Курс лекций Барнаул 2001 удк 621. 385 Хмелев В. Н., Обложкина А. Д. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Курс лекций
| Вид материала | Курс лекций |
- Методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения. Курс, 284.31kb.
- И. А. Хворова материаловедение. Технология конструкционных материалов, 1701.97kb.
- Курс Наименование дисциплины Название методички, 82.15kb.
- Методические указания к темам введение Предмет и содержание дисциплины "Материаловедение, 357.11kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины «материаловедение и технология конструкционных, 252.46kb.
- Курс лекций по теории и методологии гендерных исследований адресован прежде всего, 75.14kb.
- Технология конструкционных материалов пособие по изучению дисциплины и выполнению контрольных, 479.07kb.
- Н. И. Вавилова утверждаю ректор фгоу впо сгау /Н. И. Кузнецов/ 2008 г. Рекламно-техническое, 59.06kb.
- Курс лекций часть 2 Тюмень 2006 удк 159 01 Михеева Е. М., Фалько Г. В. Психология:, 2034.37kb.
- Курс лекций для учителя Москва 2007 г. Удк, 313.39kb.
Лекция 2
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
2.1 Диэлектрик в электрическом поле
Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика. В нагреве технического диэлектрика могут участвовать содержащиеся в нем немногочисленные свободные заряды, обусловливающие возникновение под воздействием электрического напряжения малого сквозного тока, проходящего через толщу диэлектрика и по его поверхности. Наличие сквозного тока говорит о явлении электропроводности технического диэлектрика, численно характеризуемого значениями удельной объемной электрической проводимости и удельной поверхностной электрической проводимости, являющимися обратными соответствующим значениям удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений.
Любой диэлектрик может быть использован только при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях. При напряжениях выше этих предельных значений наступает пробой диэлектрика полная потеря им электроизоляционных свойств.
Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности однородного внешнего электрического поля электрической прочностью диэлектрика.
2.2 Поляризация диэлектриков и диэлектрическая
проницаемость
Под влиянием электрического поля связанные электрические заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля. При снятии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. В полярных диэлектриках, содержащих дипольные молекулы, воздействие электрического поля вызывает еще и ориентацию диполей в направлении поля. При отсутствии поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения.
Большинство диэлектриков характеризуется линейной зависимостью электрического смещения от напряженности электрического поля, созданного в диэлектрике. Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно, обнаруживая насыщение при некотором значении напряженности поля. Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками.
Наименование «сегнетоэлектрик» связано с тем, что нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли.
Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, может рассматриваться как конденсатор определенной емкости (рисунок 2.1,а).
U источник напряжения; С0 и Q0 емкость и заряд в вакууме;
прочие С и Q соответственно емкости и заряды от электронной,
ионной, дипольно-релаксационной, ионно-релаксационной,
электронно-релаксационной, миграционной и спонтанной
поляризаций; r с соответствующими индексами сопротивления,
эквивалентные потерям энергии при этих механизмах поляризации; RИЗ сопротивление изоляции сквозному току через диэлектрик
Рисунок 2.1 - Диэлектрик сложного состава с различными
механизмами поляризации в электрическом поле (а)
и его эквивалентная схема (б)
Заряд всякого конденсатора, как известно, равен
| Q=CU, | (2.1) |
где С емкость конденсатора, Ф;
U приложенное к нему напряжение, В.
Количество электричества Q при заданном значении приложенного напряжения слагается из двух составляющих: Q0, которое присутствовало бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и QД, которое обусловлено поляризацией диэлектрика, фактически разделяющего электроды, причем
| Q=Q0+QД. | (2.2) |
Одной из важнейших характеристик диэлектрика, имеющей особое значение для техники, является его относительная диэлектрическая проницаемость ε.
Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду Q0, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:
| ε=Q/Q0. | (2.3) |
Из выражений (2.1-2.3) следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума.
Значение относительной диэлектрической проницаемости всякого вещества не зависит от выбора системы единиц. В дальнейшем для характеристики качества диэлектриков используется именно это значение диэлектрической проницаемости, причем слово «относительная» для краткости опускается.
2.3 Основные виды поляризации диэлектриков
Переходя к рассмотрению явления поляризации в связи с агрегатным состоянием и структурой диэлектриков, следует различать два основных вида поляризации.
К первому виду относится поляризация, происходящая в диэлектрике под воздействием электрического поля практически мгновенно, вполне упруго, без рассеяния энергии, то есть без выделения тепла. Второй вид поляризации не совершается мгновенно, а нарастает и убы-вает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, то есть его нагреванием. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией.
К первому виду поляризации относятся электронная и ионная. Остальные механизмы принадлежат к релаксационной поляризации. Особым механизмом поляризации является резонансная, наблюдаемая в диэлектриках при световых частотах, а потому малосущественная для практической электротехники.
Емкость конденсатора с диэлектриком и накопленный в нем электрический заряд обусловливаются суммой различных механизмов поляризации. Несколько механизмов одновременно могут быть у одного и того же материала.
Эквивалентная схема диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, содержит ряд емкостей, включенных параллельно источнику напряжения U, как это показано на рисунке 2.1,б. Емкость С0 и заряд Q0 соответствуют собственному полю электродов, если между ними нет диэлектрика (вакуум). Величины СЭ и QЭ соответствуют электронной поляризации.
Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время установления электронной поляризации ничтожно мало (около 10-15 с). Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света п. Смещение и деформация электронных орбит атомов или ионов не зависят от температуры, однако электронная поляризация вещества уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика с электронной поляризацией при изменении температуры обусловливается лишь изменением его плотности. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии.
Ионная поляризация (СИ, QИ на рисунке 2.1,б) характерна для твердых тел с ионным строением и обусловливается смещением упруго связанных ионов. С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении, и в большинстве случаев температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.
Время установления ионной поляризации порядка 10-13 с.
Дипольно-релаксационная поляризация (СД-Р, ОД-Р, rД-Р), для краткости называемая дипольной, отличается от электронной и ионной тем, что она связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации.
Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, что должно усиливать дипольную поляризацию, однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. В связи с этим дипольная поляризация с увеличением температуры сначала возрастает, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения. Затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать.
Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поляризация связана с потерями энергии. Это отражено на рисунке 2.1,б в виде последовательно включенного с емкостью активного сопротивления rД-Р. В вязких жидкостях сопротивление поворотам молекул настолько велико, что в быстропеременных полях диполи не успевают ориентироваться в направлении поля, и дипольная поляризация при повышенных частотах приложенного напряжения может полностью исключаться.
Промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия теплового движения в е 2,7 раза от первоначального значения, называют временем релаксации.
Дипольная поляризация свойственна полярным газам и жидкостям. Этот вид поляризации может наблюдаться также и в твердых полярных органических веществах, но в этом случае поляризация обычно обусловлена уже не поворотом самой молекулы, а поворотом имеющихся в ней радикалов по отношению к молекуле. Такой вид поляризации называют также дипольно-радикальной поляризацией. Примером вещества с этим видом поляризации является целлюлоза, поляр-ность которой объясняется наличием гидроксильных групп ОН.
В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми вандерваальсовыми связями возможна ориентация и более крупных частиц.
Ионно-релаксационная поляризация (СИ-Р, QИ-Р, rИ-Р) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов (рисунок 2.1,б). В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля.
После снятия электрического поля смещение ионов постепенно ослабевает по экспоненциальному закону. С повышением температуры ионно-релаксационная поляризация заметно усиливается.
Электронно-релаксационная поляризация (СЭ-Р, QЭ-Р, rЭ-Р) отличается от электронной и ионной и возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок.
Электронно-релаксационная поляризация характерна главным образом для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокиси титана, загрязненной примесями Nb+5, Са+2, Ва+2; двуокиси титана с анионными вакансиями и примесью ионов Ti+3; ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности титана, ниобия, висмута.
Обращает на себя внимание высокое значение диэлектрической проницаемости, которое может иметь место при электронно-релакса-ционной поляризации, а также наличие максимума в температурной зависимости ε. Диэлектрическая проницаемость титаносодержащей керамики с электронно-релаксационной поляризацией в соответствии с теоретическими положениями уменьшается с возрастанием частоты.
Миграционная поляризация (СМ, QМ, rМ) представляет собой дополнительный механизм поляризации, проявляющийся в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д.
При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, образуя большие поляризованные области. В слоистых материалах на границах раздела слоев и в приэлектродных слоях может быть накопление зарядов медленно движущихся ионов.
Все емкости эквивалентной схемы на рисунке 2.1,б шунтированы сопротивлением RИЗ, представляющим собой сопротивление изоляции сквозному току через диэлектрик.
На рисунке 2.1 штриховыми линиями показаны также ССП, QCП и rСП, относящиеся к механизму самопроизвольной или спонтанной поляризации. Этот вид поляризации существует у сегнетоэлектриков.
В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие электрическим моментом еще в отсутствие внешнего поля. Однако при этом ориентация электрических моментов в разных доменах различна. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. В отличие от других видов поляризации в спонтанной поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастания интенсивности поляризации. Поэтому диэлектрическая проницаемость при спонтанной поляризации зависит от напряженности электрического поля. В температурной зависимости наблюдается один или несколько максимумов. В переменных электрических полях материалы с самопроизвольной поляризацией характеризуются значительным рас-сеянием энергии, то есть выделением тепла.
2.4 Классификация диэлектриков по виду поляризации
Особенности поляризации дают возможность классифицировать все диэлектрики на несколько групп.
К первой группе можно отнести диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией. Таковыми являются, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и др.).
Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями. К ним принадлежат полярные (дипольные) органические, полужидкие и твердые вещества (масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза), а также некоторые хлорированные углеводороды.
Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризациями. В этой группе целесообразно выделить две подгруппы материалов ввиду существенного различия их электрических характеристик:
1) диэлектрики с электронной и ионной поляризациями;
2) диэлектрики с электронной, ионной и релаксационными поляризациями.
К первой группе преимущественно относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, каменная соль (рисунок 1.2,а), корунд, рутил). Ко второй принадлежат неорганические стекла, материалы, содержащие стекловидную фазу (фарфор, микалекс), и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке.
Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризующиеся спонтанной, электронной, ионной и электронно-ионно-релакса-ционной поляризациями: сегнетова соль, метатитанат бария и другие.
Приведенная выше классификация диэлектриков позволяет до известной степени предопределять основные их электрические свойства, как это показано далее.
2.5 Диэлектрическая проницаемость газов
Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице.
Поляризация газа может быть чисто электронной или же дипольной, если молекулы газа полярны, однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация. Диэлектрическая проницаемость газа тем выше, чем больше радиус молекулы.
Диэлектрическая проницаемость газов возрастает с увеличением давления. Для воздуха диэлектрическая проницаемость при нормальных условиях равна 1,00058. При давлении 4 МПа проницаемость возрастает до величины 1,0218. Зависимость диэлектрической проницаемости газа от температуры и давления определяется изменением числа молекул в единице объема газа. Это число пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.
Влияние влажности воздуха на его диэлектрическую проницаемость (при нормальных температуре и давлении) таково:
| Относительная влажность воздуха, % | 0 | 50 | 100 |
| Значение ε | 1,00058 | 1,00060 | 1,00064 |
Это влияние незначительно при нормальной температуре, но заметно усиливается при повышенной температуре.
2.6 Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков
Жидкие диэлектрики могут быть построены из неполярных или полярных (дипольных) молекул. Значения диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелики и близки к значению квадрата показателя преломления света.
Зависимость диэлектрической проницаемости неполярной жидкости от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема.
Влияние температуры и частоты на диэлектрическую проницаемость неполярной жидкости показано на рисунке 2.2.
Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объема.
Сильнополярные жидкости, характеризующиеся очень высоким значением диэлектрической проницаемости, например вода, этиловый спирт, не могут найти практического применения в качестве диэлектриков вследствие их большой проводимости.
Температурная зависимость диэлектрической проницаемости полярных жидкостей имеет более сложный характер, чем неполярных.
tкип температура кипения
Рисунок 2.2 - Зависимости диэлектрической проницаемости
неполярной жидкости от температуры (а) и от частоты (б)
Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, использующихся в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5.
2.7 Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков
Диэлектрическая проницаемость твердых тел может принимать самые различные числовые значения в соответствии с разнообразием структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых телах возможны все виды поляризации.
Для твердых неполярных диэлектриков характерны те же закономерности, что и для неполярных жидкостей и газов. Это подтверждается данными таблицы 2.1 и зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры, показанной на рисунке 2.3. При переходе парафина из твердого состояния в жидкое (температура плавления около 54°С) происходит резкое уменьшение диэлектрической проницаемости вследствие сильного понижения плотности вещества.
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диэлектрическую проницаемость, лежащую в широких пределах. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных кристаллов в большинстве случаев положителен.
Таблица 2.1 - Диэлектрическая проницаемость и показатель
преломления некоторых неполярных твердых
диэлектриков при температуре 20°С
| Материал | n | n2 | ε |
| Парафин | 1,43 | 2,06 | 1,9-2,2 |
| Полистирол | 1,55 | 2,40 | 2,4-2,6 |
| Сера | 1,92 | 3,69 | 3,6-4,0 |
| Алмаз | 2,40 | 5,76 | 5,6-5,8 |
Рисунок 2.3 - Зависимость диэлектрической проницаемости
от температуры для неполярного диэлектрика парафина
Исключением являются кристаллы, содержащие ионы титана: рутил (TiО2) и некоторые титанаты. У них отрицательный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости (ТКε). Отрицательный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости этих кристаллов объясняется преобладающей в них электронной поляризацией, усиленной под влиянием добавочного внутреннего поля при ионном смещении.
В таблице 2.2 приведены значения диэлектрической проницаемости и ее температурного коэффициента для некоторых ионных кристаллов (при Т=20°С).
Таблица 2.2 - Значения ε и ТКε ионных кристаллов
| Кристалл | ε | ТКε10 6 , K-1 |
| Каменная соль (NaCl) | 6 | +150 |
| Корунд (Al2O3) | 10 | +100 |
| Рутил (TiO2) | 110 | -750 |
| Титанат кальция (CaOTiO2) | 150 | -1500 |
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц (в которых наблюдается, помимо электронной и ионной, также и ионно-релаксационная поляризация), характеризуются в большинстве случаев сравнительно невысоким значением диэлектрической проницаемости и её большим положительным температурным коэффициентом. Примером может служить электротехнический фарфор, зависимость диэлектрической проницаемости которого от температуры показана на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 - Температурная зависимость диэлектрической
проницаемости электротехнического фарфора
Для неорганических стекол (квазиаморфных диэлектриков) диэлектрическая проницаемость лежит в сравнительно узких пределах, примерно от 4 до 20, причем температурный коэффициент диэлектрической проницаемости всегда имеет положительное значение.
Полярные органические диэлектрики обнаруживают дипольную поляризацию в твердом состоянии.
К таким диэлектрикам относятся целлюлоза и продукты ее переработки, полярные полимеры. Дипольная поляризация наблюдается также у льда. Диэлектрическая проницаемость указанных материалов в большой степени зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения.
Можно отметить, что и диэлектрическая проницаемость льда резко меняется в зависимости от температуры и частоты. При низких частотах и температуре, близкой к 0°С, лед, как и вода, имеет ε=80, однако с понижением температуры диэлектрическая проницаемость быстро падает и доходит до 2,85.
Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков велика и имеет резко выраженную зависимость от напряженности поля и от температуры. Характерной особенностью сегнетоэлектриков является наличие в них диэлектрического гистерезиса (отставание изменений электрической индукции от изменений напряженности электрического поля). К сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль, титанат бария, кислый фосфорнокислый калий и другие.
В сегнетоэлектриках наблюдается явление электрического старения, выражающееся в уменьшении диэлектрической проницаемости со временем. Возможная причина этого явления перегруппировка доменов. Особенно резкое изменение диэлектрической проницаемости со временем наблюдается в сегнетоэлектриках при температурах, близких к точке Кюри.
Нагревание сегнетоэлектрика до температуры выше точки Кюри и последующее охлаждение возвращают диэлектрическую проницаемость к нормальному значению. Такое же восстановление диэлектрической проницаемости можно осуществить, воздействуя на сегнетоэлектрик электрическим полем повышенной напряженности
Лекция 3
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
3.1 Основные понятия
Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая поляризационные ток или токи смещения в диэлектриках.
Токи смещения упругосвязанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большинства технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения. При переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.
Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов или токов утечки.
Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике представляет собой сумму токов утечки и смещения
I=Iск +Iаб.
Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора индукции D, обусловленного мгновенным (электронное, ионное) и замедленным смещением зарядов
D=dD/dt.
Исследование зависимости тока через диэлектрик от времени позволяет установить, что после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.
Поляризационные токи необходимо принимать во внимание при измерениях проводимости диэлектриков ввиду того, что при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости. Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими поляризационных токов.
Особенностью электропроводности диэлектриков в большинстве случаев является ее неэлектронный (ионный) характер.
Истинное сопротивление диэлектрика Rиз, определяющее величину сквозного тока, может быть вычислено по следующей формуле:
| Rиз=U/(i+Σin)=U/iск, | (3.1) |
где U приложенное напряжение, В;
i наблюдаемый ток, А;
Σin сумма токов, вызванных замедленными видами поляризации;
iск сквозной ток.
Поскольку определение поляризационных токов даже замедленных видов поляризации представляет некоторые трудности, сопротивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включения напряжения, и принимаемый за сквозной ток.
Для твердых электроизоляционных материалов необходимо различать объемную и поверхностную электропроводность.
Для сравнительной оценки различных материалов в отношении их объемной и поверхностной электропроводности пользуются значениями удельного объемного сопротивления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρs.
По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость, по удельному поверхностному сопротивлению удельная поверхностная проводимость.
В системе СИ удельное объёмное сопротивление ρ равно сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной.
В случае плоского образца материала при однородном поле удельное объемное сопротивление (Ом м) рассчитывается по формуле
| ρ=RS/h, | (3.2) |
где R объемное сопротивление образца, Ом;
S площадь электрода, м2;
h толщина образца, м.
Удельная объемная проводимость
измеряется в Смм-1. Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через квадрат от одной его стороны к противоположной.
Удельное поверхностное сопротивление (в омах) рассчитывается по формуле
| ρs=Rsd/l, | (3.3) |
где Rs поверхностное сопротивление образца материала (Ом) между параллельно поставленными электродами шириной d (м), отстоящими друг от друга на расстоянии l (м).
Удельная поверхностная проводимость
измеряется в сименсах.Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению Rиз, складывается из объемной и поверхностной проводимостей.
Электропроводность изоляционных материалов обусловливается состоянием вещества: газообразным, жидким или твердым, а также зависит от влажности и температуры окружающей среды. Некоторое влияние на проводимость диэлектриков оказывает также напряженность поля в образце, при которой проводится измерение.
При длительной работе под напряжением ток через твердые и жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что электропроводность материала была обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшалась за счет электрической очистки образца. Увеличение тока со временем говорит об участии в нем зарядов, являющихся структурными элементами самого материала и о протекающем в нем необратимом процессе старения под напряжением, способном постепенно привести к разрушению пробою диэлектрика.
3.2 Электропроводность газов
Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают исключительно малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами.
Внешними факторами, вызывающими ионизацию газа, являются рентгеновы лучи, ультрафиолетовые лучи, космические лучи, радиоактивное излучение, а также термическое воздействие (сильный нагрев газа). Электропроводность газа, обусловленная действием внешних ионизаторов, называется несамостоятельной.
С другой стороны, особенно в разреженных газах, возможно создание электропроводности за счет ионов, образующихся в результате соударения заряженных частиц с молекулами газа. Ударная ионизация возникает в газе в тех случаях, когда кинетическая энергия заряженных частиц, приобретаемая под действием электрического поля, достигает достаточно больших значений. Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией, носит название самостоятельной.
В слабых полях ударная ионизация отсутствует и самостоятельной электропроводности не обнаруживается. При ионизации газа, обусловленной внешними факторами, происходит расщепление молекул на положительные и отрицательные ионы. Одновременно часть положительных ионов, соединяясь с отрицательными частицами, образует нейтральные молекулы. Этот процесс, как известно, называется рекомбинацией.
Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.
Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения будут перемещаться, и в цепи возникнет ток. Часть ионов при этом нейтрализуется на электродах, часть исчезает за счет рекомбинации.
На рисунке 3.1 показан характер зависимости тока от напряжения. Начальный участок кривой до напряжения Uн соответствует области выполнения закона Ома, когда запас положительных и отрицательных ионов достаточный и его можно считать постоянным. Ток пропорционален напряжению на газовом промежутке. По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, будут разряжаться на электродах. Очевидно, что дальнейшее увеличение напряжения уже не будет вызывать возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой.
Рисунок 3.1 - Зависимость тока в газе от напряжения
Ток насыщения достигается для воздуха в нормальных условиях при расстоянии между электродами в 10 мм и напряженности поля около 0,6 В/м. Реальное значение плотности тока насыщения в воздухе весьма мало и составляет примерно 10-15 А/м2. Поэтому воздух можно рассматривать как весьма совершенный диэлектрик до тех пор, пока не создадутся условия для появления ударной ионизации.
При увеличении напряжения ток остается постоянным лишь до тех пор, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации появляется самостоятельная электропроводность, и ток вновь начинает увеличиваться с возрастанием напряжения.
3.3. Электропроводность жидкостей
Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги; в полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц. Невозможность полного удаления способных к диссоциации примесей из жидкого диэлектрика затрудняет получение электроизоляционных жидкостей с малыми значениями удельной проводимости.
Полярные жидкости всегда имеют повышенную проводимость по сравнению с неполярными, причем возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости. Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой проводимостью, что рассматриваются уже не как жидкие диэлектрики, а как проводники с ионной электропроводностью.
Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей заметно повышает их удельное сопротивление. При длительном пропускании электрического тока через нейтральный жидкий диэлектрик также можно наблюдать возрастание сопротивления за счет переноса свободных ионов к электродам (электрическая очистка).
Удельная проводимость любой жидкости сильно зависит от температуры. С увеличением температуры возрастает подвижность ионов в связи с уменьшением вязкости, и может увеличиваться степень тепловой диссоциации. Оба эти фактора повышают проводимость.
Математически удельная проводимость электроизоляционной жидкости наиболее точно описывается выражением:
| γ=Аexp(-а/Т), | (3.4) |
где А и а постоянные, характеризующие данную жидкость.
В нешироком интервале температур зависимость удельной проводимости жидких диэлектриков от температуры может быть выражена следующей формулой:
| γ=γoexp(-at), | (3.5) |
где γo и a постоянные величины для данной жидкости;
t температура, °С.
Для того, чтобы показать зависимость удельной проводимости жидкости от ее вязкости, воспользуемся законом Стокса для движения шара в вязкой среде под действием постоянной силы. При этом установившаяся скорость будет
| v=F/(6πηr), | (3.6) |
где F сила, Н;
r радиус шара, м;
η динамическая вязкость жидкости, Пас.
Сила, действующая на носитель заряда и вызывающая его направленное перемещение, будет
| F=qE, | (3.7) |
где q заряд носителя, Кл;
Е напряженность электрического поля, В/м.
Воспользовавшись общим выражением для удельной проводимости
| γ=nоqv/E, | (3.8) |
и подставляя в него выражения (3.6) и (3.7), получим
| γ=nоq2/(6πηr), | (3.9) |
где nо концентрация носителей заряда.
Отсюда
| γη=nоq2/(6πr), | (3.10) |
Полагая, что nо, q, r не изменяются с температурой, то есть пренебрегая тепловой диссоциацией, из равенства (3.10) получаем, что произведение удельной проницаемости и вязкости при разных температурах для данной жидкости остается постоянным (правило Л.В. Писаржевского и П. И. Вальдена).
Из выражения (3.9) при тех же условиях следует, что проводимость возрастает при уменьшении вязкости. При влиянии температуры на степень диссоциации частиц жидкости произведение γη не остается постоянным и растет с возрастанием температуры. Для полярной жидкости льняного масла произведение γη остается почти постоянным при разных температурах; электропроводность трансформаторного масла обусловлена движением ионов примесей, степень диссоциации которых с увеличением температуры растет, а потому произведение γη увеличивается с ростом температуры.
При больших напряженностях электрического поля, порядка от 10 до 100 МВ/м, как показывает опыт, ток в жидкости не подчиняется закону Ома, что объясняется увеличением числа движущихся под влиянием поля ионов.
В таблице 3.1 приведены значения объемного удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости некоторых жидкостей при температуре 20°С.
В коллоидных системах наблюдается молионная, или электро-форетическая электропроводность, при которой носителями заряда являются группы молекул молионы.
Таблица 3.1 - Сопоставление значений диэлектрической
проницаемости и проводимости для различных
жидкостей
| Жидкость | Особен- ности строения | Удельное сопротивление (Ом м) при 200С | Диэлектрическая проницаемость |
| Бензол | Неполярная | 1011 - 1012 | 2,2 |
| Трансформаторное масло | 1010 - 1013 | 2,2 | |
| Бензин | 2,0 | ||
| Савол | Полярная | 108 - 1010 | 4,5 |
| Касторовое масло | 4,6 | ||
| Ацетон | Сильно - полярная | 104 - 105 | 22 |
| Этиловый спирт | 33 | ||
| Дистиллированная вода | 103 - 104 | 81 |
Из коллоидных систем в электротехнике используются эмульсии (оба компонента жидкости) и суспензии (твердые частицы в жидкости). Устойчивость эмульсий и суспензий объясняется наличием на частицах дисперсной фазы электрических зарядов. При наложении поля молионы приходят в движение, что и выражается внешне как явление электрофореза.
Электрофорез отличается от электролиза тем, что при нем не наблюдается образования новых веществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных слоях жидкости.
Электрофоретическая электропроводность наблюдается, в частности в маслах, содержащих эмульгированную воду, и в органических жидкостях, содержащих смолы.
3.4. Электропроводность твердых тел
Электропроводность твердых тел обусловливается движением как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях. Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной электропроводности это явление не наблюдается.
В процессе прохождения электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примеси могут частично удаляться, выделяясь на электродах, как это имеет место и в жидкостях.
В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, освобождаемых под влиянием флуктуаций теплового движения. При низких температурах передвигаются слабозакрепленные ионы, в частности, ионы примесей. При высоких температурах освобождаются и некоторые ионы из узлов кристаллической решетки.
В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей, удельная проводимость их весьма мала.
В каждом отдельном случае вопрос о механизме электропроводности решается на основании данных об энергии активации носителя заряда. Известно, например, что для каменной соли энергия активации ионов натрия при нормальной температуре составляет примерно 0,85 эВ. Энергия активации ионов хлора в три раза больше, а энергия активации электронов равна 6 эВ, тогда как средняя энергия теплового движения при комнатной температуре составляет всего лишь 0,025 эВ.
Удельная проводимость при некоторой температуре Т выражается той же простой зависимостью, что и для жидкостей (формула (3.8)). При этом
| v/E=u, | (3.11) |
как известно, носит название подвижности носителей заряда и в системе СИ измеряется в м/(сВ).
Подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов. В двуокиси титана, например, подвижность электронов составляет примерно 10-4 м/(сВ), тогда как подвижность ионов в алюмосиликатной керамике всего лишь от 1013 до 1016 м/(сВ).
Таким образом, в диэлектрике с электронной электропроводностью концентрация электронов в 109…1012 раз меньше, чем концентрация носителей в диэлектрике с ионной электропроводностью при одинаковом заряде носителей и одинаковом значении удельной проводимости.
Полагая, что при ионной электропроводности число диссоциированных ионов и их подвижность находятся в экспоненциальной зависимости от температуры, имеем
| nо=nомехр(-ωд /kT), u=uмехр(-ωn /kT), | (3.12) |
где ωд энергия диссоциации ионов, Дж;
ωn энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного положения в другое, Дж.
nом и uм соответствуют значения температуры, равной бесконеч- ности;
Используя формулы (3.8), (3.11), (3.12) и объединяя постоянные в один коэффициент А, получаем
| γ=Аехр(-b/T), | (3.13) |
где b = (ωд + ωn)/k.
Формула (3.13) показывает, что чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем сильнее изменяется удельная проводимость с увеличением температуры. Численное значение коэффициента b находится из экспериментально полученной зависимости удельной проводимости от величины, обратной температуре:
| b=Δlnγ/Δ(1/Т), | (3.14) |
где Δ интервалы изменения величин по осям графика.
Ввиду того, что обычно ωд много больше ωn, удельная проводимость при изменении температуры определяется главным образом изменением концентрации носителей.
Для приближенных расчетов удельной проводимости твердых диэлектриков можно пользоваться выражением (3.5).
В телах кристаллического строения с ионной решеткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей проводимостью, чем кристаллы с многовалентными ионами. Так, для кристалла NaCl проводимость значительно выше, чем для кристаллов MgO или Al2O3.
В кристаллах проводимость неодинакова по разным осям кристалла. Так, проводимость кварца в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси.
Удельная проводимость аморфных тел одинакова во всех направлениях и обусловливается составом материалов и наличием примесей. У высокомолекулярных органических и элементоорганических полимеров она зависит также от степени полимеризации (например, для фенолоформальдегидной смолы), от степени вулканизации (для эбонита).
Органические неполярные аморфные диэлектрики, например, полистирол, отличаются очень малой удельной проводимостью.
Большую группу аморфных тел составляют неорганические стекла. Электропроводность стекол самым тесным образом связана с химическим составом, что дает возможность в ряде случаев получать заранее заданную величину удельной проводимости.
Кварцевое стекло плавленый кварц и плавленый борный ангидрид обладают весьма малой удельной проводимостью.
Введение в состав стекла окислов металлов разных групп таблицы Менделеева по-разному отражается на электропроводности. Введение в состав стекла окислов щелочных металлов первой группы сильно увеличивает удельную проводимость. Это увеличение зависит от радиуса иона. Ион натрия, имеющий меньший радиус, чем ион калия, увеличивает удельную проводимость в большей мере, чем последний.
Введение в состав стекла тяжелых окислов (например, окислов бария или свинца) не только нейтрализует вредное влияние щелочных окислов, но и приводит к значительному понижению удельной проводимости стекол.
При рассмотрении электротехнического фарфора как системы, содержащей стекло, оказалось возможным понизить удельную проводимость этого диэлектрика введением в его состав окиси бария.
Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги, даже в ничтожных количествах резко увеличивают свою удельную проводимость. Высушивание материалов повышает их удельное сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде удельное сопротивление вновь уменьшается.
Керамические материалы в отличие от органической изоляции при отсутствии электрического поля не стареют, т.е. не происходит необратимых изменений их свойств под действием высоких температур. Однако в электрическом поле наблюдается электрохимическое старение керамики, часто вызывающее потерю электрической прочности. Необратимые изменения свойств в керамике объясняются выходом кислорода из решетки. Наиболее вероятен выход кислорода с поверхности образца и вблизи всякого рода дефектов: трещин, пор и др. В этом случае возникает отклонение от стехиометрического состава материала, которое может быть устранено лишь путем прокалки образца при высокой температуре в окислительной газовой среде.
3.5 Поверхностная электропроводность твердых
диэлектриков
Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием влаги или других загрязнений на поверхности диэлектрика. Вода отличается, как указывалось выше, значительной удельной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость, определяемая в основном толщиной этого слоя. Поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.
Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Поэтому относительная влажность является важнейшим фактором, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика. Особенно резкое уменьшение удельного поверхностного сопротив-ления наблюдается при относительной влажности, превышающей 70…80%.