Достоинства метода Роквелла

Зонная теория твердого тела позволила объяснить электрические, оптические, магнитные и некоторые другие свойства кристаллических твердых тел.

квантовая теория, объясняющая поведение электронов в твердых телах. Основной результат зонной теории: разрешённые значения энергии электронов в твердом теле образуют определенные интервалы — разрешённые зоны, которые могут быть отделены друг от друга запрещёнными зонами.

В изолированном атоме существует сила притяжения ядром атома всех своих электронов и сила отталкивания между электронами. Если имеется система из N одинаковых атомов, достаточно удаленных друг от друга (например, газообразное вещество), то взаимодействие между атомами практически отсутствует, и энергетические уровни электронов остаются без изменения. При конденсации газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у атомов данного типа электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. В кристалле из-за близкого расстояния между атомами существуют силы взаимодействия между электронами, принадлежащими разным атомам, и между всеми ядрами и всеми электронами. Под влиянием этих дополнительных сил энергетические уровни электронов в каждом из атомов кристалла изменяются: энергия одних уровней уменьшается, других — возрастает. При этом внешние электронные оболочки атомов могут не только соприкасаться друг с другом, но и перекрываться. В частности притяжение электронов одного атома ядром соседнего снижает высоту потенциального барьера, разделяющего электроны уединенных атомов. Т. е. при сближении атомов происходит перекрытие электронных оболочек, а это в свою очередь, существенно изменяет характер движения электронов. В результате, электрон с одного уровня в каком-либо из атомов может перейти на уровень в соседнем атоме без затраты энергии, и таким образом свободно перемещаться от одного атома к другому.

2. Классификация электротехнических материалов по магнитным свойствам.

Различают два механизма поляризации:

− поляризация мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла, за время 10-15 – 10-13 с;

− поляризация, протекающая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляриза-ции называется релаксационной (время от 10-8 до 102 с).

Ø Электронная

Ø Ионная

Ø Дипольно релаксационная

Ø Ионно релаксационная

Ø Электронно релаксационная

Ø Миграционная

Ø Спонтанная

Ø Резонансная

· Электронная поляризация (мгновенная) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов, ионов относительно ядра под действием внешного электрического поля (происходит в материалах любой структуры) – C_э, Q_э.

(нет эл.поля центр + и – ядра совпадает, атом нейтрален) (под действ внешнего эл. поля орбиты, по котором движутся электроны, смещаются к положительному электроду, центры +и- не совпадают, нейтр атом превращается в диполь)(диэл проницаемость равна квадрату преломления света n^2)

· Ионная поляризация (мгновенная) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки C_и, Q_и. (Т повышается смещение усиливается в результате ослабления упр сил между ионами). Происходит из-за увеличения расстояния между ионами в следствии тепового расширения)

· Дипольно-релаксационная поляризация ( C_д-р, Q_д-р, r_д-р отличается от электронной и ионной тем, что она связана с потерями энергии при поляризации, т.е. с нагреванием диэлектрика. Этот вид поляризации наблюдается в полярных диэлектриках. В таких веществах молекулы или радикалы являются диполями даже при отсутствии электрического поля. (нет эл.поля диполи находятся в хаот тепл движении, дипол моменты их направлены в разные стороны результирующ электр момент равен 0)(диполи растягив электр полем и дипольный момент возрастает)

· Ионно-релаксационная поляризация ( C_и-р, Q_и-р, r_и-р ) - ограниченное смещения связанных ионов вещества под воздействием внешнего электрического поля в направлении этого поля (происходит в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов). (например, неорганических стеклах), поляр усилив с повышен темпер за счет ослабленя меж ионного взаимодействия)

· Электронно-релаксационная поляризация (C_э-р, Q_э-р, r_э-р ) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10-8 – 10-6 с. Она ха-рактерна для диэлектриков с высокими показателями преломле-ния, большим внутренним полем и электронной электропровод-ностью: двуокись титана с примесями, ряд соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута.

· Миграционная (структурная ) поляризация ( C_м, Q_м, r_м ) обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью, а также наблюдается в композиционных диэлектриках. При внесении неоднородных диэлектриков в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, образуя поляризованные области на границе раздела сред. Миграционная поляризация возможна только при низких частотах.

· Спонтанная (самопроизвольная) поляризация (C_сп, Q_сп, r_сп) наблюдается только в сегнетоэлектриках, имеющих доменную структуру. Домены обладают определенным электрическим моментом в отсутствии внешнего поля, но при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна (результирующий электрический момент равен нулю). Наложение внешнего поля вызывает ориентацию электрических моментов доменов в направлении поля, что обуславливает очень сильную поляризацию. В отличии от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего электрического поля наступает насыщение и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастания интенсивности поляризации.

· Резонансная поляризация проявляется в диэлектриках при частоте ƒ=10⁶Гц, когда собственная частота электронов или ионов совпадает с частотой внешнего электрического поля, что приводит к значительному увеличению вектора смещения зарядов (C_р, Q_р, r_р).

8. Зависят ли виды поляризации от строения диэлектриков?

Да. В зависимости от структуры материала в нем возможны различные виды поляризации.

Например.

· Ионная и ионно-релаксационная поляризация возможны только в твердом диэлектрике, обладающем кристаллической структурой

· Дипольно-релаксационная поляризация протекает в полярных диэлектриках

9. Классификация диэлектриков по видам поляризации.

Пятая группа – сегнетоэлектрики, для которых характерны спонтанная, электронная, ионная, электронно-релаксационная и ионно-релаксационная поляризация: сегнетова соль, титанат бария и др.

10. Эквивалентная схема замещения диэлектрика.

1. Электронная поляризация - C_э, Q_{э .}

Ионная поляризация-C_и, Q_и

_2. Дипольно-релаксационная- C_д-р, Q_д-р, r_д-р

_3. Ионно-релаксационная - C_и-р, Q_и-р, r_и-р

_4. Электронно-релаксационная - C_э-р, Q_э-р, r_э-р

_5. Миграционная (структурная) - C_м, Q_м, r_м

_6. Спонтанная (самопроизвольная) - C_сп, Q_сп, r_сп

_7. Резонансная- C_р, Q_р, r_р

сопротивление изоляции - R_из

11. Дать понятие о диэлектрической проницаемости.

Относительная диэлектрическая проницаемость – количественная оценка способности диэлектриков поляризоваться под действием внешнего электрического поля (Е).

Величина относительной диэлектрической проницаемости Ԑ показывает во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора таких же геометрических размеров, у которого между обкладками находится вакуум.

Величина Ԑ представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе с данным диэлектриком к заряду Q_о, (Q0 – заряд конденсатора, если между электродами находится вакуум при тех же размерах и при том же напряжении)

Ԑ является количественной оценкой степени поляризации диэлектриков;

Ԑ зависит от агрегатного состояния вещества:

1) Ԑ газов ≈1; Газы имеют малую плотность из-за больших расстояний между молекулами.

В газах может быть только электронная поляризация и даже, если газы полярны, то в них преобладает электронная поляризация. Чем больше радиус молекул газа, тем больше диэлектрическая проницаемость.

2) Жидкие диэлектрики имеют молекулярное строение и могут быть:

неполярными - Ԑ≤2,5;

полярными - Ԑ=3,5÷5.

В неполярных жидких диэлектриках происходит только электронная поляризация, Ԑ зависит от температуры и не зависит от частоты электрического поля.

В полярных жидких диэлектриках происходят:

электронная поляризация

дипольно- релаксационная поляризация.

Ԑ зависит от температуры и частоты.

3) Полярные твердые диэлектрики обладают:

- электронной поляризацией;

- дипольно-релаксационной поляризацией.

К таким диэлектрикам относятся:

целлюлоза и продукты ее переработки;

полярные полимеры (поливинилхлорид, поли-трифторхлорэтилен и т.д.).

Диэлектрическая проницаемость полярных твердых диэлектриков в большой степени зависит от темпе-ратуры и от частоты приложенного электри-ческого поля и имеет те же зависимости, что и полярные жидкие диэлектрики.

12. Дать понятие о токах утечки, сквозном и абсорбционном.

 

Понятие связано с электропроводностью диэлектриков.

• Электропроводность – способность материала проводить электрический ток.

В диэлектриках возможно присутствие:

Ø свободных зарядов;

Ø связанных зарядов.

Направленное перемещение связанных зарядов называется током смещения (i_см) или абсорбционным током (i_аб).

Направленное движение свободных зарядов называется сквозным током (i_скв ).

 

Наличие абсорбционного тока в диэлектрике обусловлено происходящими в нем поляризационными процессами, следовательно при приложении к диэлектрику электрического поля постоянного напряжения абсорбционный ток протекает только в момент приложения и снятия напряжения. При переменном напряжении i_аб протекает постоянно.

i_см=i_аб=i_мгн+i_р

Электропроводность диэлектриков носит, в основном, ионный характер. Ионы переносят с собой часть вещества. Сопротивление изоляции определяется величиной сквозного тока. Ток, измеренный через 1 минуту после приложения к диэлектрику постоянного напряжения, принимается за сквозной ток.

Ток, протекающий в диэлектрике, называется током утечки (i_ут). Ток утечки представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции:

i_ут=i_скв+i_аб

13. Дать понятие об ударной и фотонной ионизациях.

 

Ионизация молекулы – это распад молекулы на электрон и положительно заряженный ион.

 

Ø Ударная ионизация – ионизация молекул в результате столкновения с разогнанным электрическим полем заряженными частицами.

Ø Фотонная ионизация – ионизация молекулы за счет захвата фотонов.

 

14. Условие ионизации.

 

Ионизация нейтральных молекул газа возникает:

• Под действием внешних факторов: рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, нагрев, радиоактивные излучения и

• Вследствие соударения разогнанных электрическим полем заряженных частиц с молекулами.

Для возникновения ударной ионизации необходимо, чтобы энергия электрона была больше энергии ионизации или равнялась ей:
WТ +Wдоп = Wи, где WТ – энергия теплового движения частиц обычно небольшая при нормальной температуре; Wдоп – дополнительная энергия, приобретенная электроном под действием внешнего электрического поля, определяемая по формуле

15. Чем обусловлена электропроводность жидких диэлектриков и что на нее оказывает влияние?

Характер электропроводности зависит от строения жидкого диэлектрика:

В неполярных – электропроводность обусловлена наличием диссоциированных примесей, особенно влаги. (диссоциацией понимают разложение молекул на более простые частицы – атомы, радикалы или ионы, а также разложение сложных молекул на более простые.)

В полярных – наличием примесей и диссоциацией молекул самой жидкости.

16. Особенности электропроводности твердых диэлектриков.

Электропроводность твердых диэлектриков обусловлена:

Ø Перемещением ионов самого диэлектрика;

Ø Перемещением ионов примесей;

Ø Перемещением свободных электронов – электронная электропроводность проявляется только в сильных электрических полях.

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. В процессе прохождения тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примеси могут частично удаляться, оседая на электродах.

Электропроводность твердых диэлектриков зависит от их строения:

Ø В диэлектриках ионной структуры электропроводность обусловлена перемещением ионов, которые освобождаются в результате теплового движения:

‒ при низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы примесей;

‒ при высоких температурах освобождаются ионы из узлов кристаллической решетки – электрохимическое старение вещества.

Ø В диэлектриках атомарной или молекулярной структуры электропроводность обусловлена только наличием примесей (примесная электропроводность)

 

Проводимость аморфных твердых диэлектриков одинакова во всех направлениях парафин, полистирол, ФФС – фенолформальдегидная смола

Проводимость твердых диэлектриков неодинакова по разным осям кристалла для кварца различается более, чем в 1000 раз

Наличие влаги в пористых диэлектриках приводит к резкому увеличению проводимости.

17. Дать понятие об электрической очистке диэлектрика.

При длительном протекании тока через неполярный жидкий диэлектрик возможно увеличение сопротивления за счет переноса свободных ионов примесей к электродам (электрическая очистка)

18. Дать понятие об угле ДП (d) и tgd.

В электрическом поле диэлектрики нагреваются, т.к. часть энергии электрического поля рассеивается в диэлектриках в виде тепла.

Рассеиваемая за единицу времени энергия называется диэлектрическими потерями (ДП).

Угол ДП и тангенс этого угла, не зависят от объема диэлектрика и характеризуют качество самого материала.

 

УГОЛ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ потерь - угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи.

19. Схемы замещения диэлектрика.

Идеальный диэлектрик (без потерь) Реальный диэлектрик

Простейшая схема замещения диэлектрика – это параллельно или последовательно соединенные сопротивление и конденсатор.

 

 

Последовательная схема замещения

Мощность ДП определяется по формуле:

 

 

 

Параллельная схема замещения

Мощность ДП определяется по формуле:

 

 

 

и ДП не зависят от схемы замещения, но емкости значительно различаются:

 

 

Для высококачественных диэлектриков,

поэтому для последовательной схемы:

Для параллельной схемы замещения

20. Что оказывает влияние на величину ДП?

ДП зависят от величины приложенного напряжения, частоты, а также от свойств самого диэлектрика

 

21. Виды ДП.

 

ПОТЕРИ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ - характерны для всех без исключения диэлектриков. Наблюдаются при постоянном и переменном напряжении. В однородных неполярных диэлектриках являются единственным видом потерь. ДП возрастают с увеличением температуры по экспоненте:

где Pt – потери при температуре t°С; P0 – потери при темпе-ратуре 0°С; α – постоянная материала. Тангенс угла ДП изменяется в зависимости от температуры по тому же закону, что и потери в диэлектрике.

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ - обусловливаются поляризацией диэлектриков. наблюдаются в диэлектриках с релаксационными видами поляризации (полярных, диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов, сегнетоэлектриках).

ПОТЕРИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ - вызывается проводящими и газовыми включениями, слоистостью и т.п. Эти потери являются дополнительными релаксационными потерями. Наиболее часто они проявляются в виде потерь, обусловленных миграционной поляризацией, характерной в основном для композиционных и слоистых диэлектриков.

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ, возникают в диэлектриках, содержащих поры или газовые включения. Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа.

РЕЗОНАНСНЫЕ ПОТЕРИ, характерны для частот, совпадающих с собственными частотами колебаний электронов, ионов, доменов и др.

22. Дать общую характеристику явления пробоя диэлектриков.

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью (Епр). Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (Uпр) и измеряют чаще всего в киловольтах.

23. Какие факторы оказывают влияние на электрическую прочность газов?

 

расстояние между электродами, однородность, давление, температура, влажность воздуха.

 

Электрическая прочность зависит от материала диэлектрика, конфигурации электродов, внешних факторов, качества диэлектрика, типа воздействующего напряжения. Электрической прочностью обладают все газы, в том числе пары металлов, твердые и жидкие диэлектрики.

24. Как длина свободного пробега электрона связана с электрической прочностью диэлектрика?

Длина свободного пробега – это расстояние, которое преодолевает заряженная частица под действием внешнего электрического поля от одного до другого столкновения с нейтральными молекулами. При увеличении длины свободного пробега, электрическая прочность уменьшается.
Условие ионизации: где Е – электрическая прочность газа, соответствующая напряженности электрического поля, при которой произошел пробой.

Электрическая прочность при давлении больше нормального растет в связи с уменьшением длины свободного пробега электронов и уменьшением вероятности актов ионизации

 

 

25. Дать понятие о тепловом пробое. Какие факторы оказывают влияние на электрическую прочность при тепловом пробое?

Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло (тепловыделение) становится больше количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях: при этом нарушается те-

пловое равновесие. Электрическая прочность при тепловом пробое уменьшается: при увеличении температуры; при увеличении времени выдержки образца под напряжением; при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев.Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях: при этом нарушается тепловое равновесие и процесс приобретает лавинообразный характер. При тепловом пробое электрическая прочность зависит лишь косвенно от химической природы материала — через величину диэлектрических потерь, проводимость, теплопроводность.

26. Что оказывает влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков?

 

На электрический пробой жидких диэлектриков влияют многие факторы, к числу которых относятся: материал электродов; примеси; загрязнение жидкости; дегазация жидкости и электродов; длительность воздействия напряжения; скорость возрастания напряжения и его частота; температура, давление.

Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от многих факторов, однако наибольшее влияние на прочность оказывают примеси: вода, газы и твердые частицы. Зависит от расстояния между электродами, от площади электродов, от формы электродов.

27. Как и почему электрическая прочность газов зависит от давления?

При давлениях, больших атмосферного, увеличивается плотность воздуха, следовательно, расстояние между молекулами становится меньше, что приводит к уменьшению длины свободного пробега электрона и дополнительной энергии, которую он приобретает до столкновения с молекулой. Поэтому электрическая прочность газов увеличивается при повышении давления, что делает эффективным использование сжатых газов в качестве изоляции в электрооборудовании например, элегаза в высоковольтных выключателях. При уменьшении давления вначале происходит уменьшение электрической прочности, что связано с увеличением длины свободного пробега электронов и, следовательно, увеличением их кинетической энергии, т.е. улучшаются условия возникновения ударной ионизации, а тем самым и условия пробоя. При дальнейшем снижении давления и высокой степени разряжения Епр начинает возрастать. Это увеличение электрической прочности объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами.
Полочка в зависимости Епр от давления характеризует электрическую прочность вакуума. На первый взгляд кажется, что пробой вакуума не возможен, так как вакуум не содержит свободных носителей заряда, то есть является идеальным изоляционным материалом. В действительности, при достаточно большой напряженности электрического поля происходит пробой вакуума, что объясняется тем, что электрическое поле может вызвать холодную эмиссию электронов с поверхности металлических электродов. Поэтому электрическая прочность вакуума зависит от материала, из которого изготовлены электроды, и от состояния их поверхности. Высокие электроизоляционные свойства вакуума используются в вакуумных конденсаторах и вакуумных выключателях.

28. Тепловые свойства диэлектриков.

 

· НАГЕРВОСТОЙКОСТЬ – способность изоляционного материала выдерживать воздействие повышенной температуры без явного ухудшения изоляционных свойств в течение всего срока службы электрооборудования. Оценивается t° С.

Класс нагревостойкости	Y Изоляц из волокни материалов на основе целлюлозы (древесина, бумага, картон,)	A Волокн материалы, пропит масляными, масляно-смоляными и другими лаками, погружен в трансформаторное масло или синтетический жидкий диэлектрик.	E слоистые пластики (гетинакс, текстолит, полиэтилентерефталатные пленки (ПЭТФ), эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы и компаунды.	B неорганические материалы: слюда, стекловолокно,	F материалы на основе слюды, стеклово-локна и асбеста с более нагревостойкими связующими и пропитывающими составами: эпоксидными, полиэфирными, кремнийорганическими.	H неорганические материалы с использованием кремнийорганических связующих особо высокой нагревостойко-сти.	C неорганические материалы (слюда, электротехническая керамика, кварц)
Раб (tр), 0С							>180

 

· Холодостойкость – способность изоляции не снижать эксплуатационной надежности при низких температурах (-60 -70) и более низких (криоген-ных температурах. Особенно важна холодостойкость для изоляции электрооборудования открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций. При низких температурах электрические свойства изоляции улучшаются, но материалы гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими.

· ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ способность материалов переносить тепло от более нагретых частей к менее нагретым, что приводит к выравниваю температуры. Тепловые потери в проводниках, магнитопроводах электрических машин, аппаратов,кабелей передаются в окружающую среду через изоляцию. От теплопроводности электрической изоляции зависит нагрев электрооборудования.Характеристикой теплопроводности является коэффициент теплопроводности Вт/(мК). Перенос тепла осуществляется свободными электронами, поэтому у металл

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: