Электропроводность диэлектриков
ИЗОЛЯЦИОННАЯ ТЕХНИКА
Аннотация.
1.Электроизоляционные материалы.
Основные определения и классификация изоляционных материалов. Нагревостойкость электроизоляционных материалов. Жидкие и полужидкие диэлектрики. Полимерные органические диэлектрики. Электроизоляционные бумаги и картоны. Слоистые электроизоляционные пластмассы. Электроизоляционные составы ( компаунды). Электроизоляционные лакоткани. Электроизоляционные намотанные изделия. Электроизоляционные материалы на основе слюды. Электрокерамические материалы.
2. Электроизоляционные конструкции и изоляторы.
Общие требования к электроизоляционным конструкциям. Общие сведения. Изоляция внешняя и внутренняя. Требования к электрической прочности изоляторов. Электрическая прочность типовых электроизоляционных промежутков. Общие сведения. Газовые промежутки, Воздушные промежутки вдоль поверхности изолятора. Изоляционные промежутки в масле. Промежутки в масле вдоль поверхности твёрдого диэлектрика. Бумажно-масляная изоляция. Электрическая прочность фарфоровых изделий. Расчёты изоляторов. Общие сведения. Расчёт электрических полей. Расчёт механической прочности изоляторов. Расчёт опорного изолятора. Расчёт проходного изолятора. Изоляторы переменного тока высокого напряжения 50 Гц. Назначение и классификация изоляторов. Опорные изоляторы. Проходные изоляторы. Линейные изоляторы. Выводы на 110 кВ и выше. Изоляционные конструкции. Колонки из опорных изоляторов. Гирлянды из линейных изоляторов.
|
|
|
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Лекция 1. Вводная лекция. Общие сведения о строении вещества. Виды связи. Строение и дефекты твёрдых тел. Классификация веществ по электрическим свойствам. Классификация веществ по магнитным свойствам. Диэлектрик в электрическом поле. Электропроводность диэлектриков: газов, жидкостей, твёрдых тел.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА.
Виды связи. Основными элементарными частицами, из которых строятся все известные нам вещества, являются протоны, нейтроны и электроны.
Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, электроны заполняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд ядра. Строение ядра атома, периодичность заполнения оболочки электронами можно находить с помощью таблицы Д.И.Менделеева.
Газы, жидкие и твёрдые тела состоят из атомов, молекул или ионов. Ионами могут быть и группы атомов, потерявших или присоединивших электроны.
Молекулы газов содержат различное число атомов. Одноатомные газы: аргон, гелий, неон. К двухатомным относят: азот, водород, кислород, окись углерода. Молекулы водяного пара и углекислого газа – трёхатомные.
|
|
|
Строение внешних электронных оболочек атомов определяет виды связей. Наибольшее распространение имеют ковалентные и ионные химические связи.
Ковалентная связь возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами (Н2, О2 ,СО ).
Ионная связь определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами.
Металлическая связь приводит к образованию твёрдых кристаллических тел.
Молекулярная связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными и внутримолекулярными связями.
Строение и дефекты твёрдых тел.Кристаллическая решетка – это такое расположение частиц (атомов, ионов, молекул) присущее кристаллическому состоянию вещества, которое характеризуется периодической повторяемостью в трёх измерениях.
Размеры атома и электронная конфигурация его внешних оболочек предопределяют образование каким-либо элементом или соединением данной пространственной решетки.
В электротехнике нашли применение материалы как с упорядоченным, так и неупорядоченным строением.
К дефектам кристаллического твёрдого телка относятся любые нарушения периодич-ности электростатического поля кристаллической решетки: нарушение стехиометрического состава, наличие посторонних примесей, механически напряжённые участки структуры, дополнительные кристаллографические плоскости( дислокации, трещины, поры ) и т. д.
|
|
|
Классификация веществ по электрическим свойствам. Все вещества в зависимости от их электрических свойств относят к диэлектрикам, полупроводникам или проводникам.
Исследование спектров излучения различных веществ в газообразном состоянии, когда атомы расположены относительно друг друга на больших расстояниях, показывает, что для атомов каждого вещества характерны вполне определённые спектральные линии. Это говорит о наличии определённых энергетических состояний (уровней) для разных атомов.
Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбуждённом состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом подвергнется внешнему энергетическому воздействию; при этом он возбуждается. Стремясь прийти к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни, при которых энергия атома минимальна. При переходе газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твёрдого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни( как заполненные электронами, так и незаполненные ) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга.
|
|
|
Диэлектрики – это такие материалы, запрещённая зона которых настолько велика, что электронная электропроводность отсутствует.
Полупроводники – это вещества с узкой запрещённой зоной, которая может быть преодолена с помощью внешних энергетических воздействий.
Проводники – это материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрываются ею. Вследствие этого электроны в металле свободны и могут переходить с уровней напол-ненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием слабой напряжённости приложенного к проводнику электрического поля.
Если извне к полупроводнику будет подведена энергия, достаточная для перемещения электронов через запрещённую зону, то став свободными, электроны смогут перемещаться под действием электрического поля, создавая электронную электропроводность полупроводника.
Процесс перехода электронов в свободное состояние сопровождается и обратным явлением, т.е. возвратом электронов в обратное состояние. В веществе наступает равновесие, т.е. число электронов, переходящих в свободную зону, становится равным числу электронов, возвращающихся обратно в заполненную зону.
С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолютного нуля – убывает вплоть до нуля.
Переход электрона в свободное состояние осуществляется с помощью энергии света, потока электронов и ядерных частиц, электрических и магнитных частиц, механического воздействия и т.п.
Классификация веществ по магнитным свойствам.По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики).
Диамагнетики – это вещества с магнитной проницаемостью меньше единицы, значение которой не зависит от напряжённости внешнего магнитного поля (водород, инертные газы, большинство органических соединений, каменная соль, медь, цинк, серебро, золото, ртуть, висмут, галлий, сурьма).
Парамагнетики – это вещества с магнитной проницаемостью больше единицы, которая не зависит от напряжённости внешнего магнитного поля (кислород, оксид азота, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий платина).
Диамагнетики и парамагнетики имеют магнитную проницаемость, близкую к единице, и по магнитным свойствам в технике применяются редко.
Сильномагнитные материалы обладают очень высокой магнитной проницаемостью, которая зависит от напряжённости магнитного поля (железо, никель, кобальт и их сплавы, сплавы хрома и марганца, гадолиний, ферриты различного состава).
Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация -ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
Любой диэлектрик может быть использован только при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определённых условиях.При напряжениях выше этих предельных значений наступает пробой диэлектрика – полная потеря им диэлектрических свойств.
Пробивное напряжение – напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика.
Электрическая прочность диэлектрика – напряжённость внешнего электрического поля, при котором происходит пробой 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 напряжённость поля. При снятии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. В полярных диэлектриках, содержащих дипольные молекулы, воздействие электрического поля вызывает ещё и ориентацию диполей в направлении поля; при отсутствии поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения.
Любой диэлектрик с нанесёнными на него электродами, включённый в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор с определённой ёмкости.
Относительная диэлектрическая проницаемость – это величина, представляющая собой отношение заряда, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при напряжении, если бы между электродами находился вакуум.
Основные виды поляризации диэлектриков.Остановимся на двух основных видах поляризации диэлектриков:
поляризация под воздействием электрического поля практически мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения теплоты (электронная, ионная);
поляризация, совершаемая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией.
Поляризация происходящая при высоких частотах называется резонансной.
Электронная поляризация – это упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов.
Ионная поляризация присуща твёрдым телам с ионным строением и обусловливается смещением упругосвязанных ионов.
Дипольно-релаксационная поляризация возможна, если молекулярные силы не препятствуют диполям ориентироваться вдоль поля. Дипольная поляризация свойственна полярным газам и жидкостям.
Ионно-релаксационная поляризация имеет место в неорганических стёклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов.
Электронно-релаксационная поляризация отличается от электронной и ионной и возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных электронов или дырок. Она характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью; например диоксид титана с анионными вакансиями.
Миграционная поляризация – это дополнительный механизм поляризации, проявляющийся в твёрдых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей.
Классификация диэлектриков по виду поляризацииДиэлектрики подразделяются на несколько групп.
Первая группа – диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией, например неполярные и слабополярные твёрдые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях ( парафин, сера, полистирол) а также неполярные и слабополярные жидкости и газы ( бензол, водород и др.).
Вторая группа – диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями.
Третья группа – твёрдые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризациями.
Четвёртая группа – сегнетоэлектрики, обладающие спонтанной, электронной, ионной и электронно-ионно-релаксационной поляризациями (сегнетовая соль, титан бария и др.).
Диэлектрическая проницаемость газовГазообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами.
Резюме: диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице.
Поляризация газа может быть чисто электронной или же дипольной, если молекулы газа полярны, однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация.
Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриковЖидкие диэлектрики могут быть построены из неполярных молекул или из полярных (дипольных). Значения диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелики и близки к значению квадрата показателя преломления света.
Зависимость диэлектрической проницаемости неполярной жидкости от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объёма. Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объёма.
Диэлектрическая проницаемость твёрдых диэлектриковДиэлектрическая прони-цаемость твёрдых тел зависит от структурных особенностей твёрдого диэлектрика. В твёрдых телах возможны все виды поляризации. Для твёрдых неполярных диэлектриков характерны те же закономерности, что и для неполярных жидкостей и газов. Твёрдые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диэлектрическую проницаемость, изменяющуюся в широких пределах.
Твёрдые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упа-ковкой частиц (например, электротехнический фарфор), в которых наблюдается, помимо электронной и ионной, также и ионно-релаксационная поляризация, характеризуются в большинстве случаев сравнительно невысоким значением диэлектрической проницаемости и большим положительным температурным коэффициентом.
Полярные органические диэлектрики обнаруживают дипольно-релаксационную поляризацию в твёрдом состоянии. К таким диэлектрикам относятся целлюлоза и продукты её переработки, полярные полимеры. Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается также у льда. Диэлектрическая проницаемость указанных материалов в большой степени зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются для полярных жидкостей.
Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков велика и имеет резко выражен-ную зависим ость от напряжённости поля и от температуры.
Электропроводность диэлектриков.
Основные понятия. Токи смещения в диэлектриках создаются при протекании во времени поляризационных процессов смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния.
Электропроводность изоляционных материалов зависит от состояния вещества: газообразное, жидкое или твёрдое, а также зависит от температуры и влажности окружающей среды. Определённое влияние на проводимость диэлектриков оказывает напряжённость поля в образце, при которой проводится измерение.
Электропроводность газовГазы при небольших значениях напряжённости элек-трического поля обладают очень малой проводимостью. Ток в газах возникает только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа происходит или под воздействием внешних факторов( рентгеновские лучи, ультра-фиолетовые лучи, космические лучи, радиоактивное излучение, а также нагрев газа) или при соударении заряженных частиц с молекулами.
В разреженных газах электропроводность создаётся за счёт ионов, образующихся в результате соударения заряженных частиц с молекулами газа. Кинетическая энергия заряженных частиц, полученная от электрического поля, достигает значительной вели-чины.
Самостоятельная электропроводность в слабых полях не возникает из-за отсутствия ударной ионизации.
Рекомбинация- образование нейтральных молекул в процессе соединения положи-тельных ионов с отрицательными частицами. Это является препятствием безгранич-ному росту числа ионов в газе.
Электропроводность жидкостей Электропроводность жидких диэлектриков зависит от строения молекул.
Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей существенно повышает их удельное сопротивление. При длительном пропускании электрического тока через неполярный жидкий диэлектрик имеет место возрастание сопротивления за счёт переноса свободных ионов к электродам (электрическая очистка). С увеличением температуры возрастает подвижность ионов в связи с уменьшением вязкости и может увеличиваться степень тепловой диссоциации. Проводимость повышается.
Электропроводность твёрдых тел Электропроводность твёрдых тел определяется интенсивностью передвижения ионов самого диэлектрика и ионов случайных приме-сей, а у некоторых материалов вызвана наличием свободных электронов. Ионная элек-тропроводность сопровождается переносом вещества, а при электронной электропро-водности этого не наблюдается.
Электропроводность твёрдых диэлектриков ионного строения обусловлена перемеще-нием ионов, освобождаемых под влиянием флуктуаций теплового движения.
Электропроводность диэлектриков с атомной или молекулярной решеткой связана только с наличием примесей.
Поверхностная электропроводность твёрдых диэлектриков –Влага и загрязнения на поверхности диэлектрика вызывают поверхностную электропроводность. Вода обладает высокой удельной проводимостью.
Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Неполярные диэ-лектрики обладают более высокими значениями удельного сопротивления по сравне-нию с полярными.
Зависимость удельной поверхностной проводимости от влажности обусловливается наличием на поверхности диэлектрика диссоциирующих на ионы веществ, вода, адсор-бируемая поверхностью, способствует их выявлению.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислите виды поляризации и их особенности.
2. Какие виды поляризации характерны для твёрдых тел, жидкостей и газов?
3. Какими параметрами оценивают электропроводность диэлектриков?
4. Основные механизмы электропроводности газов, диэлектрических жидкостей и твёрдых диэлектриков.
5. Чем обусловливается поверхностная электропроводность твёрдых диэлектриков?
Лекция 2. Основные определения и классификация изоляционных материалов. Нагревостойкость электроизоляционных материалов. Жидкие и полужидкие диэлектрики. Полимерные органические диэлектрики. Диэлектрические потери: в газах, в жидкостях, в твёрдых телах. Пробой диэлектриков: в газах, В жидкостях, в твёрдых телах.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 1570; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!