Материаловедение и технология конструкционных материалов (стр. 7 )

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%.

Лекция 4

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

4.1 Основные понятия

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

Потери энергии 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 сквозной электропроводности, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями. Чаще для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол δ будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь δ и его функция tgδ.

Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению.

Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором использован данный диэлектрик, а, следовательно, и величину затухания.

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества.

Диэлектрические потери могут обусловливаться сквозным током или, как указывалось при рассмотрении явления поляризации, активными составляющими поляризационных токов. При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно изобразить это явление в виде кривых, представляющих зависимость электрического заряда на обкладках конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения (рисунок 4.1).

При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения (рисунок 4.1,а) и такой диэлектрик называется линейным. Если в линейном диэлектрике имеет место замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рисунок 4.1,б). Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения напряжения.

В случае нелинейного диэлектрика - сегнетоэлектрика, кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид петли такого же характера, как петля гистерезиса у магнитных материалов, и в этом случае площадь петли пропорциональна потерям энергии за один период.

В технических электроизоляционных материалах, помимо потерь от сквозной электропроводности и потерь от замедленной поляризации, возникают диэлектрические потери, которые сильно влияют на электрические свойства диэлектриков. Эти потери вызываются наличием изолированных друг от друга посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, окислов железа и т. д. и значительны даже при малом содержании таких примесей в электроизоляцион-ном материале.

В случае высоких напряжений потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри диэлектрика, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах.

Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями, находящемуся в цепи переменного напряжения. Эта схема должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы активная мощность, расходуемая в данной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток опережал напряжение на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе.

Поставленная задача может быть решена заменой конденсатора с потерями идеальным конденсатором с последовательно включенным активным сопротивлением (последовательная схема) или идеальным конденсатором, шунтированным активным сопротивлением (параллельная схема). Такие эквивалентные схемы, конечно, не дают объяснения механизма диэлектрических потерь и введены только условно.

Последовательная и параллельная схемы представлены на рисунке 4.2. Там же даны соответствующие диаграммы токов и напряжений. Обе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений z1=z2=z равны их активные и реактивные составляющие. Это условие будет соблюдаться, если углы сдвига тока относительно напряжения равны и значения активной мощности одинаковы.

Рисунок 4.2 - Векторные диаграммы и эквивалентные схемы

диэлектрика с потерями: а - последовательная, б - параллельная

Далее выразим мощности для последовательной и параллельной схем через емкости Сs (последовательно включенная емкость) и Ср (параллельно включенная емкость) и угол δ.

Для последовательной схемы имеем

(4.1)

и (4.2)

Для параллельной схемы имеем

(4.3)

. (4.4)

Приравнивая полученные выражения для мощностей и tgδ, находим соотношения между емкостями и сопротивлениями для двух схем включения.

(4.5)

(4.6)

Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg2δ по сравнению с единицей в формуле (4.6) и считать Ср=Cs=С. Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут одинаковы для обеих схем:

(4.7)