Питому провідність у твердих діелектриках можна записати у вигляді

= nqu, (2.12)

де n – число носіїв в одиниці об'єму, м^-3 ; q – заряд носія, Кл; u – рухливість м²/(Вс).

При іонній електропровідності число дисоційованих іонів і їхня рухливість знаходяться в експонентній залежності від температури:

n_т = n exp [- W_д /(k)], (2.13)

u_т = u_max exp[ – W_пер /(k)], (2.14)

де n -загальне число електронів у 1м³; W_д – енергія дисоціації; k -теплова енергія; u_max гранична рухливість іона; W_пер - енергія переміщення іона.

Підставляючи n_ті u_ту рівняння для питомої провідності (2.12) і об'єднавши постійні n, u_max, і q в один коефіцієнт А, одержимо

= А exp ( - b/T), (2.15)

де b = (W_д+ W_пер)/ k

З цієї формули випливає, що чим більше значення енергії переміщення й енергії дисоціації, тим значніше змінюється питома провідність при зміні температури.

У зв'язку з тим, що звичайно W_д›› W_пер, температурна залежність питомої провідності визначається в основному зміною концентрації носіїв.

При напругах, близьких до значення напруги пробою, у створенні струму поряд з іонами беруть участь і електрони.

У речовинах кристалічної будови з іонними ґратками електропровідність зв'язана з валентністю іонів. Кристали з одновалентними іонами мають більшу провідність, ніж кристали з багатовалентними іонами.

В анізотропних кристалах питома провідність неоднакова по різних осях кристала.

У твердих пористих діелектриках при поглинанні ними вологи питома провідність істотно підвищується, особливо в тих випадках, коли в діелектрику є домішки, легко розчинні у воді. Для зменшення вологовбирання і вологопро-никливості пористих діелектриків їх піддають просоченню.

Контрольні запитання:

1.Опишіть фізичну сутність процесу електропровідності в діелектриках.

2.Назвіть фактори, що впливають на поверхневу й об'ємну електропровідність.

3.Наведіть визначення питомих об'ємного і поверхневого опорів.

4.Викладіть сутність процесу електропровідності в газах, відзначте його особливості.

5.Опишіть характер електропровідності рідких діелектриків, поясніть її залежність від температури.

6.Перелічіть фактори, що впливають на поверхневу провідність, вкажіть способи її зменшення.

7.Наведіть приклади залежності електропровідності твердих діелектриків від зовнішніх факторів і поясніть їх.

Діелектричні втрати

Діелектричними втратами називають електричну потужність, що розсіюється в діелектрику в одиницю часу при впливі на нього електричного поля і викликає нагрівання діелектрика.

Втрати енергії в діелектрику спостерігаються як при змінній, так і при постійній напрузі. При постійній напрузі діелектричні втрати обумовлені електропровідністю. При впливі змінної напруги в діелектриках, крім наскрізної електропровідності можуть проявлятися й інші механізми перетворення електричної енергії в теплову.

Для оцінки здатності діелектрика розсіювати енергію в електричному полі використовують кут діелектричних втрат чи тангенс цього кута.

Кутом діелектричних втрат називається кут, що доповнює до 90⁰ кут фазового зсуву між струмом і напругою в ємнісному ланцюзі.

Чим більше потужність, що розсіюється, тим менше кут фазового зсуву і тим більше кут діелектричних утрат . У разі ідеального діелектрика вектор струму випереджає вектор напруги на 90⁰, тому кут діелектричних втрат буде дорівнювати нулю.

При постійній напрузі діелектричні втрати обумовлені практично тільки струмом наскрізної провідності, тому що втрати на однократну поляризацію незначні, а втрати, що виникають у результаті протікання поверхневого струму, розсіюються в навколишньому середовищі. Таким чином, діелектричні втрати, що розсіюються в об"ємі діелектрика і викликані струмом об'ємної наскрізної провідності при постійній напрузі, можна визначити за формулою

. (3.1)

Для вивчення поводження діелектрика з діелектричними втратами при змінній напрузі, доцільно подати його у виглядіі еквівалентних схем, що вміщують ємність і активний опір, які включені між собою послідовно чи паралельно.

Для послідовної схеми запишемо

; (3.2)

(3.3)

Для паралельної схеми

; (3.4)

(3.5)

Співвідношення між і , а також між і можна визначити, прирівнюючи один до одного співвідношення (3.2), (3.4) і (3.3), (3.5):

; ) (3.6)

Для високоякісних діелектриків значенням можна зневажити і вважати . Потужність, що розсіюється в діелектрику, у цьому випадку буде однаковою для обох схем:

. (3.7)

Якщо потрібно визначити розподіл діелектричних втрат у різних місцях діелектрика, то для розрахунку питомих діелектричних втрат у точці, де напруженість електричного поля дорівнює Е, використовують формулу

(3.8)

Добуток називається коефіцієнтом діелектричних втрат. З наведеної формули можна зробити висновок, що при заданій частоті і напруженості електричного поля, діелектричні втрати пропорційні коефіцієнту діелектричних втрат.

Використання електроізоляційного матеріалу, що володіє великими діелектричними втратами, приводить до нагрівання виготовленого з нього виробу і передчасного його теплового старіння.

Види діелектричних втрат

За фізичною природіою діелектричні втрати розділяють на такі види:

1) втрати, обумовлені поляризацією: 2) втрати на електропровідність: 3) іонізаційні втрати: 4) втрати, обумовлені неоднорідністю структури.

Втрати, обумовлені поляризацією, характерні для діелектриків, що володіють уповільненими видами поляризації. До таких діелектриків, зокрема, відносяться діелектрики з діпольною структурою і діелектрики з іонною структурою з нещільним упакуванням іонів.

Релаксаційні діелектричні втрати викликані порушенням теплового руху часток під впливом сил електричного поля. Це приводить до розсіювання енергії і нагрівання діелектрика.

При підвищенні частоти дані втрати зростають. Особливо вони значні на високих і надвисоких частотах.

У полярних діелектриків має місце характерний дипольний максимум у кривої залежності від температури (рис.3.2). При підвищенні частоти цей максимум зрушується в область більш високих температур.

Рис.3.2 – Залежність для полярних діелектриків

У полярних діелектриках існують також втрати від наскрізної електропровідності, тому після переходу через дипольний максимум спостерігається ріст у зв'язку зі зростанням питомої провідності. При наявності декількох фізичних механізмів релаксаційних втрат у залежності з'являються додаткові максимуми.

Діелектричні втрати в сегнетоелектриках пов'язані з явищем спонтанної поляризації. Особливо вони значні при температурах нижче точки Кюрі. При температурах вище точки Кюрі ці втрати зменшуються.

До діелектричних втрат, викликаних поляризацією, відносяться також резонансні втрати, що спостерігаються в діелектриках при високих частотах. Дані втрати можуть виникати в газах при деяких частотах і у твердих діелектриках, коли частота змушених коливань, викликаних електричним полем, збігається з частотою власних коливань часток твердої речовини.

Діелектричні втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю, спостерігаються в діелектриках, що володіють значною об'ємною чи поверхневою провідністю. Тангенс кута діелектричних втрат у цьому разі визначається за формулою

. (3.9)

При підвищенні температури діелектричні втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю, збільшуються за експонентним законом

, (3.10)

де - втрати при температурі Т ⁰С; - втрати при температурі 0 ^оС; - постійна матеріалу.

Значення при зміні температури змінюється за тим же законом, тому що значення реактивної потужності ( ) від температури практично не залежить.

Іонізаційні діелектричні втрати характерні для діелектриків у газоподібному стані. Ці втрати мають місце, як правило, в неоднорідних електричних полях, коли величина прикладеної напруги перевищує значення напруги іонізації. Визначити їх можна за формулою

, (3.11)

де А – постійний коефіцієнт; f – частота поля; U – прикладена напруга; U_и – напруга, що відповідає початку іонізації.

Приведена формула справедлива при лінійній залежності від напруженості поля.

Діелектричні втрати, обумовлені неоднорідністю структури, виникають у пластмасах з наповненням, в пористій кераміці, в шаруватих діелектриках і т.д. Як правило, у такі діелектрики спеціально вводять в процесі виготовлення окремі компоненти для надання їм заданих властивостей. Крім того, через порушення технології виготовлення чи в процесі експлуатації, в діелектрику можуть утворюватися різні домішки, що змінюють його характеристики. Це приводить до того, що діелектрик стає неоднорідним за своєю структурою і в ньому виникають діелектричні втрати. Загальної формули для розрахунку цих втрат у зв'язку з розмаїтістю структур даних діелектриків не існує.

Діелектричні втрати в газах

Коли напруженість електричного поля не перевищує значень, що відповідають появі ударної іонізації, діелектричні втрати в газах незначні й обумовлені тільки електропровідністю. Орієнтація дипольних молекул не супроводжується помітними втратами внаслідок малої в'язкості газів. Газ в цих умовах можна розглядати як ідеальний діелектрик. ( при f = 50 Гц). Значення можна визначити за формулою (3.9).

Коли напруженість електричного поля значна, молекули газу іонізуються, у результаті чого виникають втрати на іонізацію. На лініях електропередачі внаслідок ударної іонізації повітря поблизу проводів виникає явище корони, що супроводжується значним збільшенням діелектричних втрат.

Зміна у твердих діелектриках, що містять газові включення, при збільшенні напруги показана на рис.3.3. Наведену залежність = називають кривою іонізації. За зростанням при збільшенні напруги можна судити про наявність газових включень у твердій ізоляції.

Рис. 3.3 – Залежність для твердого діелектрика, який має газові включення

Коли газ вже іонізований (U>U₁), потрібна менша енергія на розвиток процесу і зменшується.

При високих частотах іонізаційні втрати можуть призвести до розігріву і руйнування діелектрика. Іонізація повітря, що заповнює пори у твердих діелектриках, супроводжується утворенням озону й окислів азоту, що призводить до хімічного руйнування речовини.

Дата добавления: 2018-09-23; просмотров: 254; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!