Основные виды поляризации диэлектрика

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 9Следующая ⇒

Под действием приложенного электрического напряжения диэлектрик способен поляризоваться, т. е. происходит ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных моментов.

Различают три основные вида поляризации:

1) электронная поляризация – упругое смещение электронных оболочек относительно ядра в атомах диэлектрика. Это мгновенный процесс, происходящий за 10^-15…10^-16 с. Электронная поляризация характерна для всех диэлектриков: полярных, неполярных, с ионной кристаллической решеткой;

2) ионная поляризация представляет собой упругое смещение друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов. Ионная поляризация завершается за 10^-12…10^-13 с.

Электронная и ионная поляризации относятся к быстрым, не релаксационным видам поляризации, совершаются в диэлектриках под действием электрического поля мгновенно и без рассеяния энергии, т. е. без выделения тепла;

3) дипольная поляризация происходит в полярных диэлектриках. Она представляет собой поворот (ориентацию) полярных молекул (диполей). Для ориентации диполя в направлении электрического поля требуется некоторое время релаксации τ. После снятия внешнего поля в течение τ ориентация полярной молекулы под действием теплового движения уменьшается в е раз (е – основание натурального логарифма). Время релаксации прямо пропорционально вязкости диэлектрика и обратно пропорционально температуре.

Так как при повороте диполей в направлении поля ими преодолевается некоторое сопротивление, поэтому дипольная поляризация сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. нагреванием. Дипольная поляризация относится к неупругим, релаксационным поляризациям, нарастает и убывает медленно и завершается за время 10^-1…10^-8 с.

Различают два вида дипольной (релаксационной) поляризации:

– электронно-релаксационная;

– ионно-релаксационная.

Ионно-релаксационная поляризация характерна для твердых диэлектриков, имеющих неплотную упаковку объема частицами.

Способность диэлектрика при нанесении на него электродов и подачи напряжения образовывать емкость характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε.

Диэлектрическая проницаемость ε – важнейший параметр диэлектрика, характеризующий процесс поляризации, который может быть найден по измеренной емкости конденсатора с диэлектриком:

C = ε ε ₀ S/h , (12)

где С – емкость конденсатора, Ф;

ε₀ – электрическая постоянная, ε₀= 8,84 · 10^-12 Ф/м;

ε – диэлектрическая проницаемость;

S – площадь электродов, м ;

h – расстояние между электродами, м.

Диэлектрическая проницаемость ε зависит от интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектриках под действием приложенного напряжения.

Неполярные диэлектрики однородной структуры имеют только электронную поляризацию, поэтому их диэлектрическая проницаемость невелика ε = 1…2,2, т. е. ε ≈ n², где n – показатель преломления света.

Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков определяется постоянным электрическим (дипольным) моментом молекулы и размером молекулы, лежит в пределах от 2 до 80, т. е. ε > n².

Диэлектрическая проницаемость ε зависит от многих факторов: температуры, частоты приложенного напряжения, влажности и других.

Для неполярных диэлектриков имеет место только электронная поляризация. Поскольку электронная поляризация происходит мгновенно, то даже при наиболее высоких частотах, применяемых в современной электро- и радиотехнике, поляризация неполярных диэлектриков успевает полностью установиться за время, которое несравнимо мало по сравнению с полупериодом переменного напряжения. Поэтому диэлектрическая проницаемость ε неполярных диэлектриков не зависит от частоты переменного напряжения (рисунок 15).

1 – фторопласт-4; 2 – полистирол

Рисунок 15 – Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для твердых неполярных диэлектриков

Зависимость диэлектрической поляризации от частоты для полярных диэлектриков показана на рисунке 16. Дипольная поляризация может происходить в переменных полях до определенной частоты. При очень высоких частотах этот вид поляризации не возникает, так как время одного полупериода очень мало и полярные молекулы не могут осуществить свой поворот под действием сил внешнего электрического поля. Диэлектрическая проницаемость с ростом частоты снижается и при высоких частотах определяется только процессом электронной поляризации.

Рисунок 16 – Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для полярного диэлектрика (поливинилацетата) при различных температурах

Температура диэлектрика также оказывает влияние на диэлектрическую проницаемость (рисунки 17–19) для различных диэлектриков.

Рисунок 17 – Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков

Рисунок 18 – Зависимость диэлектрической проницаемости полярного диэлектрика (нитробензола) от температуры при f = 50 Гц

1 – бесщелочное стекло; 2 – обычное стекло

Рисунок 19 – Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для диэлектриков ионного строения при f = 50 Гц

На электронную поляризацию температура оказывает небольшое влияние. Так как неполярные диэлектрики характеризуются только электронной поляризацией, то некоторое уменьшение диэлектрической проницаемости ε неполярного диэлектрика с повышением температуры объясняется уменьшением плотности вещества (см. рисунок 17).

В случае полярных диэлектриков величина диэлектрической проницаемости заметно изменяется с ростом температуры (см. рисунок 18). В твердых полярных диэлектриках возможны все виды поляризации, для них характерны те же закономерности, что и для жидких полярных диэлектриков. Процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков или ориентации отдельных полярных групп молекул. При низких температурах вязкость полярного диэлектрика большая и полярные молекулы не могут ориентироваться в направлении поля (рисунок 18, участок аб). Здесь имеет место только электронная поляризация, и диэлектрическая проницаемость уменьшается. С увеличением температуры вязкость снижается, и полярные молекулы могут осуществить поворот под действием сил электрического поля. На участке бв(см. рисунок 18) происходит процесс дипольной поляризации, и ε возрастает.

При дальнейшем повышении температуры тепловая энергия полярных молекул возрастает, и поворот их уже затрудняется. В результате этого диэлектрическая проницаемость падает. Уменьшение диэлектрической проницаемости ε на участке вг вызвано разориентацией полярных молекул в результате теплового движения.

Твердые кристаллические диэлектрики с плотной упаковкой частиц обладают электронной и ионной поляризацией. С ростом температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов увеличивается (см. рисунок 19). Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается межионное расстояние, которое приводит к ослаблению сил связи между ионами и к увеличению их смещения в электрическом поле.

Пробой твердого диэлектрика

При повышении напряжения, приложенного к слою изоляции сверх допустимого значения, происходит пробой изоляции. Сквозной ток, протекающий через диэлектрик, резко возрастает до 10 А/м , а сопротивление диэлектрика резко уменьшается. При этом в месте пробоя диэлектрика образуется сквозной канал, обладающий большой проводимостью. В месте пробоя возникает искра, а при большой мощности источника – электрическая дуга, под действием которой происходит оплавление, обгорание, растрескивание и подобные изменения диэлектрика и электродов. В пробитом твердом диэлектрике в месте пробоя обнаруживается пробитое, проплавленное, прожженное отверстие – след пробоя. Если к такому образцу твердой изоляции приложить напряжение повторно, то пробой, как правило, происходит при значительно меньших напряжениях. Пробой твердой изоляции в электрической машине, аппарате, кабеле и т. п. означает аварию, выводящую данное устройство из строя.

Пробивное напряжение U_пр электрической изоляции зависит от ее толщины, т. е. расстояния между электродами. Слои одной и той же толщины различных материалов имеют различные значения пробивного напряжения.

Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение его изоляции U_раб должно быть существенно меньше пробивного напряжения U_пр.

Отношение U_пр/ U_раб называют коэффициентом запаса электрической прочности изоляции:

К_зап= U_пр/ U_раб , (13)

где К_зап – коэффициент запаса;

U_пр – пробивное напряжение, В;

U_раб – рабочее напряжение изоляции, В.

Различают четыре вида пробоев твердых диэлектриков:

1) электрический пробой макроскопических однородных диэлектриков;

2) электрический пробой неоднородных диэлектриков;

3) тепловой пробой;

4) электрохимический пробой.

Развитие той или иной формы пробоя зависит от природы твердого диэлектрика, наличия в нем дефектов, примесей и условий определения электрической прочности.

Электрический пробой имеет место при испытаниях на импульсах с длительностью 10^-8…10^-5 с и для него характерными являются следующие признаки:

– отсутствие участка насыщения, характерного для газов и жидкостей;

– при увеличении напряженности ток перед пробоем растет экспоненциально;

– электрический пробой начинается с ударной ионизации, возникающей при больших напряжениях, приложенных к диэлектрику. Процесс ударной ионизации твердых диэлектриков схож с процессом ударной ионизации газов и жидкостей. В результате частых соударений свободных электронов с молекулами или атомами диэлектрика освобождаются все новые электроны, которые создают электронную лавину, пронизывающую твердый диэлектрик по всей его толщине. Пробой объемных образцов происходит в результате формирования одной лавины электронов и завершается в течение 10^-8…10^-7 с. Поэтому при меньших временах выдержки пробой не успевает завершиться и Е_пр растет. Пробой тонких (толщиной 10^-8…10^-5 м) диэлектрических пленок обусловлен формированием многих электронных лавин и поэтому требует более длительного времени 10^-6…10^-5 с. Для того, чтобы в таких пленках образующиеся при пробое электронные лавины приобрели достаточную для пробоя мощность, необходимо увеличить напряженность электрического поля.

При электрическом пробое электрическая прочность мало зависит от толщины диэлектрика, его температуры и частоты приложенного напряжения и, в основном, обусловлена внутренним строением диэлектрика.

При электрическом пробое в однородном поле величина электрической прочности Е_пр больше, чем в неоднородном поле.

Величина Е_пр неоднородных по свойствам диэлектриков зависит от площади электродов. Чем больше площадь электродов, тем большее число дефектов в диэлектрике попадает в объем между электродами. Такое уменьшение электрической прочности характерно для бумаг, картонов, лакотканей, пористых керамик. Наличие газовых включений в твердой изоляции особенно опасно при высоких частотах. Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений (слюда, стекло, тщательно пропитанная бумага).

Электротепловой или тепловой пробой связан с нагревом изоляции в электрическом поле диэлектрическими потерями. Этот вид пробоя происходит в том месте, где наихудшие условия теплоотвода, т. е. нарушается равновесие между теплотой, выделяющейся в диэлектрике, и теплотой, которая отводится в окружающуюся среду. Тепловой пробой твердого диэлектрика развивается следующим образом: на диэлектрик подается напряжение, в нем выделяется теплота потерь и температура его повышается, а это приводит к увеличению потерь. Процесс идет интенсивнее, и в зависимости от природы материала в диэлектрике могут произойти изменения: расплавление, обугливание, прожигание. Собственная электрическая прочность снизится настолько, что произойдет пробой.

Электрическая прочность при тепловом пробое в значительной степени зависит от температуры и уменьшается с увеличением толщины твердого диэлектрика, отвод теплоты от него будет затруднен. Это приводит к перегреву места пробоя, и тепловое разрушение диэлектрика произойдет при меньшей напряженности электрического поля.

При электротепловом пробое пробивное напряжение U_пр зависит от частоты приложенного напряжения, от температуры окружающей среды: при возрастании частоты и температуры U_пр уменьшается; от нагревостойкости материалов пробивное напряжение органических диэлектриков (полистирол) имеет меньшее значение, чем неорганических (керамика, кварц).

Типичная зависимость электрического и электротеплового пробоя от частоты и температуры (рисунок 20).

Электрохимический пробой (старение диэлектрика) – вид медленно развивающегося пробоя, связанного с химическим изменением материала в электрическом поле.

Механизмы электрического пробоя различаются для органических и неорганических диэлектриков.

Рисунок 20 – Зависимость пробивного напряжения от частоты и температуры

Для органических диэлектриков основной причиной старения являются частичные разряды, на переменном напряжении. Под действием частичных разрядов в газовом включении образуются дендриты – древовидные ветвящиеся трубочки, заполненные образующимся в результате разложения полимера газом. С течением времени они пронизывают всю толщу диэлектрика, замыкая электроды заполненными газом каналами, по которым происходит пробой изоляции. Такой механизм пробоя наблюдается в бумажно-масляной изоляции кабелей, в изоляции на основе эпоксидных смол.

Старение неорганических диэлектриков протекает более интенсивно на постоянном напряжении. В процессе ионной электропроводности происходит перенос ионов, т. е. вещества, что приводит к необратимому изменению химического состава материала в объеме образца или изделия. Поэтому Е_пр диэлектрика уменьшается и происходит его пробой.

Электрические свойства основных электроизоляционных материалов, применяемых в электротехнике, приведены в таблице 7.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 1326; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 789 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!