Електропровідність діелектричних матеріалів та діелектричні втрати й пробої в них (стр. 1 из 3)

ЖИТОМИРСЬКИЙ ВІЙСЬКОВИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ С.П. КОРОЛЬОВА

НАЦІОНАЛЬНОГО АВІАЦІЙНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Електропровідність діелектричних матеріалів та діелектричні втрати й пробої в них

Житомир 2008

План

1. Основні поняття з електропровідності діелектриків

2. Основні поняття про діелектричні втрати

3. Загальна характеристика явища пробою

1. Основні поняття з електропровідності діелектриків

Всі діелектричні матеріали під впливом напруги пропускають дуже незначний струм, що має назву струму витікання. Чим меншої величини є цей струм тим меншою є електропровідність діелектрика, тобто вище його якість.

Поляризаційні процеси зміщення зв’язаних зарядів в речовині до моменту встановлення стану рівноваги, протікають у часі, створюючи струми зміщення в діелектриках.

Струми зміщення пружно зв’язаних зарядів при електронній та іонній поляризації є настільки короткочасними, що зафіксувати їх приладами дуже важко.

Струми зміщення різних видів сповільненої поляризації, що спостерігаються у більшості технічних діелектриків, називаються абсорбційними струмами, які при:

- постійній напрузі, протікають лише в момент вмикання та вимикання напруги, при цьому змінюючи свій напрямок;

- змінній напрузі, протікають на протязі всього часу знаходження діелектричного матеріалу під дією змінного електричного поля.

Наявність в технічному діелектрику невеликої кількості вільних зарядів приводить до виникнення незначних за величиною об’ємного та поверхневого наскрізних струмів

J наскр = J наскр _V+ J наскр _S .

Повна щільність струму витікання в технічному діелектрику є сумою щільностей наскрізного струму та струму абсорбції:

J вит = J наскр + Jабс

Щільність струму зміщення Jзм визначається швидкістю зміни вектора електричного зміщення (індукції) D:

,

що обумовлений миттєвими (електронними, іонними) та сповільненими зміщеннями зарядів.

Залежність струму через діелектрик від часу показана на рис. 1.

Рис. 1.

Як видно з рисунку, після завершення процесів поляризації через діелектрик протікає лише наскрізний струм.

Провідність діелектрика при постійній напрузі визначається тільки наскрізним струмом, що супроводжується виділенням та нейтралізацією зарядів на електродах. При змінній напрузі активна провідність визначається як наскрізним струмом так і активними складовими абсорбційного струму. Особливістю електропровідності діелектриків у більшості випадках є її неелектронний (іонний) характер.

Опір ізоляції діелектрика Rіз, що визначає величину наскрізного струму, може бути розрахований за формулою:

де U – величина прикладеної до діелектрика напруги; S Іабс – величина сумарного струму абсорбції, І вит – величина струму витікання.

Для того щоб не склалося невірного уявлення про велику електропровідність діелектрика, при розрахунку його опору ізоляції величину струму крізь нього вимірюють через одну хвилину після вмикання джерела напруги. При цьому через діелектрик буде протікати тільки один струм - наскрізний.

Для аналізу твердих електроізоляційних матеріалів розрізняють об’ємну та поверхневу електропровідності.

Для порівняльної оцінки об’ємної та поверхневої електропровідності різних матеріалів користуються значеннями питомих об’ємногоr_V та поверхневого r_S опорів, а також обернено пропорційних їм питомих об’ємної g_V та поверхневої провідності g_S.

Питомий об’ємний опір r_V дорівнює об’ємному опору куба з ребром в 1 [м], подумки вирізаного з діелектричного матеріалу, що досліджується (якщо струм проходить крізь куб, від однієї його грані до протилежної), помноженому на 1 [м].

,

де: R_V - об’ємний опір зразка матеріалу, [Ом];

S – площа електрода, [м²];

h – товщина зразка, [м].

Питома об’ємна провідність g_V вимірюється в [См/м].

Питомий поверхневий опір r_S дорівнює опору квадрату (будь-яких розмірів), подумки виділеного на поверхні матеріалу, якщо струм проходить через квадрат від однієї його сторони до протилежної.

[Ом],

де: R_S – поверхневий опір зразка діелектрика, [Ом];

d – ширина електроду, [м];

ℓ – відстань між електродами, [м].

Питома поверхнева провідність g_S вимірюється в [См].

Повна провідність твердого діелектрика, яка відповідає його опору ізоляції, складається з об’ємної та поверхневої провідності g = g_{V +} g_S.

Електропровідність ізоляційних матеріалів залежить від:

стану речовини (газоподібний, рідинний або твердий);

параметрів навколишнього середовища (вологості і температури);

величини напруженості електричного поля в зразку.

Для конденсаторів добуток опору ізоляції діелектрика R_із на його ємність С називають постійною часу саморозряду конденсатора:

або t₀ = Rіз × С = r × e₀ × e_r

Електропровідність газів

Іонізація нейтральних молекул газу виникає або під впливом зовнішніх факторів, або внаслідок зштовхування заряджених частинок з молекулами (в розріджених газах). Зовнішніми факторами, які здатні викликати іонізацію газу є:

- рентгенівські, ультрафіолетові, космічні, радіоактивні промені;

- температурний вплив (сильний розігрів газу).

Електропровідність газу, яка обумовлена дією зовнішніх іонізаторів, називається несамостійною. При іонізації газу, яка обумовлена зовнішніми факторами, відбувається розщеплення молекул на позитивні та негативні іони. Одночасно відбувається з’єднання позитивних іонів з негативними частинками, в результаті чого створюються нейтральні молекули. Цей процес називається рекомбінацією, наявність якої перешкоджає безмежному росту кількості іонів в газі. Ударна іонізація виникає в газах, коли кінетична енергія заряджених частинок, що набувається під впливом електричного поля, досягає достатньо великих значень. Електропровідність газу, яка обумовлена ударною іонізацією, носить назву самостійної. В слабких полях ударна іонізація відсутня і самостійної електропровідності не спостерігається.

Для повітря напруженість електричного поля, при якій виникає ударна іонізація становить

Еі » 10⁵÷ 10⁶ [В/м].

Електропровідність рідин

Електропровідність рідинних діелектриків тісно пов’язана з будовою молекул рідини. У неполярних рідинах (не містять електричних диполів, здатних до переорієнтації у зовнішньому електричному полі) електропровідність залежить від наявності дисоційованих домішок (дисоціація – розщеплення), у тому числі вологи. У полярних рідинах (містять електричні диполі, здатні до переорієнтації у зовнішньому електричному полі) електропровідність визначається не тільки домішками, але й дисоціацією молекул самої рідини.

Струм в рідині обумовлюється, як рухом іонів, так і рухом відносно великих заряджених колоїдних часток. Неможливість повного видалення здатних до дисоціації домішок з рідинного діелектрика ускладнює отримання електроізоляційних рідин з малими значеннями питомої електропровідності. Полярні рідини характеризуються більшою електропровідністю, ніж неполярні, причому зростання діелектричної проникності приводить до збільшення електропровідності. Багатополярні рідини відрізняються достатньо великою електропровідністю і можуть розглядатися не як діелектрики, а як провідники з іонною електропровідністю. Очищення рідинних діелектриків від домішок суттєво підвищує їх питомий опір (зменшує питому електропровідність). Питома електропровідність будь-якої рідини суттєво залежить від температури. З ростом температури рухливість іонів u зростає у зв’язку зі зменшенням в’язкості

та збільшується ступінь теплової дисоціації. Обидва фактори підвищують електропровідність рідинних діелектриків.

Математично питому провідність рідинного діелектрика можна записати у вигляді виразу:

де А та а – постійні величини, що характеризують певну рідину.

Для неширокого інтервалу температур:

де g₀ та a - постійні величини, що характеризують певну рідину; t – температура, ^оС.

Залежність питомої провідності рідини від її в‘язкості описується аналітичним виразом

де n₀ – концентрація носіїв зарядів в рідині; q – заряд носія; r – радіус носія заряду; η – в’язкість речовини.

Електропровідність твердих тіл

Електропровідність твердих тіл обумовлена рухом: