Электрическая прочность. Пробой диэлектрика.

Содержание

Диэлектрики. Виды поляризации……………………………………………………………………..3-4

Диэлектрические потери…………………………………………………………………………………..4-5

Электрическая прочность. Пробой диэлектрика…………………………………………………5

Свойства диэлектриков……………………………………………………………………………………..6-8

Классификация диэлектрических материалов…………………………………………………8-9

Применение………………………………………………………………………………………………………….9

Список литературы……………………………………………………………………………………………..10

 

Диэлектрики. Виды поляризации.

Диэлектриками называют вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой зоной запрещенных энергий. Важнейшими твердыми диэлектриками являются керамика, полимеры и стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно 10¹²-10²⁰ Ом-м.

Электрические свойства диэлектрика определяют область его применения; при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры. Характерной особенностью диэлектрика является способность поляризоваться в электрическом поле.

Поляризация – это процесс смещения связанных зарядов на ограниченное расстояние под действием внешнего электрического поля. Электроны атомов смещаются в сторону положительного полюса, ядра атомов – в сторону отрицательного. То же происходит с ионами в ионных кристаллах, с молекулами или участками молекул при неравномерном распределении в занимаемом ими объеме заряженных частиц. В результате поляризации в диэлектрике образуется собственное внутреннее поле, вектор его меньше по величине и противоположен по направлению вектору внешнего поля. Электрическая емкость между электродами с диэлектриком больше, чем между теми же электродами без диэлектрика в ε раз, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. [2]

В твердом диэлектрике одновременно проявляется несколько видов поляризации, которые в сумме определяют величину ε и ее зависимость от температуры и частоты поля. Конструкционные диэлектрики общего назначения имеют небольшое значение ε-до 10-12. Диэлектрики, которые используются в конденсаторах, должны иметь высокие значения ε, чтобы увеличить емкость конденсатора. У конденсаторных диэлектриков ε меняется от 12-15 до 100000.

При электронной поляризации под действием внешнего электрического поля деформируются электронные оболочки атомов вещества. Она характеризуется малым (около 10–15 с) временем установления и поэтому безынерционна для радиочастот, не зависит от частоты, слабо зависит от температуры и происходит практически без потерь. Вещества с преимущественно электронной поляризацией (слабо полярные диэлектрики) имеют небольшую диэлектрическую проницаемость: от 1,8 до 2,5. Этот вид поляризации присущ всем веществам.

Ионная поляризация происходит в ионных твердых телах, имеет время установления порядка 10–13 с, следовательно, практически не зависит от частоты поля, слабо зависит от температуры. Величина ε у большинства материалов с ионной поляризацией составляет от 5 до 10.

Дипольная (ориентационная) поляризация проявляется как ориентация под действием поля полярных молекул или групп атомов. Полярны, например, молекулы воды, в которой атомы водорода расположены несимметрично относительно атома кислорода, или винилхлорида (мономер поливинилхлорида) H2C–CHCl. На преодоление взаимодействия молекул и сил трения расходуется энергия поля, которая превращается в тепловую энергию, следовательно, дипольная поляризация носит неупругий, релаксационный характер. Из-за больших размеров и масс диполей, участвующих в дипольной поляризации, ее инерционность значительна и проявляется в виде сильной зависимости диэлектрической проницаемости и потерь энергии от частоты.

Миграционная поляризация вызывается неупругими перемещениями слабо связанных примесных ионов на небольшие расстояния. По последствиям (потери энергии, частотная зависимость) эта поляризация подобна дипольной.

Особые виды образуют поляризация под действием механических напряжений, наблюдаемая в пьезоэлектриках, а также спонтанная поляризация в пироэлектриках и сегнетоэлектриках. Такие диэлектрики называют активными и используют в специальных приборах: в резонаторах, фильтрах, пьезоэлектрических генераторах и трансформаторах, преобразователях излучений, конденсаторах большой удельной емкости и т. д.[1]

 

Диэлектрические потери.

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Для определения потерь диэлектрик удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока. У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током I и напряжением U равен 90°, поэтому активная мощность P = IU cosφ равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90° на угол δ. Этот угол называют углом диэлектрических потерь. Тангенс угла δ и диэлектрическая постоянная ε характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), Вт/м3:

P = kE2fεtgδ,

где к -коэффициент; E- напряженность электрического поля, В/м; f-частота поля, Гц.

Произведение εtgδ называют коэффициентом диэлектрических потерь. По величине tgδ диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tgδ = 0,14-0,001) и высокочастотные (tgδ < 0,001). К основным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электропроводимость, ионизация газов в имеющихся порах и неоднородность структуры из-за примесей и включений. Электрическая прочность характеризуется сопротивлением пробою. [2]

 

Электрическая прочность. Пробой диэлектрика.

Электрическая прочность – способность диэлектрика сохранять высокое удельное сопротивление в цепях большой напряженности. Оценивается пробивной напряженностью поля Е_пр=U_пр/d, где U_пр – напряжение, вызывающее пробой, d – толщина диэлектрика. Размерность Е_пр – В/м. У разных диэлектриков Е_пр=10...1000 МВ/м, и даже у одного материала эта величина колеблется в широких пределах в зависимости от толщины, формы электродов, температуры и ряда других факторов. Причина этого в многообразии процессов при пробое.

Электрический пробой обусловлен туннельным переходом электронов в зону проводимости из валентной зоны, с примесных уровней или металлических электродов, а также лавинным размножением их за счет ударной ионизации в полях высокой напряженности.

Электротепловой пробой имеет причиной экспоненциальный рост электропроводности диэлектрика при повышении его температуры. При этом растет ток утечки, еще более разогревающий диэлектрик, в его толще образуется проводящий канал, сопротивление резко падает, в зоне термических воздействий происходит плавление, испарение, деструкция материала.

Электрохимический пробой обусловлен явлениями электролиза, миграции ионов и, вследствие этого, изменениями в составе материала.

Ионизационный пробой происходит вследствие частичных разрядов в диэлектрике, имеющем воздушные включения. Электрическая прочность воздуха ниже, а напряженность поля в этих включениях выше, чем в плотном диэлектрике. Этот вид пробоя характерен для пористых материалов.

Поверхностный пробой (перекрытие) диэлектрика возникает вследствие недопустимо больших поверхностных токов. При достаточной мощности источника тока поверхностный пробой развивается по воздуху и переходит в дуговой. Условия, способствующие этому пробою: трещины, другие неровности и загрязнения на поверхности диэлектрика, влажность, запыленность, пониженное атмосферное давление воздуха.

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. [1]

 

Свойства диэлектриков.

Способность электрической изоляции выдерживать повышенную температуру без существенного ухудшения свойств является весьма важной, так как от нее зависит наивысшая допустимая рабочая температура изоляции. В свою очередь, повышение этой температуры позволяет уменьшить габариты и массу и увеличить коэффициент полезного действия электродвигателей, трансформаторов и дросселей, конденсаторов и других приборов.

Способность диэлектрика сохранять механическую прочность при повышенной температуре называется теплостойкостью. Как параметр, теплостойкость определяют двумя способами: по Мартенсу и по Вика.

Теплостойкость по Мартенсу – это температура, при которой образец материала в виде прямоугольного бруска определенных размеров изгибается под действием постоянного изгибающего момента на заданную величину.

Теплостойкость по Вика – это температура, при которой стержень сечением 1 мм², упираемый в образец термопластичного материала усилием 6 Н, вдавливается в образец на глубину 1 мм. При испытаниях образцы вместе с установкой помещают в термостат, температуру в котором повышают от нормальной со скоростью 50 ^оС/ч. Оба метода применяют для оценки теплостойкости пластмасс.

Для хрупких материалов (стекол, керамики) определяют термостойкость как способность выдерживать без разрушения резкие перепады температур.

Для пластмасс и органических материалов в целом определяют огнестойкость как способность материала не разлагаться при высокой температуре и не выделять горючие газы. Оценивают огнестойкость температурой разложения – минимальной температурой окружающего воздуха, при которой из материала выделяется заметное количество газа;

Температурой воспламенения, при которой выделяющиеся газы способны воспламениться от внешнего пламени, и температурой возгорания, при которой выделяющиеся газы самовозгораются.

Способность электроизоляционного материала длительно (до 20000 ч) сохранять свои свойства при повышенной температуре, называют нагревостойкостью. По нагревостойкости материалы подразделяют на классы нагревостойкости:

 

Обозначение класса нагревостойкости	Температура (по Цельсию)
Y
A
E
B
F
H
C	>180

 

Растворимость твердого материала обычно оценивается количеством материала, переходящего в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Применительно к диэлектрикам имеются в виду органические растворители, входящие в состав лаков, эмалей, флюсов, промывочных жидкостей.

Как правило, легче всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах сходные группировки атомов: полярные вещества легче растворяются в полярных жидкостях, неполярные – в неполярных жидкостях. Например, неполярные или слабо полярные углеводороды (парафин, каучук) растворяются в жидких углеводородах (бензин); полярные смолы (фенолформальдегидные и другие) – в спирте и других полярных растворителях.

Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации (молекулярной массы).

Высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, с пространственной структурой – трудно. Растворимость повышается с ростом температуры.

Химостойкость электроизоляционных материалов к разъеданию (коррозии) различными соприкасающимися с ними веществами (газами, водой, кислотами, щелочами, солевыми растворами) весьма разнообразна. Общий принцип оценки химостойкости: образцы материалов на длительное время помещают в условия, по возможности близкие к эксплуатационным или еще более тяжелые. После выдержки в испытательной среде образцы извлекают и исследуют: определяют изменение внешнего вида, массы, размеров, характера поверхности, электрических свойств и т.д.

Гигроскопичность – способность материала поглощать влагу из окружающей среды. Обусловлено это явление, с одной стороны, свойствами материала, с другой – особенностями самой воды. Вода в виде пара всегда присутствует в атмосфере. Молекулы воды имеют малые размеры (порядка 2,5⋅10–10 м) и легко проникают в мелкие трещины и поры диэлектрика. Молекула воды сильно полярная, диэлектрическая проницаемость воды

при нормальных условиях примерно равна 80, с изменением температуры изменяется. Чистая вода плохо проводит электрический ток, но, легко растворяя многие вещества, приобретает высокую электропроводность. Вода, попадая в трещины и поры диэлектрика, переносит с собой и осаждает в диэлектрике разнообразные растворенные в ней вещества. В результате увлажнения диэлектрика уменьшаются его механическая и электрическая прочность, возрастают диэлектрическая проницаемость, тангенс угла потерь, удельная объемная и поверхностная электропроводность.

Обмен влагой с окружающим воздухом образца или изделия из диэлектрического материала происходит через поверхность, поэтому при изменении относительной влажности окружающего воздуха равновесная влажность материала устанавливается по прошествии длительного времени.

Водопоглощение – это поглощение влаги диэлектриком из жидкой фазы. Роса, брызги часто оказываются на наружных поверхностях радиоаппаратуры, эксплуатируемой вне помещений. На водопоглощение оказывает влияние смачиваемоть поверхности диэлектрика водой. На несмачиваемой поверхности вода образует отдельные капли, в поры и трещины в жидком виде не проникает.

Влагопроницаемость – это способность материала пропускать через себя пары воды. Свойство имеет важное значение для оценки защитных покрытий (оболочки кабелей, компаунды, лаковые покрытия на печатных узлах и такое прочее). Водяной пар проникает через перегородку из изоляционного материала при разности его парциальных давлений по одну и другую стороны перегородки и в зависимости от ее толщины.

Защита радиоаппаратуры и ее составных частей от влаги включает следующие меры:

- правильный выбор материалов: предпочтение следует отдавать материалам менее гигроскопичным;

- применение защитных покрытий лаками, в частности, печатных узлов (для тропического влажного климата – до 6–8 слоев электроизоляционного лака);

- герметизацию аппаратуры или ее чувствительных к влаге частей компаундами или влагонепроницаемыми кожухами;

- при транспортировке и хранении аппаратуры, предназначенной для эксплуатации в отапливаемых помещениях, следует упаковывать ее в полиэтиленовую или поливинилхлоридную пленку, помещая вовнутрь упаковки влагопоглотитель – силикагель.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: