 |
Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков
|
|
|
|
Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков
Твердых диэлектриков очень много, они разнообразны по составу и свойствам, и в связи с этим поляризацию рассматривают для характерных групп диэлектриков.
1) Твердые неполярные диэлектрики
Для данной категории диэлектриков характерны те же закономерности электронной поляризации, что и для неполярных жидких диэлектриков и газов. Для нейтральных твердых диэлектриков будет характерен отрицательный 
, при достижении температуры плавления будет наблюдаться резкий спад диэлектрической проницаемости (см. рис. 7. 23).
 |
Рисунок 1. 13 – Температурная зависимость 
для нейтральных твердых диэлектриков
Диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты изменения поля, т. к. время установления электронной поляризации очень мало (см. рис. 1. 14).
Рисунок 1. 14 – Частотная зависимость для нейтральных твердых диэлектриков
2) Ионные кристаллические диэлектрики с плотной упаковкой частиц
Диэлектрическая проницаемость этих веществ находится в широких пределах.
Температурный коэффициент положителен, поскольку повышение температуры не только уменьшает плотность вещества, но и увеличивает полярность ионов, вследствие ослабления внутренних связей. Основные закономерности изменения от температуры и частоты приведены в ионной поляризации. Исключение составляют кристаллы, содержащие ионы титана, этих кристаллов отрицателен и это объясняется преобладанием электронной поляризации.
3) Ионные кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц
Ионные кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц обладают электронной, ионной, а также ионно-релаксационной поляризациями. Они характеризуются в большинстве случаев невысоким исходным значением и большим положительным коэффициентом . Примером является электротехнический фарфор (см. рис. 1. 15).
|
|
|
Рисунок 1. 15 – Температурная зависимость для электротехнического фарфора
4) Неорганические стекла (квазиаморфные диэлектрики)
Диэлектрическая проницаемость находится в сравнительно узких пределах от 4 до 20, – положителен. Но можно при необходимости получить материал и с отрицательным , если в состав стекла ввести в виде механических примесей кристаллы с отрицательным (рутил, 
).
5) Полярные органические диэлектрики
В твердом состоянии проявляют дипольно-релаксационную поляризацию. Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков зависит от температуры и частоты изменения электрического поля. В температурной зависимости наблюдается максимум, в частотной зависимости при достижении граничной частоты наблюдается спад до уровня электронной поляризации.
2. Физический смысл пробоя и его виды
Каждый диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление – пробой диэлектрика. В результате пробоя происходит соединение проводников, находящихся под напряжением, друг с другом.
- напряжение, при котором происходит пробой – пробивное напряжение, измеряемое в киловольтах.
- электрическая прочность диэлектрика, измеряемая в 
или 
- в практике, 
- в системе СИ.
Вида пробоя:
Ø Тепловой пробой. В результате нагрева диэлектрика проходящим через него электрического тока, сопротивление диэлектрика непрерывно уменьшается. Это вызывает увеличение тока, вследствие чего повышается температура, до тех пор, пока ток не достигнет величины, при которой диэлектрик термически разрушается (плавится). В этом случае 
зависит от температуры диэлектрика.
|
|
|
Ø Электрический пробой. С повышением напряженности электрического поля происходит процесс быстрого нарастания количества свобоных электронов, который заканчивается пробоем диэлектрика.
Кривую зависимости от времени воздействия приложенного напряжения называют «кривой жизни диэлектрика», так как по ней можно определить время жизни диэлектрика при заданной напряженности поля.
Ø Электрическая проницаемость диэлектрика при электрическом пробое не зависит от температуры, но при более высоких температурах диэлектрика переходит в тепловой пробой.
При этом диэлектрика уменьшается с ростом его температуры.
1. Пробой газов – явление чисто электрическое, зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой
Ø Пробой в однородном поле. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. Появление искры при заданном расстоянии между электродами используют для определения значения приложенного напряжения.
Электрическая прочность газа в сильной мере зависит от давления, если температура постоянна. При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа:
где: - пробивное напряжение при данных температуре и давлении
- пробивное напряжение при нормальных условиях
( 
)
Ø Пробой в неоднородном поле. Особенностью пробоя в таком поле является возникновение частичного заряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой заряд и дугу при возрастании напряжения.
2. Пробой жидких диэлектриков. В жидких диэлектриках на явление пробоя влияет наличие примесей, так как получить предельно чистую жидкость очень трудно. Теорию электрического пробоя можно применить к жидкостям максимально очищенным от примеси. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняются местным перегревом жидкостей, который приводит к образованию газового канала между электродами. Вода в виде капелек в трансформаторном масле, при нормальной температуре значительно снижает . Под влиянием электрического поля сферические капельки воды поляризуются, приобретая форму эллипсоидов и, притягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой. Сажа и обрывки волокон искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности жидких диэлектриков. Очистка жидких диэлектриков от примесей значительно повышает электрическую прочность.
|
|
|
3. Пробой твердых диэлектриков. Различают четыре вида пробоя:
1) Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется быстрым развитием: протекает за меньше, чем 
с, и не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры.
2) Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Характерен для технических диэлектриков, содержащих газовые включения. Развивается весьма быстро. Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого её значения. Выше этого значения наблюдается заметное снижение электрической прочности, что говорит о появлении механизма теплового пробоя.
3) Тепловой пробой. Возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях, при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температуры окружающей среды. Также «электротепловое» пробивное напряжение зависит от нагревостойкости материала. Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потери сквозной электропроводности. По толщине диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градентам напряжения в поверхностных слоях. Теплопроводность материала электродов также играет важную роль.
|
|
|
(с), где: 
4) Электрохимический пробой. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Для его развития требуется длительное время, поскольку он связан с явлением электропроводности.
|
|
|
