Электротехнические материалы (стр. 2 )

4. Диэлектрики. Это материалы – антиподы проводников, они имеют высокое удельное сопротивление (низкую проводимость ). Диэлектрические материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. Диэлектрики используются в различных электротехнических устройствах для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электротехнических устройств, отделяет друг от друга части, находящиеся под действием разных электрических потенциалов.

Еще одна область применения диэлектриков – это диэлектрики в конденсаторах, служащие для накопления энергии электрического поля и создания определенного значения электрической емкости конденсаторов.

Другое название диэлектриков – электроизоляционные материалы. Назначение электрической изоляции – не допустить прохождения электрического тока по каким-либо путям, не предусмотренным конструкцией или схемой устройства. Очевидно, что никакое устройство не может быть выполнено без применения электроизоляционных материалов.

В различных случаях к электроизоляционным материалам предъявляют самые разнообразные требования. Помимо электроизоляционных свойств большое значение имеют механические, тепловые и другие физико-химические свойства. Важное значение имеет также стоимость и дефицитность материалов.

По агрегатному состоянию электроизоляционные материалы делятся на твердые, жидкие и газообразные.

Большое практическое значение имеет деление электроизоляционных материалов в соответствии с их химической природой на органические и неорганические. Органические материалы обладают ценными механическими свойствами – гибкостью, эластичностью, им легко придавать требуемую форму, однако за редкими исключениями они имеют относительно низкую нагревостойкость.

Тема1. Электрофизические характеристики материалов.

Лекция 2. Электропроводность материалов. Диэлектрическая проницаемость материалов.

2.1. Перекличка. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

2.2. Электропроводность.

2.3. Диэлектрическая проницаемость.

2.1. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

2.1.1.  Определение материала.

2.1.2.  Предмет дисциплины «Электротехнические материалы»

2.1.3.  Основная классификация электротехнических материалов.

2.1.4.  Опишите взаимосвязь между качеством стоимостью и функциональными характеристиками материалов.

Особенностями использования материалов в электроэнергетике является то, что они эксплуатируются в условиях воздействия электрических полей, и в несколько меньшей степени, в условиях воздействия магнитных полей. Основными процессами, происходящими под действием этих полей являются поляризация вещества, электропроводность, намагничивание вещества.

2.2. Электропроводность.

Электропроводность – это способность материала проводить электрический ток.

?

Кто помнит определение электрического тока из курса физики? Электрическим током называется направленное движение электрически заряженных частиц. Электрический ток может быть вызван заряженными частицами разных типов. Основные виды заряженных частиц – это электроны и ионы.

2.2.1. Основное уравнение электропроводности.

Можно написать наиболее общую формулу, для плотности тока j, верную для любых сред,

j = S ni·qi·Vi

Здесь i - тип или cорт заряда, (например электроны, ионы различных молекул, заряженные частицы и т. п.), ni - концентрация зарядов i-cорта, qi - значение заряда, Vi - скорость носителей заряда.

Чтобы разобраться с электропроводностью разных материалов, необходимо понять, какие в них плотности (концентрации) заряда, как они появляются и от чего они зависят, какие величины зарядов, с какими скоростями могут двигаться. Все это главные вопросы в изучении электропроводности.

Для всех сред, за исключением вакуума, скорость носителей пропорциональна напряженности поля

Vi = bi·E

где bi - подвижность носителей заряда.

Подвижностью носителей заряда называется коэффициент пропорциональности между скоростью носителей заряда Vi и напряженностью поля E. Размерность подвижности - м2/(В с). Фактически подвижность численно равна скорости носителей заряда при напряженности поля 1 В/м.

Подставляя уравнение (2) в (1) получим аналог закона Ома в дифференциальной форме, связывающий плотность тока с напряженностью электрического поля. Мы получим выражение, с помощью которого можно прогнозировать величину электрического сопротивления того или иного материала.

Типы носителей заряда и их подвижность могут быть разными в различных средах. Подвижность носителей также сильно зависит от среды.

Основными видами заряженных частиц являются электроны и ионы – то, что остается от атома или молекулы, когда они теряют электроны.

2.2.2. Электропроводность металлов

В атомах металлов электроны достаточно слабо связаны с ионными остатками. Поэтому при образовании из атомов собственно материала металла эти электроны от разных атомов как - бы обобществляются и могут свободно передвигаться по всему объему металла. Они и являются носителями заряда. Примерное количество электронов в металле составляет около 1022 шт/см3. Их подвижность также велика. Оценки дают значения bi примерно 10-2-10-1 м2/(В с).

2.2.3. Электропроводность газов

Газы обладают исключительно малой проводимостью. Это связано с очень низкой концентрацией носителей заряда. Появление носителей в газе происходит за счет ионизации нейтральных молекул под действием внешних факторов либо при соударении заряженных частиц с молекулами. Основным фактором, определяющим проводимость газов, является космическое излучение. Обычно в воздухе образуется порядка 1000 шт. электронов и ионов в 1 см3 за 1 сек. Ионизация сильно увеличивается при нагревании газа. Электропроводность газа, обусловленная этим явлением, называется несамостоятельной.

Под действием сильных электрических полей заряженные частицы могут приобретать большие скорости и образовывать новые ионы при соударениях с нейтральными молекулами. Электропроводность газа, обусловленная этим явлением, называется самостоятельной. В слабых электрических полях ударная ионизация отсутствует.

Одновременно с образованием носителей зарядов протекает противоположный процесс – объединение заряженных частиц в нейтральные молекулы. Этот процесс называется рекомбинацией. Наличие рекомбинации объясняет установление определенного уровня ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.

Характер зависимости тока от напряжения для газа представлен на рис.1. При небольших значениях напряжения выполняется закон Ома. В этой области запас положительных и отрицательных частиц достаточен и практически постоянен. При увеличении напряжения положительные ионы не успевают рекомбинировать и разряжаются на электродах. Это соответствует горизонтальному участку кривой. При дальнейшем увеличении напряжения вследствие ударной ионизации появляется самостоятельная проводимость, и ток вновь начинает расти с увеличением напряжения.

2.2.3. Электропроводность твердых диэлектриков.

Здесь основными носителями заряда являются электроны. Ионы "вморожены" и практически не имеют возможности движения bi ~10-23 м2/(В ·с). Образование свободных носителей заряда происходит вследствие воздействия ионизационных излучений и нагревания. Рекомбинация носителей заряда в твердых телах не затруднена. Электропроводность твердых диэлектриков определяется наличием примесей.

2.2.4. Электропроводность жидкостей.

Современные представления о проводимости диэлектрических жидкостей состоят в следующем. Здесь носителями заряда являются ионы, т. к. электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости и не могут существовать в свободном состоянии. Кроме того, в жидкости заряды могут переноситься молионами (группами молекул), частицами и даже пузырьками. Ионизация облегчена по сравнению с газами. Рекомбинация носителей заряда в жидкости затруднена, поскольку заряды активно взаимодействуют с более плотной и подвижной средой.

Таким образом, в жидкостях обычно проводимость больше, чем в газах и твердых телах за счет облегченной ионизации и затрудненной рекомбинации

С другой стороны, отсутствие формы жидкости, легкость очистки дают возможность уменьшения электропроводности, что невозможно сделать с твердыми диэлектриками. В настоящее время существуют несколько новых технологий очистки жидкостей, например электродиализ, благодаря которым некоторые жидкости очищали до проводимости, не хуже лучших образцов твердых диэлектриков.

2.3. Диэлектрическая проницаемость.

Одной из важнейших характеристик диэлектриков, имеющей важнейшее значение для техники является его относительная диэлектрическая проницаемость ε.

Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду Q0, который можно было бы получить в конденсаторе, если бы между электродами находился вакуум:

ε = Q/Q0

Из этого определения следует, что диэлектрическая проницаемость не зависит от выбора системы единиц и ее числовое значение всегда больше единицы.

Значение диэлектрической проницаемости вещества указывает на его способность накапливать электрические заряды по сравнению с вакуумом. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем большую емкость, большую электрическую энергию будет иметь конденсатор при тех же размерах. Способность диэлектриков накапливать электрический заряд практически обусловлена таким физическим процессом как поляризация.

2.3.1. Диэлектрическая проницаемость газов.

Газы обладают низкой плотностью, большие межмолекулярные расстояния. Газы обладают низкой способностью к поляризации, их диэлектрическая проницаемость незначительно превосходит единицу. Например для кислорода ε = 1.00055. Зависимость диэлектрической проницаемости от давления и температуры определяется измененим числа молекул в единице объема газа. То есть, с ростом давления диэлектрическая проницаемость увеличивается, а с ростом температуры диэлектрическая проницаемость газа снижается. На значение диэлектрической проницаемости воздуха также оказывает определенное значение его влажность. С ростом влажности диэлектрическая проницаемость воздуха незначительно увеличивается.