Диэлектрики

под действием электрического поля.
Диэлектрик – вещество, основным свойством которого является

Поляризация – состояние вещества, при котором электрический момент некоторого его объема имеет ненулевое значение.

молекулы инертных газов (Не, Ne и др.);
Молекулы из 2

Пространственное расположение зарядов

хотя отдельная молекула является диполем (в кристалле они уложены антипараллельно,

Полиэтилен

Поливинилхлорид

твердых веществах с ионными связями, т.е. для кристаллических диэлектриков (например,

Дипольная поляризация

Характерна для полярных диэлектриков (жидкостей, аморфных вязких веществ). Заключается в повороте (ориентации) в направлении поля молекул, имеющих постоянный электрический момент
Непосредственный поворот молекул не совершается, внешнее поле вносит упорядоченность в положения полярных молекул
Время установления 10-6 – 10-10 с
С течением времени поляризованность убывает по закону

τ – время релаксации дипольной поляризации

Если период внешнего поля Т < τ, диполи не успевают переориентироваться

ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия теплового

поляризации диэлектрика
Значение ε определяет интенсивность процесса поляризации

конденсатора при его заполнении диэлектриком, т.е. характеристика способности вещества накапливать

Для отдельной молекулы РИ = αЕ (α – поляризуемость частицы) → P = N*PИ = N*α*E (N – количество молекул в единице объема) →

мал и сравним со сквозным
После подачи постоянного напряжения ток

Ток абсорбции – ловушечный ток (поглощение свободных носителей ловушками захвата)

При постоянном напряжении проходит только в периоды включения и выключения (меняя направление)

Ток утечки

барьером W; вероятность перескока ~
Характер проводимости – ионный. Носители

катоду, а «-» - ионы – к аноду ↔ Электролиз

А

Особенности:

(k – электрохимический эквивалент вещества)

В кристаллах проводимость неодинакова по разным осям (например, у кристалла кварца ρ = 1012 Ом*м вдоль главной (оптической) оси и ρ > 2*1014 Ом*м перпендикулярно ей)

В аморфных телах проводимость одинакова во всех направлениях и зависит от состава материала и наличия примесей; для высокомолекулярных полимеров также зависит от степени полимеризации

Наличие поверхностной электропроводности

друг другу кромками электродов длиной b, отстоящими друг от друга

Удельное поверхностное сопротивление – это сопротивление квадрата любого размера на поверхности диэлектрика, ток через который идет от одной стороны до противоположной (при a = b ρS = RS )

Характер зависимости ρs диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения ρ. Однако при изменениях влажности окружающей среды значения ρs изменяются быстрее, чем ρ.

Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых – влаги. Кроме того, ρs падает при загрязнении поверхности диэлектрика.

С увеличением Т степень диссоциации и концентрация ионов возрастают

lnγ

1/T

Полярные жидкости (дистиллированная вода, ацетон, этиловый спирт)

Слабо полярные (касторовое масло)

Неполярные (бензол, трансформаторное масло)

103 … 105


ρ, Ом*м 108 … 1010

1010 … 1014

фаза в виде мелких частиц (капель, зерен, пылинок) равномерно взвешена

Эмульсии (обе фазы жидкости)

Суспензии (твердые частицы в жидкости)

Аэрозоли (твердые и жидкие частицы в газе)

Среда, в которой находятся мелкие частицы, - дисперсная (внешняя) среда (ДС)
Сами частицы – дисперсная (внутренняя) фаза (ДФ)

Молион – частица ДФ, имеющая на поверхности электрический заряд → проводимость в коллоидных системах называется молионной

Электрофорез → движение молионов во внешнем поле (новые вещества не образуются, меняется относительная концентрация ДФ в различных частях объема ДС

излуче-ние, сильный нагрев)
Соударения заряженных частиц самого газа с молекулами (ударная

Несамостоятельная электропроводность

Самостоятельная электропроводность

Исчезает после исчезновения внешнего фактора

ионы разряжаются на электродах без рекомбинации
Возникновение ударной ионизации
Ен = 0,6

диэлектрика, находящегося в электрическом поле.




Угол δ между векторами плотностей переменного

tgδ – основной параметр оценки качества диэлектрика. Он не зависит от формы и размеров участка изоляции и определяется только материалом

Коэффициент диэлектрических потерь ε’’ = ε*tgδ

током в хорошо проводящих диэлектриках (Рскв =γЕ2)

Практически

и частоты приложенного напряжения для неполярных диэлектриков

Релаксационные потери
Обусловлены активными составляющими

1/τ → частота релаксации

С увеличением температуры ωр возрастает по зависимости

Величина потерь зависит от соотношения времени установления поляризации τ и периода изменения электрического поля Т = 1/f:
τ << T - энергия на поляризацию не затрачивается
τ ~ T - часть энергии уходит на поляризацию
τ >> T - поляризация вообще не успевает произойти

Зависимость tgδ полярного диэлектрика от частоты и температуры

1 – потери за счет дипольной поляризации; 2 – потери за счет сквозной проводимости; 3 – суммарные потери

некоторых газах

Выражаются в интенсивном поглощении светового излучения веществом

Резонансная частота

Ионизационные потери

Представляют собой потери на частичные разряды и наблюдаются в пористых диэлектриках с газовыми включениями при повышении напряжения сверх порога ионизации Uион

под действием электрического поля и потеря электроизоляционных свойств

Uпр/h – электрическая прочность (напряженность электрического поля, при которой происходит

Вольт-амперная характеристика участка изоляции

После снятия напряжения

В газовых и жидких диэлектриках пробитый участок восстанавливает первоначальные свойства

В твердых диэлектриках остается след в виде пробитого отверстия неправильной формы; при вторичной подаче напряжения пробой происходит в том же месте при гораздо меньшем напряжении

Коэффициент запаса электрической прочности

Коэффициент импульса

ионизации α → число ионизаций, производимых движущимся электроном на

Количество электронов при движении от катода к аноду возрастает в eαh раз (h – разрядный промежуток)

Механизмы пробоя

Лавинный → ударная ионизация электронов сопровождается вторичными процессами на катоде → заряды в газовом промежутке восполняются → образуется серия лавин → пробой

Лавинно-стримерный → фотоионизация под действием поля пространственного заряда лавины → возникновение положительных и отрицательных стримеров (скоплений ионизированных частиц с высокой степенью ионизации) → пробой

АВ – распространение лавины
CD – распространение стримера

Р изменяется так, что P*h = const, то Uпр не

Физический смысл: одинаковые частицы в газовых промежутках получают на одном и том же длине пути λ одинаковую энергию от поля

в неоднородном поле - возникновение частичного разряда в виде короны

В случае несимметричных электродов игла – плоскость и положительной полярности на игле пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности. Ионизация газа при любой полярности на электродах происходит в районе иглы, где существуют наибольшие напряженности электрического поля. В результате ионизации образуются электроны и ионы, причем электроны быстро нейтрализуются на аноде, а вблизи иглы остаются малоподвижные положительно заряженные ионы. «Облако» объемного заряда изменяет первоначальное распределение потенциала. При положительной полярности на игле объемный заряд ослабляет напряженность поля вблизи иглы и, наоборот, усиливает ее в неионизированной области. Создаются благоприятные условия для дальнейшей ионизации газа, т. е. дальнейшего прорастания объемного заряда в направлении к катоду. В рассматриваемом случае объемный заряд фактически является продолжением иглы и сокращает эффективную длину разрядного промежутка.
При отрицательной полярности на игле облако положительного заряда уменьшает напряженность поля в неионизированной области. Поэтому дальнейшая ионизация газа возможна лишь при более высоком напряжении на электродах. Таким образом, в данном случае объемный положительный заряд играет роль экрана, сглаживающего максимальные неоднородности поля в разрядном промежутке.

ударная ионизация электронами и холодная эмиссия с катода
Электрическая прочность ~

Причины пробоя: образование проводящих мостиков из пузырьков газа, твердых частиц, капелек влаги

Примеси в виде органических волокон: если мостик соприкасается с одним из электродов, то он служит его игловидным продолжением → межэлектродное расстояние ↓ → электрическая прочность ↓

Примеси в виде капелек влаги: если влага находится в виде эмульсии, прочность ↓ гораздо сильнее, чем если в растворенном состоянии

Электрическая прочность зависит от времени воздействия напряжения ↔ если диэлектрик протекает между электродами, его прочность выше, чем у неподвижного

между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля
ЕПР =

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ

Причина – химические процессы, происходящие в диэлектрике под действием электрического поля (электрохимическое старение)
Имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха
Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время

выделяемая в образце РВ = U2*ω*C*tgδ
Мощность, отводимая от образца

Влияние внешних факторов: частота и температура (при их увеличении напряжение пробоя уменьшается)

диэлектрика
Значение поверхностного пробивного напряжения зависит от конфигурации электродов, габаритных размеров

ИОНИЗАЦИОННЫЙ ПРОБОЙ

Он характерен для твердых пористых диэлектриков и обусловлен ионизацией газа в порах. За счет ионизационных потерь разогревается поверхность закрытых пор, возникают локальные перепады температуры в диэлектрике и связанные с ними термомеханические напряжения