Диэлектрики. Общие сведения

Диэлектрики. Общие сведения.

Все вещества по электрическим свойствам условно делятся на три группы – проводники, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочными связями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в их состав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться под влиянием приложенной разности потенциалов. В отличие от диэлектриков в проводниках электрического тока электрические заряды не имеют таких связей, поэтому в проводниках электроны могут свободно перемещаться, создавая явление электрического тока. Практически в диэлектриках в силу ряда причин всегда имеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных перемещаться внутри вещества на большие расстояния. Иными словами, диэлектрики не являются абсолютными непроводниками электрического тока. Однако в нормальных условиях таких зарядов в диэлектриках очень мало, и обусловленный ими электрический ток, называемый током утечки, невелик. Проводимость диэлектриков проводимости проводников. Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие удельную электрическую проводимость не больше 10-7 – 10-8 См/м, проводникам – имеющие проводимость больше 107 См/м. К диэлектрикам относятся все газы (включая пары металлов), многие жидкости, кристаллические, стеклообразные, керамические, полимерные вещества. Поскольку свойства вещества сильно зависят от его агрегатного состояния, обычно рассматривают отдельно физические явления в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.

Свойства диэлектриков.

Влажностные свойства диэлектриков.

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т.е. способны пропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

         Абсолютной влажностью воздуха  оценивают массой (m)  водяного  пара, содержащийся в единице  объема воздуха (м³). Каждой температуре  соответствует определенное значение  абсолютной влажности при насыщении (mнас). Большего количества воды воздух содержать не может, и она выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т.е. растет и давление водяных паров.

         Относительной влажностью воздуха  называют выражаемое в процентах  отношение

За нормальную влажность воздуха (для различных испытаний, для определения свойств гигроскопичных материалов в стандартных условиях увлажнения и т.п.) принимают относительную влажность воздуха j=65%. В воздухе с нормальной влажностью при 20° С содержание водяных паров m=17,3∙0,65=11,25 г/м.

         Вода является сильно дипольным  диэлектриком с низким удельным  сопротивлением порядка 10³-104 Ом∙м. Поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению их электрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенных температурах (30-40º С) и высоких значениях j, близких к  98-100%. Подобные условия наблюдаются в странах с тропическим климатом. В первую очередь воздействие повышенной влажности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении диэлектриков. Для предохранения поверхности электроизоляционных деталей из полярных твердых диэлектриков от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

         При наличии в диэлектрике  объемной открытой пористости  или при неплотной структуре  влага попадает и внутрь материала.

         Влажность материалов. Образец электроизоляционного  материала, помещенный в условиях  определенной влажности и температуры окружающей среды, через неограниченно большое время достигает некоторого равновесного состояния влажности.

Определение влажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий, при которых производится испытание электрических свойств данного материала. Для текстильных и тому подобных материалов устанавливается так называемая кондиционная влажность, соответствующая равновесной влажности материала при нахождении его в воздухе в нормальных условиях. На гигроскопичность материала существенное влияние оказывает строение и химическая природа. Большую роль играют  наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которых проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения.

         Определение гигроскопичности по  увеличению массы увлажняемого  образа хотя и дает некоторое  представление о способности  материала поглощать влагу, но  не полностью отражает степень  изменения электрических свойств  этого материала при увлажнении. В том случае, если поглощенная влага способна образовывать нити или пленки по толщине изоляции, которые могут пронизывать весь промежуток между электродами (или значительную область между промежутками), уже весьма малые количества поглощенной влаги приводят к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределяется по объему материала в виде отдельных, не соединяющихся между собой малых включений, то влияние влаги на электрические свойства материала менее существенно.

         Влагопроницаемость. Кроме гигроскопичности, большое практическое значение  имеет влагопроницаемость электроизоляционных  материалов, т.е. способность их пропускать  сквозь себя пары воды. Эта  характеристика чрезвычайно важна  для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов. Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладает поддающейся измерению влагопроницаемостью.

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других органических диэлектриков дает лишь замедление увлажнения материала, не влияя на величину r после длительного воздействия влажности; это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть.

Тепловые свойства диэлектриков.

К важнейшим свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

     Нагревостойкость.  Способность  электроизоляционных материалов  и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры называют нагревостойкостью. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например по заметному росту tg d или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры (в ° С), при которой появились эти изменения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве (определение "теплостойкости"). Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

     В качестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкости электроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому способу нагревостойкость пластмасс и подобных материалов характеризуют таким значением температуры, при котором  изгибающее напряжение 5 МПа вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этом скорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Для различных диэлектриков по этому получаются следующие численные значения:

     Эбонит – 65-75° C

     Полистирол - 70-85° С

    Гетинакс - 150-180° С

     В качестве примера употребляющегося  в практике способа оценки  температуры размягчения электроизоляционных  материалов можно отметить способ  кольца и шара. Испытуемый материал  заливают в металлическое кольцо  и помещают на него стальной шарик определенного диаметра; отмечается температура, при которой испытуемый материал настолько размягчается, что шарик может его продавить и пройти сквозь кольцо.

     Температурой вспышки называют  температуру жидкости, при нагреве  до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения - еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается.

     Эти характеристики представляют  особый интерес при оценке качества трансформаторного масла, а также растворителей, применяемых в производстве электроизоляционных лаков.

     Если ухудшение качества изоляции  может обнаружиться лишь при  длительном воздействии повышенной  температуры вследствие медленно  протекающих химических процессов, это явление называют тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и т.п. для проверки стойкости электроизоляционных материалов к тепловому старению образцы этих материалов длительно выдерживают при сравнительно невысокой температуре, не вызывающей медленного разрушения материала. Свойства образцов, старевших определенное время, сравнивают со свойствами исходного материала. При прочих равных условиях скорость теплового старения органических и элементоорганических полимеров значительно возрастает с повышением температуры старения, подчиняясь общим закономерностям изменения скорости химических реакций.

Продолжительность старения t связана с абсолютной температурой старения T зависимостью вида

где А и В - величины, постоянные для данного материала и данных условий старения.

     Помимо температуры существенное  влияние на скорость старения  могут оказать изменение давления воздуха или концентрации кислорода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение ускоряется от освещения образца ультрафиолетовыми лучами, воздействия электрического поля, механических нагрузок и т.п.

     Для ряда электроизоляционных материалов, в особенности хрупких, весьма важна стойкость по отношению к резким сменам температуры (термоударам), в результате которых в материале могут образовываться трещины.

     В результате испытаний устанавливается  стойкость материала к тепловым воздействиям, причем она в различны случаях может быть  неодинаковой: например, материал, выдерживающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может оказаться неустойчивым, по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже при более низкой температуры и т.п. как указывалось, испытание на действие повышенной температуры иногда приходится указывать с одновременным воздействием повышенной влажности воздуха или электрического поля.

     Холодостойкость. Во многих случаях эксплуатации важна холодостойкость, т.е. способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах, например от -60 до -70° С. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.

     Теплопроводимость. Практическое значение  теплопроводимости объясняется  тем, что тепло, выделяющееся вследствие  потерь мощности в окруженных  электрической изоляции проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводимость влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к тепловым импульсам. Теплопроводность материалов характеризуют теплопроводностью gт, входящей в уравнение Фурье

где, ∆Pt  - мощность теплового потока сквозь площадку  ∆S, нормальную к потоку , dT/dl - градиент температуры.

     Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К-1 :

Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют, как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот. 

Химические свойства диэлектриков.

Знание химических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации и для разработки технологии.

При длительной работе диэлектрики не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающимися с ними металлов; не реагировать с различными веществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.

     Материалы  в производстве деталей  могут обрабатываться различными химико-технологическими : склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством  материала, преходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов: дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и другие смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой - весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.

Пробой диэлектриков.

Пробой – потеря электрической прочности под действием напряжённости электрического поля – может иметь место как в образцах различных диэлектриков и систем изоляции, так и в электроизоляционных системах любого электротехнического устройства – от мощных генераторов и высоковольтных трансформаторов до любого бытового прибора. Сочетание в системах изоляции материалов, разных по электрической прочности, может приводить к серьёзным осложнениям в эксплуатации самых разнообразных электротехнических устройств, особенно высокого напряжения, где изоляция работает в сильных электрических полях и может возникнуть её пробой.

Причины пробоя бывают различными; не существует по этому единой универсальной теории пробоя. В любой изоляции пробой приводит к образованию в ней канала повышенной проводимости, достаточно высокой, чтобы произошло короткое замыкание в данном электротехническом устройстве, создающее аварийную ситуацию, по существу выводящую это устройство из строя. Однако в этом отношении пробой может проявлять себя в разных системах изоляции по – разному. В твёрдой изоляции, как правило, канал пробоя сохраняет высокую проводимость после выключения, приведшего к пробою напряжения, явление протекает необратимо. В жидких и газообразных диэлектриках вследствие высокой подвижности их частиц электрическое сопротивление канала пробоя восстанавливается вызвавшего его напряжения практически мгновенно.

Определение диэлектрических потерь. Потери в постоянном и переменном электрическом полях

Диэлектрические потери, часть энергии переменного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит в тепло. При изменении значения и направления напряжённости Е электрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину и направление; за время одного периода переменного поля поляризация дважды устанавливается и дважды исчезает. Если диэлектрик построен из молекул, которые представляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанные ионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационная поляризация) требуют определённого времени (время релаксации). В результате максимум поляризации не совпадает во времени с максимумом напряжённости поля, т. е. имеется сдвиг фаз между напряжённостью поля и поляризацией. Благодаря этому имеется также сдвиг фаз между напряжённостью электрического поля Е и электрической индукцией D, который и обусловливает потери энергии We. Переходя к векторному изображению величин, можно сказать, что вектор электрической индукции отстаёт от вектора электрического поля на некоторый угол d, который носит название угла диэлектрических потерь. Когда молекулы или ионы ориентируются полем, они испытывают соударения с др. частицами, при этом рассеивается энергия. Если время релаксации t во много раз больше, чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти не успевает развиться и Д. п. очень малы. При малых частотах, когда время релаксации t значительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и Д. п. также малы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Д. п. имеют максимальное значение, когда выполняется равенство w = 1/t, где w — круговая частота электрического поля: w = 2p/T.

Описанный механизм релаксационных диэлектрических потерь имеет место в твёрдых и жидких диэлектриках, содержащих полярные молекулы или слабо связанные ионы. Величина релаксационных диэлектрических потерь в жидкости зависит от её вязкости, от температуры и от частоты приложенного поля. Для невязких жидкостей (вода, спирт) эти потери проявляются в сантиметровом диапазоне длин волн. В полимерах, содержащих полярные группы, возможна ориентация как отдельных полярных радикалов, так и более или менее длинных цепочек молекул.

В диэлектриках с ионной и электронной поляризацией вещество можно рассматривать как совокупность осцилляторов, которые в переменном электрическом поле испытывают вынужденные колебания, сопровождающиеся рассеянием энергии (рис. 1). Однако если частота электрического поля гораздо больше или меньше собственной частоты осцилляторов, то рассеяние энергии и, следовательно, Д. п. незначительны. При частотах, сравнимых с собственной частотой осцилляторов, рассеяние энергии и Д. п. We велики и имеют максимум при равенстве этих частот w = w0 (рис. 2). При электронной поляризации максимум потерь соответствует оптическому диапазону частот. В диэлектриках, построенных из ионов (например, щёлочно-галоидные кристаллы), поляризация обусловлена упругим смещением ионов и максимум потерь имеет место в инфракрасном диапазоне частот (1012—1013 гц).

Т. к. реальные диэлектрики обладают некоторой электропроводностью, то имеются потери энергии, связанные с протеканием в них электрического тока (джоулевы потери), величина которых не зависит от частоты.

Величина Д. п. в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора, определяется соотношением:

We = U2wC tg d,

где U — напряжение на обкладках конденсатора, С — ёмкость конденсатора, tg d — тангенс угла диэлектрических потерь. Д. п. в 1 см3 диэлектрика в однородном поле Е равны:

We = E2we tg d,

где e — диэлектрическая проницаемость.

Произведение e tg d называется коэффициентом Д. п. Уменьшение величины Д. п. имеет большое значение в производстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большие диэлектрические потери используются для диэлектрического нагрева в электрическом поле высокой частоты.