Общие сведения о диэлектриках.

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризовываться в электрическом поле.

В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. Происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация.

Диэлектрики содержат и свободные заряды, их количество невелико. Следовательно, для диэлектрика характерным является большое сопротивление прохождению постоянного тока.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств. Электроизоляционными материалами называют диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей в электротехнических и электронных устройствах. Используемые в качестве электроизоляционных материалов диэлектрики называются пассивными диэлектриками.

Активными называют такие диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения и другие параметры воздействующих на них факторов.

 

Электропроводность диэлектриков.

Поляризационные процессы смещения любых зарядов в веществе, протекая во времени до момента установления и получения равновесного состояния, обусловливают во времени появление поляризационных токов или токов смещения в диэлектриках. Они настолько кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать приборами.

Токи смещения называют еще абсорбционными токами.

Наличие в диэлектриках небольших свободных зарядов, приводят к возникновению небольших токов сквозной электропроводности или сквозных токов. Суммарный ток в диэлектрике называется током утечки.

У твердых изоляционных материалов различают объемную и поверхностную электропроводности, для сравнительной оценки которых служат удельное объемное и удельное поверхностное сопротивление. Удельное объемное сопротивление численно сопротивлению куба с ребром 1 м, мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит через две противоположные грани этого куба. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две противоположные стороны этого квадрата.

 

 

Поляризация диэлектриков.

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема. Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную), существующую в его отсутствие.

Способность разных материалов поляризовываться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε=С_д/С₀,где С_д – емкость конденсатора с данным диэлектриком;С₀ – емкость того же конденсатора в вакууме.

Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность диэлектрика – векторная физическая величина, равная отношению электрического момента элемента диэлектрика к объему этого элемента.

Электронная поляризация – такая поляризация, при которой в электрическом поле в атомах или молекулах, из которых состоит диэлектрик, смещаются электронные оболочки, главным образом, внешние, на малые расстояния в пределах своих атомов и молекул. Такая поляризация происходит у всех диэлектриков. Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, поэтому такие молекулы неполярные.

К неупругим поляризациям относится дипольная поляризация, которая наблюдается в полярных диэлектриках. Они построены из полярных молекул, в которых центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

Диэлектрические потери.

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

В инженерной практике для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют понятие угла диэлектрических потерь, а также тангенса этого угла. Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90 град. угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Коэффициентом диэлектрических потерь называют произведение ε tgδ= ε’’.

Диэлектрические потери имеют важное значение для материалов, используемых в установках высокого напряжения и высокочастотной аппаратуре. Большие диэлектрические потери в электроизоляционных материалах могут вызвать сильный нагрев изготовленного из него изделия и привести к его тепловому разрушению.

 

Полимеры.

Полимеры – высокомолекулярные соединения. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных группировок, соединенных в цепи химическими связями.

Полимеры получают из мономеров – веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев. Степень полимеризации – важная характеристика полимеров, равная числу элементарных звеньев в молекуле.

Полимеры с низкой степенью полимеризации называют олигомерами. Полимеризацией называют реакцию образования полимера из молекул мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов.

Поликонденсация – реакция образования полимера из мономеров с выделением низкомолекулярных веществ (воды, спирта и др.).

Полимеры делятся на два типа – линейные и пространственные.

В линейных полимерах макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечным размерам. Макромолекулы пространственных полимеров связаны в общую сетку.

Термопластичные полимеры (термопласты) получают на основе полимеров с линейной структурой макромолекул. При нагревании они размягчаются, а при охлаждении затвердевают.

Термореактивные полимеры получают из полимеров, которые при нагревании или при комнатной температуре вследствие образования пространственной сетки из макромолекул необратимо переходят в неплавкое и нерастворимое состояние.

Природные смолы:

Шеллак – продукт жизнедеятельности некоторых насекомых на ветвях тропических деревьев.

Канифоль – хрупкая смола, получаемая из смолы хвойных деревьев.

Янтарь – ископаемая смола растений с температурой плавления выше 300 град.

К неполярным полимерам с малыми диэлектрическими потерями относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (фторопласт-4).

Линейные полярные полимеры обладают большими значениями диэлектрической проницаемости. К числу этих полимеров относятся поливинилхлорид (винипласт, пластикат), политрифторхлорэтилен (фторопласт-3).

Полимеры, получаемые поликонденсацией, широко применяются как связующее в пластмассах, в качестве лаковой основы и в производстве слоистых пластиков. К ним относятся различные смолы: фенолформальмальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и др.

 

Пластмассы.

По составу в большинстве случаев пластмассы представляют собой композиции из связующего и наполнителя.

В качестве связующего используют наиболее часто полимерные материалы. Связующие связывают в единое целое другие компоненты и придают материалу характерные свойства.

Наполнители используются для улучшения прочностных свойств, уменьшения усадки, повышения стойкости к воздействию различных сред, а также для снижения стоимости. Они подразделяются на органические и неорганические, а каждая из групп, в свою очередь, - на порошкообразные и волокнистые.

К органическим порошкообразным наполнителям относятся древесная мука, дисперсные полимеры, к органическим волокнистым – хлопковые очесы, сульфитная целлюлоза, бумажная крошка, синтетические волокна; к неорганическим порошкообразным – молотая слюда, кварцевая мука, асбест, тальк, каолин, стекловолокно и др.

Кроме связующих и наполнителей применяют пластификаторы – для улучшения технологических и эксплуатационных свойств пластмасс, а также увеличения их холодостойкости и устойчивости к УФ-излучению.

Широкое применение в электрических приборах получили слоистые пластики, к которым относятся гетинакс, текстолит с разными наполнителями и древеснослоистые. Гетинакс получается путем горячего прессования бумаги, пропитанной термореактивной смолой. Текстолит изготавливается из пропитанной фенолформальдегидной смолой хлопчатобумажной ткани. Древеснослоистые пластики – материал типа фанеры на бакелитовой смоле.

 

Компаунды.

Компаундами называют смеси различных изоляционных веществ (смол, битумов, эфиров, целлюлозы и т.д.), которые переводят в жидкое состояние чаще всего путем разогрева до высокой температуры; затвердевание происходит при охлаждении расплавленного компаунда.

Кроме того, в состав компаундов могут входить активные разбавители, понижающие их вязкость, пластификаторы – вещества, придающие эластичность и ударную прочность, отвердители – соединения, способствующие отверждению, инициаторы – вещества, ускоряющие процесс образования, - и ингибиторы – соединения, препятствующие преждевременному загустеванию.

В состав компаундов могут также входить наполнители – органические и неорганические порошкообразные или волокнистые материалы, применяемые для уменьшения усадки, улучшения теплопроводности, уменьшения температурного коэффициента расширения и снижения стоимости. В качестве наполнителей применяют пылевидный кварц, тальк, слюдяную пыль, асбестовое и стеклянное волокно.

Электроизоляционные компаунды по своему назначению и выполняемым функциям делятся на две основные группы: пропиточные и наливочные. Пропиточные компаунды служат для заполнения пор капилляров и воздушных включений в электроизоляционных материалах.

По отношению к нагреву электроизоляционные компаунды делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные компаунды твердые при нормальной температуре, при нагревании размягчаются, становятся пластичными и переходят в жидкое состояние, при охлаждении снова затвердевают. Термореактивные компаунды в момент их применения находятся в жидком состоянии, а затем затвердевают в результате происходящих в них химических реакций.

По химическому составу электроизоляционные компаунды делятся на компаунды, изготавливаемые на основе нефтяных битумов, растительных или минеральных масел и канифоли, и компаунды на основе синтетических смол.

Стекло.

Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного состояния вещества. Стеклами называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их химического состава и температурной области затвердевания и приобретающие в результате постепенного увеличения вязкости механические свойства твердых тел.

В настоящее время в состав стекол введена большая часть химических элементов. По химическому составу имеющие практическое значение стекла делятся на три основных типа:

- оксидные - на основе оксидов;

- галогенидные – на основе галогенидов;

- халькогенидные – на основе сульфидов, селенидов и теллуридов.

Наиболее широко применяются оксидные стекла, которые в зависимости от состава делятся на ряд классов и групп:

- по виду оксида-стеклообразователя – силикатные, боратные, фосфатные, германатные, алюмосиликатные и т.д.;

- по содержанию щелочных оксидов – бесщелочные, малощелочные, многощелочные.

Получение стекол производится путем «варки» исходных компонентов стекла в стекловаренных печах и при быстром охлаждении расплавленного материала.

Наиболее высокие показатели механических свойств имеют кварцевые и бесщелочные стекла, а наиболее низкие – стекла с повышенным содержанием оксидов свинца, натрия, калия.

Теплопроводность стекла по сравнению с другими веществами исключительно низкая.

Наибольшей стойкостью к воздействию влаге обладает кварцевое стекло. Оно выплавляется из горного хрусталя или чистых кварцевых песков и отличается высокой оптической прозрачностью, механической прочностью при высоких температурах, инертностью к воздействию многих химических реагентов. Кварцевое стекло находит применение для изготовления различных изделий в электротехнической промышленности: изоляторы, различные детали переменных конденсаторов, катушек самоиндукции и т.д.

В светотехнической промышленности различные виды стекол используют для изготовления колб и ножек ламп. Из кварцевого стекла делают колбы для многих газоразрядных ламп высокого давления.

 

Электрическаякерамика.

Электрическая керамика представляет собой материал, получаемый в результате отжига формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов.

Многие керамические материалы имеют высокую механическую прочность и нагревостойкость, высокие электрические характеристики, отстутствие механических деформаций при длительном приложении нагрузки, большую, чем у органических материалов, устойчивость к электрическому и тепловому старению.

Широкое применение в качестве электроизоляционного материала находит электротехнический фарфор, используется в производстве низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока.

Основными компонентами фарфора являются сырьевые материалы минерального происхождения – глинистые вещества (каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит). В его состав вводят материалы, снижающие усадку и деформацию изделий при сушке: кварц и битые фарфоровые изделия. Полевой шпат и пегматит являются плавнями при образовании фарфора – они плавятся при более низких температурах, чем глинистые вещества и кварц.

Изделия из фарфоровой массы получают различными способами: обточкой, прессовкой, отливкой в гипсовые формы, выдавливанием через отверстие нужной конфигурации. После оформления изделий производится сушка полуфабриката для удаления воды. Следующая операция – глазурование, производится для предохранения от загрязнения и создания поверхности, легко очищаемой в условиях эксплуатации. При обжиге глазурное покрытие плавится и покрывает поверхность изделия тонким стекловидным слоем. Глазурь увеличивает механическую прочность, скрывает трещины и другие дефекты, уменьшает ток утечки по поверхности изоляторов.

Электротехнический фарфор находит применение для изготовления изоляторов различного типа.

Для изготовления высоковольтных высокочастотных изоляторов применяют стеатитовую керамику, так как фарфор имеет сильную зависимость электрических характеристик от температуры. Стеатитовая керамика изготавливается на основе тальковых материалов, основной кристаллической фазой которых является метасиликат магния. Она характеризуется высокими удельным сопротивлением и механическими свойствами, стабильностью параметров при воздействии различных внешних факторов.

Для применения в радиотехнической и электронной промышленности было разработано большое количество новых керамических материалов, обладающих улучшенными свойствами по сравнению с фарфором.

Радиофарфор представляет собой фарфор, в который вводится оксид ВаО. Ультрафарфор различных марок характеризуется большим содержанием Аl₂О₃ и имеет по сравнению с обычным фарфором повышенную механическую прочность и теплопроводность.

Высокоглиноземистая керамика в основном состоит из оксида алюминия. Этот материал отличается высокими нагревостойкостью (до 1600º С) и удельным сопротивлением, чрезвычайно высокими теплопроводностью и механической прочностью. Поликор, имеющий особо плотную структуру, обладает оптической прозрачностью и применяется для изготовления колб некоторых источников света.

Конденсаторная керамика имеет высокие значения диэлектрической проницаемости. Многие из конденсаторных материалов имеют в своем составе диоксид титана – рутил.

---

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 1383; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!