Електропровідність діелектричних матеріалів та діелектричні втрати й пробої в них (стр. 2 из 3)

- іонів самого діелектрика;

- іонів домішок;

- вільних електронів (характерна для сильних електричних полів, переносу речовини не відбувається).

Вид електропровідності визначається експериментально на підставі законів Фарадея. Іонна електропровідність супроводжується переносом речовини. В процесі проходження електричного струму через твердий діелектрик іони домішок, що містяться в ньому частково видаляються, при цьому, як і в рідинах, це супроводжується їх виділенням на електродах.

При іонній електропровідності число дисоційованих іонів та їх рухомість знаходяться в експоненціальній залежності від температури:

, (1)

де n_0max , u _max – максимальні концентрація та рухомість носіїв заряду при Т → ¥; W_В – енергія вивільнення іонів;W_П – енергія переміщення іона, що визначає його перехід з одного неврівноваженого стану в інший.

Використовуючи вираз питомої провідності, який можна одержати з закону Ома:

g = n₀ × q × u ( u – рухливість носіїв заряду, що дорівнює відношенню середньої швидкості направленого руху носіїв заряду до напруженості електричного поля, яка приймається рівною одиниці,

u = υ/Е, [м²/с∙В]),

і вирази (1), та об’єднавши сталі n_0max, u_max, q в один коефіцієнт отримаємо :

де b = (W_В + W_П)/k (чисельне значення коефіцієнта b знаходиться з експериментально отриманої залежності питомої провідності від величини оберненої до температури, для більшості іонних кристалів становить приблизно 10000 [К]). Формула (2) показує, що чим більшими є значення енергії вивільнення та переміщення, тим сильніше змінюватиметься питома провідність зі зміною температури.

Оскільки W_В>W_П, питома електропровідність при зміні температури визначається головним чином зміною концентрації носіїв заряду.

Формула (2) аналогічна формулі , яка характеризує питому електропровідність рідини, але коефіцієнт а відображає рухомість іонів, яка залежить від в’язкості рідини, а коефіцієнт b враховує збільшення числа вільних іонів в твердому діелектрику при збільшенні температури та знаходиться в межах 10 000 ÷ 22 000 [К].

Замінивши у виразі (2) g на 1/r та виконавши ряд перетворень отримаємо залежність питомого об’ємного опору від температури

Температурний коефіцієнт питомого опору є величиною залежною від температури:

В тілах кристалічної будови з іонною решіткою електропровідність пов’язана з валентністю іонів. Кристали з одновалентними іонами характеризуються більшою електропровідністю ніж кристали з багатовалентними іонами. Також в кристалах провідність є неоднаковою для різних його висей (в кварці питомий об’ємний опір становить10¹²[Ом ∙ м] вздовж оптичної вісі та більше 2∙10¹⁴ [Ом ∙ м] поперек неї).

Поверхнева електропровідність твердих діелектриків обумовлена наявністю вологи або інших забруднень на поверхні діелектриків. Питома поверхнева електропровідність твердих діелектриків буде тим нижчою, чим меншою є полярність речовини та відносна вологість повітря, чим чистішою є поверхня діелектрика та чим краще вона відполірована. Найбільш низькими значеннями питомої провідності володіють неполярні діелектрики, поверхні яких здатні відштовхувати воду.

2. Основні поняття про діелектричні втрати (д.в.)

Діелектричними втратами називають електричну потужність, яка споживається діелектриком при знаходженні його під дією (постійного або змінного) електричного поля. Ця потужність розсіюється в діелектрику, перетворюючись в тепло.

Втрати в діелектриках виникають в результаті дії як постійної, так і змінної напруги. При постійній напрузі вони обумовлені наскрізним струмом Інаскр, який залежить від величин об’ємного та поверхневого опорів (r_V, r_S) або обернених до них об’ємної та поверхневої провідності (g_V, g_S) діелектрика та визначають його якість. При змінній напрузі діелектричні втрати обумовлені не тільки наскрізним струмом, а і струмом абсорбції Іабс тому, для їх аналізу використовують інші характеристики, як то:

- кут діелектричних втрат d;

- тангенс кута діелектричних втрат tg d.

Кутом діелектричних втрат називають кут, який доповнює до 90⁰ кут фазового зсуву j між струмом та напругою в ємнісному колі.

Для ідеального діелектрика j = 90⁰, а tg d = 0; d = 0. Чим більша потужність розсіюватиметься в діелектрику, перетворюючись у тепло, тим меншим буде кут фазового зсуву між струмом та напругою j , а відповідно більшими кут діелектричних втрат d та тангенс кута діелектричних втрат tg d.

Шкода від діелектричних втрат – це перегрів діелектрика та додатковий активний опір в коливальних контурах. Недопустимо великі діелектричні втрати в діелектрику можуть привести до його теплового руйнування.

Діелектричні втрати, що пов’язані з поляризацією діелектрика зручно характеризувати кривими залежності заряду на обкладинках конденсатора від прикладеної напруги (рис.2).

При відсутності діелектричних втрат, обумовлених поляризацією, заряд лінійно залежить від напруги і такі діелектрики називають лінійними (рис.2, а). Якщо в лінійному діелектрику спостерігається сповільнена поляризація, яка, як відомо пов’язана з втратами електричної енергії – крива залежності являє собою еліпс (рис.2, б). Для нелінійних діелектриків – сегнетоелектриків крива залежності як і у магнітних матеріалів має вигляд петлі гістерезису (рис.2, в).

Площі еліпса та петлі пропорційні кількості електричної енергії, що споживається діелектриками за один період зміни напруги.

а) б) в)

Рис.2

В технічних електроізоляційних матеріалах виникають також втрати обумовлені наявністю в них ізольованих один від одного провідникових або напівпровідникових сторонніх включень вуглецю, оксидів заліза; вони є значними навіть при малому вмісті цих домішок. При дії значних напруг та особливо на високих частотах втрати в діелектрику виникають внаслідок іонізації наявних в ньому газових включень. Для пояснення діелектричних втрат застосовуються еквівалентні схеми реальних конденсаторів (послідовна та паралельна), що знаходяться під дією змінної напруги та відповідні їм векторні діаграми. Схеми повинні відображати втрати енергії в діелектрику конденсатора та зсув фази між струмом та напругою, як і в реальному конденсаторі. Представлені на рис. 3 послідовна та паралельна схеми будуть еквівалентні, якщо при рівності повних опорів │Z₁│ = │Z₂ │= │Z │ будуть рівними їх активні та реактивні складові. Ця умова буде виконана, якщо зсуви фаз між напругами та струмами φ та значення активної потужності Р в схемах будуть однаковими.

Рис.3

Вираз активної потужності має вигляд:

Ра = U× I× cos j

Для послідовної схеми:

, (1)