Электропроводность диэлектриков
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРИСТИК ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
по курсу «Материаловедение»
для студентов специальностей
140205, 140211, 140604, 140605, 140606, 140607, 140608, 210106
очной, очно-заочной, заочной форм обучения
Нижний Новгород 2011
УДК 621.313
Составители: А.В. Богатырева, И.А. Захаров, Е.А. Флаксман
Изучение свойств и характеристик диэлектрических материалов: методические указания к лабораторной работе для студентов специальностей 140205, 140211, 140604, 140605, 140606, 140607, 140608, 210106 очной, очно-заочной, заочной форм обучения / НГТУ; Сост.: А.В. Богатырева, И.А. Захаров, Е.А. Флаксман - Н. Новгород.2011. - 22с.
Даются описание лабораторных установок, порядок выполнения работы, задания и краткие сведения из теории.
Научный редактор А.И.Чивенков
Редактор Э.Б. Абросимова
Подп. к печ. . .2011. Формат 60х84I /16. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ.л. . Уч.-изд. л. . Тираж 300 экз. Заказ .
___________________________________
Нижегородский государственный технический университет.
Типография НГТУ. 603600, Н. Новгород, ул.Минина, 24.
© Нижегородский государственный
технический университет
им. Р.Е. Алексеева, 2011
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Определить удельное электрическое сопротивление, емкость, диэлектрическую проницаемость, диэлектрические потери и электрическую прочность твердых диэлектриков.
ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация — ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика. В нагреве технического диэлектрика могут участвовать содержащиеся в нем немногочисленные свободные заряды, обусловливающие возникновение под воздействием электрического напряжения малого сквозного тока, проходящего через толщу диэлектрика и по его поверхности. Наличие сквозного тока объясняется явление электропроводности технического диэлектрика, численно характеризуемой значениями удельной объемной электрической проводимости и удельной поверхностной электрической проводимости, являющимися обратными соответствующим значениям удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений.
Любой диэлектрик может быть использован только при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях. При напряжениях выше этих предельных значений наступает пробой диэлектрика — полная потеря им диэлектрических свойств.
Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности внешнего однородного электрического поля — электрической прочностью диэлектрика.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Под влиянием электрического поля связанные электрические заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля. При снятии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. В полярных диэлектриках, содержащих дипольные молекулы, воздействие электрического поля вызывает еще и ориентацию диполей в направлении поля; при отсутствии поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения.
Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включённый в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости.
Заряд конденсатора, как известно, равен
Q = CU,
где С - емкость конденсатора; U - приложенное напряжение.
Заряд Q при заданном значении приложенного напряжения слагается из заряда Q0, который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и заряда Qд, который обусловлен поляризацией диэлектрика, фактически разделяющего электроды:
Q = Qo + Qд.
Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость . Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду Q0, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:
.
электропроводность диэлектриков
Отличительным свойством диэлектриков, используемым в электроизоляционной технике, является очень слабая способность проводить электрический ток. Низкая электропроводность диэлектриков обусловлена тем, что при обычных условиях (низких температурах и напряженностях электрического поля) в них имеется весьма малое количество носителей заряда по сравнению с проводниками и полупроводниками. По своему характеру электропроводность диэлектриков является главным образом ионной.
Под действием приложенного постоянного напряжения через электрическую изоляцию протекает ток утечки, который состоит из объемного и поверхностного токов. Объемный ток проходит через внутренние области изоляции и обусловлен величиной объемного сопротивления Rv. Поверхностный ток утечки проходит через поверхностные слои изоляции и обусловлен величиной поверхностного сопротивления изоляции Rs. Понятие поверхностного сопротивления вводят применительно к твердой изоляции, так как в результате внешних воздействия внешних загрязнений, например, влаги, электропроводность наружных слоев изоляции может быть значительно большей по сравнению с проводимостью внутренних областей. В таких случаях низкое значение электрического сопротивления изоляции определяется большим поверхностным током утечки.
Для оценки качества диэлектриков с точки зрения их способности препятствовать прохождению через них электрического тока пользуются такими характеристиками как удельное объемное сопротивление rv и удельное поверхностное сопротивление rs, которые являются величинами, обратными удельной объемной проводимости gv и удельной поверхностной проводимости gs.
При повышении температуры удельные сопротивления электроизоляционных материалов уменьшаются. У твердых диэлектриков это явление объясняется главным образом увеличением числа носителей заряда при нагревании. Для ограниченного интервала температур зависимость удельного объемного сопротивления от температуры достаточно точно выражается формулой
где - удельное объемное сопротивление при температуре t°,C;
- удельное объемное сопротивление при температуре 0°С;
α - коэффициент, зависящий от природы материала, характеризующий скорость снижения сопротивления диэлектрика с ростом температуры.
Сопротивление диэлектриков в ряде случаев зависит также от величины приложенного напряжения, уменьшаясь при ее возрастании. Эта зависимость обнаруживается при неплотном прилегании электродов к поверхности изоляции. Она также наблюдается и у пористых материалов в результате перераспределения влаги в капиллярах под действием приложенного напряжения, а также в случае образования объемных зарядов в диэлектрике, создающих электродвижущую силу высоковольтной поляризации. Следует отметить, что здесь подразумеваются такие напряжения, значения которых далеки от пробивного напряжения изоляции.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Диэлектрическими потерями Рд называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.
Диэлектрические потери зависят от электрического тока, проходящего в диэлектрике, помещенном в электрическом поле.
Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения, в диэлектриках. Токи смещения упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они протекают в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.
Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов. Ток утечки в техническом диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции
Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями. Чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле используют эквивалентную электрическую схему замещения диэлектрика в электрическом поле. В такой схеме емкостные элементы имитируют процессы поляризации, а активные сопротивления отражают потери при поляризации и протекании сквозного тока соответственно.
Рис.1. Векторная диаграмма для определения угла диэлектрических потерь диэлектрика в электрическом поле
На основе электрической схемы замещения строится векторная диаграмма токов и напряжении диэлектрика (рис.2), в которой I1 – емкостной ток, обусловленный мгновенными видами поляризации, не вызывающий нагрев диэлектрика; I2’ – емкостной ток, обусловленный замедленными видами поляризации, не вызывающий нагрев диэлектрика; I2” – активный ток, обусловленный замедленными видами поляризации, вызывающий нагрев диэлектрика; I3 – сквозной ток в диэлектрике, вызывающий нагрев диэлектрика
По векторной диаграмме определяется угол диэлектрических потерь θ, который характеризует количества тепла, выделяющегося в диэлектрике. Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига φ между током и напряжением в емкостной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлектрических потерь θ будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига φ и тем больше угол θ и его функция tgθ.
Тангенс угла диэлектрических потерь имеет важное значение, т.к. его величина прямопропорциональна диэлектрическим потерям. С ростом частоты нагрев диэлектрика увеличивается, а это значит, что в высоковольтной и высокочастотной технике необходимо применять диэлектрики с низким значением tgθ (порядка 10-5). Кроме того, конденсатор с диэлектриком, имеющим большое значение tgθ, ухудшает добротность колебательного контура.
отсюда .
Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором использован данный диэлектрик, а, следовательно, и величину затухания.
Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества. Диэлектрические потери могут обусловливаться сквозным током и активными составляющими токов смещения.
В технических электроизоляционных материалах, помимо потерь от сквозной электропроводности и потерь от замедленной поляризации, возникают диэлектрические потери, которые сильно влияют на электрические свойства диэлектриков. Эти потери вызываются наличием изолированных друг от друга посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, оксидов железа; они значительны даже при малом содержании таких примесей в электроизоляционном материале.
При высоких напряжениях потери в диэлектрике возникают вследствии ионизации газовых включений внутри диэлектрика, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|