характеризуется движением свободных носителей зарядов в электрическом поле к электродам. Электропроводность в этой области обозначается фактической электропроводностью, так как соответствует измеренной при 50 Гц (см. 8.1.2.4).
Снижение тока в области В объясняется обеднением концентрации быстрых носителей зарядов и образованием объемных зарядов у электродов. В области Г наблюдается стационарный ток, обусловленный непрерывным возникновением ионов за счет диссоциации.
Вследствие температурных зависимостей концентрации носителей заряда и вязкости электропроводность меняется при изменении температуры по закону Ван Гоффа
(8.9)
где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; σο, F— постоянные вещества.
Коэффициент F характеризует энергию активации подвижности носителей зарядов и процессов диссоциации за счет электролитических примесей. Точное разделение влияния подвижности носителей зарядов и их количества на электропроводность изоляционных масел провести, как правило, невозможно.

Рис. 8.5 Электропроводность σ при постоянном напряжении изоляционного масла в зависимости от времени воздействия напряжения [8.11]


Рис. 8.6. Зависимость плотности тока / изоляционной жидкости от напряженности поля Е:
I — линейная область, где справедлив закон Ома; // — область, в которой резко увеличивается плотность тока

Рис. 8.7. Удельное сопротивление р минерального масла при температуре 40 °C в зависимости от содержания воды w
Закон Ван Гоффа справедлив в предположении, что выполняется закон Ома, т. е. отсутствуют насыщение и ионизационные явления. Это предположение о линейной связи плотности тока с напряженностью поля справедливо только до определенных значений напряженностей, зависящих от рода жидкости и наличия примесей. Если напряженность превышает некоторое граничное значение напряженности, то плотность тока начинает быстро возрастать (рис. 8.6).

Такое резкое возрастание плотности тока связано с увеличением концентрации носителей зарядов и начинается при тем меньшей напряженности, чем выше температура жидкости. Для сухого трансформаторного масла при температуре 20 °C оно наблюдается при Е=20 кВ/см, а при температуре 70°C — при Е—8 кВ/см (см. также 8.1.2.4, рис. 8.14). Для конденсаторных изоляционных жидкостей, например для синтетической жидкости финилксилилэтан, при температуре 60 °C начинается быстрый рост тока, а следовательно, и tg δ при Е=50 кВ/см. Поэтому жидкую изоляцию можно рассматривать как слабый электролит, в котором увеличение напряженности поля приводит к образованию новых носителей зарядов за счет диссоциации (эффект Вина [8.12]). К этому процессу добавляется ток, вызванный инжекцией электронов с катода. Процесс инжекции облегчается высокой напряженностью поля у катода, возникающей за счет наложения основного поля и поля положительного объемного заряда [8.10].
Как уже упоминалось, перенос заряда осуществляется в основном благодаря движению ионов, образованных диссоциацией примесей и продуктов распада жидкости при ее старении. Примеси в изоляционном масле, влияющие на электропроводность, могут быть самые разнообразные. Обычно всегда имеются газообразные компоненты и пары воды.

Влияние растворенных газов на электропроводность, а следовательно, на сопротивление утечки не обнаруживается, в то время как сопротивление утечки жидкой изоляции при малом содержании влаги изменяется незначительно, а при большом — весьма существенно (рис. 8.7).

Тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость.

Свойства диэлектрика определяются тангенсом угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемостью. Их значения и зависимости от температуры, частоты и напряжения являются определяющими при использовании того или иного материала, а также служат критерием качества, степени чистоты материала и его состояния в процессе старения.

Основные понятия, определения и схемы замещения изоляции.

Изоляция представляет собой емкость с потерями, а ее характеристики определяются диэлектрической проницаемостью и удельным сопротивлением.
Относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала определяется как отношение емкости конденсатора, диэлектриком которого является рассматриваемый материал, к емкости того же конденсатора, диэлектрик которого заменен вакуумом:

Электрическая постоянная ε0 равна диэлектрической проницаемости вакуума, т. е.

Рис. 8.8. К определению tg δ

Тангенс угла диэлектрических потерь определяется как отношение активной Ра и реактивной Рр мощностей при приложении к конденсатору напряжения U:

Читайте так же:
Розетки для наружного монтажа шнайдер

при этом для изоляции с потерями можно использовать схему с параллельным соединением Р и комплексной емкости С, для которой и рассчитывается tg δ.
Ток через изоляцию в комплексной форме

Таким образом, tgδ складывается из двух составляющих, причем tgδl характеризует потери за счет проводимости (преимущественно ионной), a tgδp — за счет переполяризации молекул диэлектрика.

8.1.2.4. Механизмы электропроводности и поляризации.

Ионная проводимость. Электропроводность за счет движения носителей зарядов (ионная проводимость) при не очень высоких частотах принципиально имеет тот же механизм, что и при постоянном напряжении (см. 8.1.2.1), — перемещение свободных носителей под действием электрического поля. По причинам, указанным в 8.1.2.1, эти процессы в жидкости называют ионной проводимостью. Однако было бы более правильным называть рассматриваемые процессы проводимостью за счет движения носителей заряда, так как при высоких напряженностях ионная проводимость перекрывается током, обусловленным электронными процессами (эффект Вина).
Независимо от рода носителей зарядов электропроводность при переменном напряжении связана с их смещением в переменном поле, а ее значение при 50 Гц совпадает со значением электропроводности спустя 10-2 с после приложения постоянного напряжения (см. рис. 8.5). Поэтому согласно (8.7)
σ

=qnb, т. е. электропроводность определяется зарядом, концентрацией и подвижностью участвующих в переносе частиц и поэтому в диапазоне от одного до нескольких сотен герц не зависит от частоты. Отсюда следует, что для заданного устройства с жидкой изоляцией существует конечное сопротивление R, которое в соответствии

Поляризационные потери. Наряду с потерями за счет проводимости в жидких изоляционных материалах имеют место дополнительные потери при переменном напряжении, учтенные в (8.18) членомЭти так называемые поляризационные потери могут вызываться следующими механизмами.
Отдельные молекулы или атомы в составе молекул колеблются в такт с приложенным напряжением. Аналогичные колебания иногда возникают между ядром и электронной оболочкой, в этом случае речь идет о неполярном веществе. Описанный механизм поляризационных потерь называется деформационной поляризацией.
Другим механизмом потерь является поляризация на граничных поверхностях. В неоднородной, например, частично кристаллизованной среде на границах участков с различными свойствами накапливаются заряды, которые в такт с приложенным напряжением изменяют свой знак. Однако, учитывая структуру жидкостей, этот вид поляризации маловероятен.
Наконец, существует ориентационная поляризация. Она наступает тогда, когда изоляционный материал содержит перманентные диполи. Под перманентными диполями имеются в виду такие молекулы, центры положительных и отрицательных зарядов которых не совпадают. При наложении электрического поля диполи в такт с изменением напряжения в большей или меньшей степени выстраиваются по направлению поля.
В жидкостях доминирующим механизмом является ориентационная поляризация. В соответствии с (8.18) частотная зависимость поляризационных потерь определяется комплексной проницаемостьюкоторая связана с частотой ω уравнением Дебая [8.14]:

ИЛИ
(8.23) где τ — время релаксации соответствующего механизма поляризации; εст — реальная часть комплексной проницаемости в пределах частот вплоть до релаксационной частоты (статическая проницаемость); εr∞ — реальная часть комплексной проницаемости при частотах, существенно больших, чем частота релаксации.
Отсюда получается зависимость tgδp от частоты в виде
(8.24)
В результате можно построить зависимости tgδp, реальной и мнимой составляющих проницаемости от частоты (рис. 8.10).

В соответствии с описанным в 8.1.2.1 эффектом Вина tg δ растет е увеличением напряженности поля, если она превышает некоторую граничную напряженность, в пределах которой еще соблюдается закон Ома. На рис. 8.14,в представлены экспериментальные зависимости tg δ трансформаторного масла от Е. Измерительное устройство в этих экспериментах было выполнено таким образом, чтобы до напряженностей 200 кВ/см не возникало частичных разрядов (чувствительность устройства 0,1 пКл), способных исказить результаты. Очевидно, что повышение как температуры, так и содержания влаги приводит к возрастанию tg δ при меньших напряженностях поля.

Поверхностный ток в диэлектрике

Химия радиоматериалов

Тема I. Диэлектрические материалы

1.1. Поляризация диэлектриков

При описании электрических явлений обычно рассматривают тело из диэлектрика, снабженное электродами, к которым подводится электрическое напряжение, т. е. некоторый участок изоляции. Таким участком может быть электрический конденсатор, изоляция кабеля электрической машины или аппарата и т. п., а также образец диэлектрического материала, специально подготовленный для измерения его электрических параметров.

В любом веществе, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов, всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды в диэлектрике смещаются из своих равновесных состояний: положительные — в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные — в обратном направлении.

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. Качественно интенсивность поляризации диэлектрика определяется поляризованностью Р, равной отношению индуцированного электрического момента объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю:

Поляризованность — векторная величина: ее направление совпадает с направлением электрического момента — от отрицательного заряда к положительному. Так как электрический момент измеряется в [Кл× м], а объем -в [м 3 ], то единицей модуля поляризованности будет [Кл/м 2 ].

Читайте так же:
Этюд розетка для открытой установки с заземлением со шторками

Существует несколько видов поляризации: электронная, ионная, дипольная и миграционная.

1.1.1. Электронная поляризация.

Электронная поляризация — это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации.

Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля — порядка 10 -14 — 10 -15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических.

При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки l, но и возрастает заряд ядра q.

1.1.2. Ионная поляризация.

Ионная поляризация — смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. При этом центры положительных и отрицательных зарядов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние x в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях, вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент рu = qx.

Ионная поляризация устанавливается также за малое время (хотя и большее, чем электронная) — 10 -13 — 10 -14 с.

Ионная поляризуемость больше у тех веществ, где ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, т. е. являются многовалентными.

1.1.3. Дипольная поляризация.

Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Сущность этого метода поляризации заключается в повороте в направлении электрического поля молекул, имеющих постоянный электрический момент.

Диэлектрики можно подразделить на полярные (содержащие постоянные диполи, способные к переориентации) и неполярные (не содержащие ориентирующихся диполей).

В молекулах любого вещества содержатся положительные и отрицательные электрические заряды. Алгебраическая сумма всех зарядов равна нулю, когда вещество не наэлектризовано, т. е. электрически нейтрально. Однако пространственное расположение зарядов в молекуле у каждоговещества различно. Если заменить все положительные заряды молекулы одним суммарным, считая его расположенным в центре тяжести отдельных положительных зарядов, и такое же суммирование провести для отрицательных зарядов, то эти суммарные точечные заряды могут либо не совпадать в пространстве друг с другом, либо совпадать.

В первом случае молекула даже в отсутствие внешнего электрического поля будет представлять собой электрический диполь с отличным от нуля постоянным электрическим моментом рП = ql, где q — суммарный положительный (отрицательный) заряд молекулы; l — расстояние между суммарными зарядами, т. е. плечо диполя. В большинстве случаев постоянный электрический момент молекул полярных веществ рП = 10 -30 — 10 -29 [Кл× м].

Электрический момент молекулы — величина векторная, направленная от отрицательного заряда -q к положительному заряду +q. У неполярных веществ l = 0 и потому рП = 0.

Независимо от электрических свойств о полярности вещества можно судить по строению его молекул. Молекулы имеющие симметричное строение и центр симметрии, неполярны, так как центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы и l = 0 и рП = 0. Несимметричные молекулы полярны.

Более строго дипольную поляризацию можно объяснить как внесение внешним электрическим полем некоторой упорядоченности в положения полярных молекул, непрерывно совершающих хаотические тепловые движения. Следовательно, дипольная поляризация по своей природе связана с тепловым движением молекул, и на нее оказывает существенное влияние температура.

Дипольная поляризация в простейшем виде проявляется в газах, жидкостях и аморфных вязких веществах.

Процесс установления дипольной поляризации после включения диэлектрика под напряжение требует относительно большого времени. Поляризованность РД дипольной поляризации за время t с момента снятия приложенного напряжения уменьшается по экспоненциальному закону:

Постоянную времени этого процесса t называют временем релаксации дипольной поляризации. Если период приложенного переменного напряжения меньше t , то диполи не успевают ориентироваться вслед за полем. Так как τ обычно имеет порядок 10 -6 — 10 -10 с, дипольная поляризация проявляется лишь на частотах не ниже 10 6 — 10 10 Гц.

При понижении температуры t сильно возрастает.

1.1.4. Миграционная поляризация.

Миграционная поляризация наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела.

Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленные — секунды, минуты, часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.

1.2. Электропроводность диэлектриков.

Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала r , тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции — объемный сквозной ток IV — очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности — поверхностный сквозной ток IS. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным:

Читайте так же:
Розетки для короба легранд 80х50

Следовательно проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = IV / U и поверхностной G = IS / U:

Величины обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции — объемным RV и поверхностным RS. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений:

Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики RS вводят понятие удельного поверхностного сопротивления r S.

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения Iсм, плотность которого Jсм = ¶ D / ¶ t. Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник — образец, которое обычно мало. Однако ток продолжает изменяться и после этогочасто в течение минут и даже часов. Медленно меняющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика, называют током абсорбции Iабс.

Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей заряда встречает на своем пути дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все дефекты заполнятся носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток Iскв, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов:

Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика — дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным.

Что такое диэлектрики и где они используются

Диэлектрики — это вещества, которые не проводят электрический ток, до определенной поры. При определенных условиях проводимость в них зарождается. Этими условиями выступают механические, тепловые — в общем, энергетические виды воздействий. Кроме диэлектриков, вещества также классифицируются на проводники и полупроводники.

Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

энергетические диаграммы диэлектрика, проводника и полупроводника

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона — это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” — запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) — то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.

инфографика поляризации диэлектриков

Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих — тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток — поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.

Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ — угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

Читайте так же:
Штепсельные розетки 3 фазные

Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.

виды диэлектрических потерь

Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

И в конце таблица диэлектриков, как же без нее.

электрические характеристики диэлектриков таблица

В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.

Лекция 15


2 чел. помогло.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Электропроводность материалов объясняет зонная теория.

Все вещества состоят из ядер (протоны + нейтроны) и электронов, распределённых по орбитам, которым соответствуют определённые энергетические уровни. У проводников валентные электроны, наиболее удалённые от ядра, довольно свободно переходят от одного атома к другому, что и соответствует большой электрической проводимости. Для этого (то есть перехода на другой уровень) электроны должны возбуждаться, то есть получать добавочную энергию – порциями, квантами. В невозбуждённом состоянии электроны могут иметь только определённые значения энергии, соответствующее энергетическим уровням оболочек атома. Эти уровни образуют полосу – зону, которая заполнена электронами. В атомах есть и другие, «дозволенные» уровни энергии, которые электроны могут занять, если получат дополнительную энергию, например, при нагреве. Связь электронов с атомами в таких случаях является непрочной, и электроны легко меняются местами, то есть передвигаются. Если значения энергии заполненной зоны и зоны проводимости перекрываются, то при незначительном возбуждении электроны будут переходить из заполненной зоны в зону проводимости – то есть материал обладает большой электрической проводимостью, это и есть проводник.

У других материалов между уровнями энергии, соответствующих заполненной зоне и зоне проводимости, имеется промежуточная зона недозволенных уровней (запрещённая зона). Это зона значений энергии, которые электроны данного тела не могут иметь. Если запрещённая зона широка, то есть нужно иметь много энергии для ее преодоления, то для перевода электронов из заполненной зоны в зону проводимости теплового возбуждения недостаточно.

Такие материалы называются диэлектриками, в них переход заметного числа электронов в зону проводимости – случайное явление. В большинстве диэлектриков электропроводность в основном не электронная, а ионная, вызванная движением в электрическом поле свободных ионов, появляющихся вследствие диссоциации примесей и части молекул самого диэлектрика.

^ Основные электрические характеристики диэлектрика:

1) удельное электрическое сопротивление ρv и ρs;

2) диэлектрическая проницаемость Е, относительная – Еr = E/E;

3) тангенс угла диэлектрических потерь — tg δ;

4) электрическая прочность Епр = Uпр : h, В/м.

1. Сопротивление диэлектрика

Способность материала проводить электрический ток называется электрической проводимостью или электропроводностью. Величина ей обратная – электрическое сопротивление.

Если для проводников удельное сопротивление более 10 -9 Ом . м, то для диэлектриков оно более 10 10 ÷ 10 19 Ом . м, поэтому диэлектрики используются как изоляционный материал. Величина сопротивления диэлектриков говорит о том, что сквозной ток проводимости в диэлектриках очень и очень мал. Однако он существует и его тоже надо учитывать.

Ток в диэлектрике, вызванный электропроводностью, называют током утечки. В твёрдых диэлектриках различают два тока утечки – объёмный Iv, идущий через толщу диэлектрика, и поверхностный Is, идущий по поверхности диэлектрика. Сумма этих токов определяет общий ток утечки. Соответственно двум видам токов утечки различают объёмное удельное сопротивление ρv и поверхностное удельное сопротивление ρs. Единица измерения объёмного удельного сопротивления [ρv] – Ом . м. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата поверхности материала, когда постоянный ток подведён к двум противоположным сторонам квадрата: [ρs] = 1 Ом. Тогда единицы измерения удельных проводимостей: объемной – См/м (сименс/м), поверхностной – См (сименс).

Для определения ρv и ρs необходимо разделить в образце диэлектрика токи утечки Iv и Is, замерить их отдельно, по напряжению и току посчитать сопротивление и потом уже рассчитать ρv и ρs. Для этого используется трёхэлектродная схема (см. учебник).

^ 2. Относительная диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость εr показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этом диэлектрике меньше силы взаимодействия этих зарядов в вакууме. Существует также понятие абсолютная диэлектрическая проницаемость:

где εr – безразмерная величина, а εо – диэлектрическая проницаемость вакуума (называется также электрической постоянной, это – коэффициент пропорциональности в законе Кулона, ее значение зависит от системы единиц, в СИ она равна 8,85 . 10 -12 или 8,86 . 10 -12 Ф/м (фарад/метр). Диэлектрическая проницаемость характеризует процесс поляризации диэлектрика во внешнем электрическом поле.

Поляризацией называется смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием приложенного электрического поля. В атомах и молекулах диэлектрика электроны и ионы упруго связаны, в целом они электрически нейтральны. При наложении электрического поля по-разному заряженные частицы атома стремятся к противоположно заряженным электродам, при этом они изменяют своё пространственное положение, они смещаются друг относительно друга (хотя и не намного). При этом частицы превратятся в диполи, то есть материальные частицы, несущие на одном конце положительный, на другом отрицательный заряды, пространственно смещённые на некоторое расстояние и электрически не компенсирующие друг друга.

Читайте так же:
Розетка sony xperia z c6602

Таким образом, под действием электрического поля в изоляторе возникает особый электрический ток в форме пространственно ограниченного перемещения остающихся взаимосвязанными положительных и отрицательных зарядов. Такой ток называется током смещения. Если направление поля остаётся неизменным, ток смещения длится короткое время, затем прекращается. Если поле будет периодически менять свой знак, заряды будут перемещаться то в одну, то в другую сторону, и в диэлектрике всё время будет иметь место ток смещения.

Различают следующие виды поляризации:

1) электронная – смещение электронов внутри атомов (на малые расстояния в пределах данного атома);

2) ионная – образуется смещением ионов во внешнем электрическом поле, если диэлектрик является ионным кристаллом, например, поваренная соль NaCl: (–)←Na + Cl — →(+). Ионы смещаются на небольшие расстояния от положения равновесия.

Эти два вида поляризации называются упругими, так как при исчезновении электрического поля электроны и ионы возвращаются на свои места без необратимого поглощения энергии. Электронная поляризация есть всегда, в любом диэлектрике при его попадании во внешнее электрическое поле, ионная накладывается на электронную (но её может и не быть).

Другие виды поляризации называются неупругими, так как происходят с потерями энергии, которая переходит в тепло).

3) дипольная поляризация – возникает, если молекулы диэлектрика несимметричны и поэтому обладают электрическим дипольным моментом (вода, гидроксильная группа ОН и другие). Без внешнего электрического поля все молекулы-диполи ориентированы по-разному, в целом диэлектрик неполяризован. Во внешнем электрическом поле все молекулы-диполи выстраиваются в направлении поля, на поверхнистях диэлектрика появляются заряды. Поворот молекул происходит с «трением», то есть потерями энергии. Дипольная поляризация добавляется к ионной (если она есть) и электронной (которая есть всегда) поляризации.

4) ионно-релаксационная – в некоторых твёрдых диэлектриках отдельные ионы слабо связаны с другими (из-за примесей, дефектов кристаллической решётки, своей химической природы) и могут быть переброшены внешним электрическим полем.

5) миграционная поляризация – образуется в слоистой, твёрдой изоляции, состоящей из разных диэлектриков.

6) доменная поляризация – присуща сегнетоэлектрикам, веществам, в которых имеется спонтанная поляризация – без наличия внешнего электрического поля в диэлектрике есть области со смещенными электрическими зарядами. Во внешнем электрическом поле они могут переориентироваться, значит, их относительная диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности электрического поля, а также от температуры.

От комбинации разных видов поляризации (то есть от вида диэлектрика) зависит способность материала к поляризации, которая и характеризуется абсолютной диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость определяет ёмкостные свойства диэлектрика, показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с диэлектриком больше ёмкости того же самого конденсатора в вакууме.

^ 3. Тангенс угла диэлектрических потерь

Если на обкладки конденсатора, находящегося в вакууме, подать напряжение U, то на обкладках накопится заряд Qо = Cо . U и между обкладками образуется электрическое поле, напряжённость которого будет E = U/h, В/м .

Если между обкладками поместить диэлектрики, то в диэлектрике возникнут:

1) ток утечки, образующийся свободными зарядами (электронами и ионами примесей и самого диэлектрика), которые движутся к противоположно заряженным электродам под действием кулоновских сил (их величину можно рассчитать по закону Кулона). По пути к электродам носители свободных зарядов сталкиваются с атомами диэлектрика и передают им часть своей энергии, которую сами они получают от внешнего поля – то есть происходит потеря энергии (она превращается в тепловую). Этот ток мал и быстро уменьшается (за 10 -15÷16 с), называется ток утечки или активный ток.

2) ток смещения, образующийся смещением электрических зарядов, носителями которых могут быть связанные электроны, ионы, диполи, домены и т. д., – в самом диэлектрике возникают электрические заряды, которые создают электрическое поле обратного направления, это внутреннее поле ослабляет внешнее электрическое поле, уменьшает его напряженность. Однако U = const, поэтому для компенсации внутреннего электрического поля на обкладки конденсатора «натекает» дополнительный заряд, суммарный заряд Q становится больше заряда в вакууме Qо. Относительная диэлектрическая проницаемость εr = Q/Qо, а так как Q = C . U, то εr = C/Cо — то есть показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с диэлектриком больше Со в вакууме (ε = εr . εо,Ф/м).

Ток смещения образуется перемещением электрических зарядов в пространстве, но «центр тяжести» зарядов остаётся на месте! Смещение электрических зарядов во внешнем электрическом поле называется поляризацией. В зависимости от вида диэлектрика (от его физической природы, химического состава) в нём имеются разные поляризации – упругие и неупругие – поэтому токи смещения в разных диэлектриках будут разными по природе и величине. Если U = const, то оба тока пропадают по окончании установления электрического поля в конденсаторе. Если U = var, то оба тока наблюдаются всё время приложения напряжения: Ic = ω . C . U, где ω = 2πf.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector