Тема 3.1 Физика диэлектриков

Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохра­нять электростатическое поле. Это широкий класс электротехниче­ских материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и синтетических, органических, неорганических и элементоорганических.

По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из непо­лярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные диэлектрики состо­ят из несимметричных молекул (диполей). Дипольная молекула ха­рактеризуется дипольным моментом - р (рис. 14).

Рисунок 14. Примеры электрического строения молекул диэлектриков: а - неполярная (симметричная) молекула неполярного диэлектрика (метана); б- дипольная молекула полярного диэлектрика (хлорированного метила), дипольный момент р > О

р = q • ℓ

где q = 2 • 10 ^-19 заряд, Кл;

l - расстояние между зарядами, м

В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивает­ся в виде тепла. Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики.

«Основные электрические свойства диэлектриков»

Основные электрические свойства диэлектриков и их характе­ристики приведены в табл. 8

Таблица 8 Электрические свойства диэлектриков и их характеристики

«Поляризация диэлектриков»

Поляризация - это упругое смещение связанных зарядов или ориентация молекул диэлектрика в электрическом поле. Поляриза­ция сопровождается появлением на поверхности диэлектрика свя­занных электрических зарядов.

Способность диэлектрика к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью

где С - емкость конденсатора с диэлектриком;

С_о - емкость конден­сатора без диэлектрика (в вакууме).

Различают следующие виды поляризации:

• электронная поляризация - упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов под действием внешнего поля (рис. 15, а). Она свойственна всем веществам, но играет опре­деляющую роль в неполярных диэлектриках (газообразных, жидких и твердых). Такая поляризация протекает почти мгно­венно (t = 10 ^-15с), без потерь энергии, ее величина не зависит от частоты поля;

• ионная поляризация обусловлена смещением упруго связан­ных ионов в пределах межатомного расстояния (рис. 15,6). Она характерна для веществ с ионным строением, время поляриза­ции невелико (t = 10^-13с), происходит практически без потерь энергии;

• дипольно-релаксационная поляризация заключается в ориентации дипольных молекул под действием сил поля (рис. 15, в). Она присуща полярным диэлектрикам, протекает во времени (t = 10 ^-2с) и сопровождается потерями энергии;

• самопроизвольная (спонтанная) поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков. Это вещества, состоящие из наэлектризо­ванных областей - доменов, обладающих электрическим мо­ментом. В отсутствие внешнего поля домены расположены произвольно, и суммарный момент равен нулю. Во внешнем поле происходит переориентация доменов и создается эффект сильной поляризации (рис. 15, г): относительная диэлектриче­ская проницаемость достигает ε = 10⁵.

Рисунок 15 Схема возникновения поляризации: а - электронной, б - ионной, в - дипольно-релаксационной, г - спонтанной (самопроизвольной)

«Влияние температуры на поляризацию диэлектриков»

Изменение относительной диэлектрической проницаемости при изменении температуры характеризуется температурным коэффи­циентом

При электронной поляризации относительная диэлектрическая проницаемость несколько уменьшается с повышением температуры вследствие уменьшения плотности вещества (α_ε<0) (кривая 1 на рис. 16). При ионной поляризации ε с увеличением температуры не­сколько повышается в результате ослабления упругих сил, дейст­вующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении (α_ε >0) (кривая 2 на рис. 16). Дипольно-релаксационная поляризация сильно зависит от температуры сре­ды. С увеличением температуры силы межмолекулярного взаимо­действия ослабевают, и дипольные молекулы легче ориентируются во внешнем поле - ε растет. При дальнейшем повышении темпера­туры интенсивное тепловое движение молекул ослабляет ориенти­рующее влияние поля - ε уменьшается (кривая 3 на рис. 16). При самопроизвольной поляризации ее величина растет до определен­ной температуры (T_к - точка Кюри), выше которой сегнотоэлектрик теряет свои специфические свойства (кривая 4 на рис. 16).

Рисунок 16 Температурные зависимости относительной диэлектрической проницаемости при поляризации: 1 - электронной, 2 - ионной, 3 - дипольно-релаксационной, 4 – спонтанной

«Электропроводность диэлектриков»

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в диэлектрике до момента установления равновесного состояния происходят во времени, создавая поляризационные токи или токи смещения.

При дипольно-релаксационной поляризации токи смещения на­зывают еще абсорбционными токами i_абс. При постоянном на­пряжении абсорбционные токи возникают только в моменты вклю­чения и выключения напряжения. Наличие в технических диэлек­триках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине токов сквозной проводимости i_ск. Та­ким образом, полный ток в диэлектрике, называемый током утеч­ки, складывается из абсорбционного и сквозного (рис.17)

I_ут=i_аб+ i_ск

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется величиной сквозного тока. При переменном напряжении проводимость определяется сквозным током и абсорбционными то­ками замедленных механизмов поляризации.

У твердых диэлектриков различают объемную и поверхностную электропроводность, которую оценивают, соответственно, удель­ным объемным сопротивлением (ρ, Омм) и удельным поверхностным сопротивлением (p_s, Ом).

О 60 t,с

Рисунок 17 Изменение тока утечки в твердом диэлектрике

Удельное объемное сопротивление численно равно сопро­тивлению куба с ребром в 1 м, если ток проходит через две проти­воположные грани. В случае плоского образца в однородном поле

где R - объемное сопротивление образца, Ом;

S - площадь электро­да, м²;

h - толщина образца, м.

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата любых размеров, если ток проходит через две противоположные стороны

где R_s - поверхностное сопротивление образца между параллельно стоящими электродами шириной d, находящимися друг от друга на расстоянии l (рис. 18).

1 - электроды, 2 – диэлектрик

Рисунок 18 Схема определения удельного поверхностного сопротивления p_s твердого диэлектрика

Полная проводимость диэлектрика, соответствующая сопро­тивлению изоляции R_из, складывается из объемной и поверхностной проводимостей.

Электропроводность диэлектриков зависит от концентрации свободных носителей заряда, температуры и влажности среды. Примеси являются дополнительными источниками ионов и увели­чивают электропроводность.

С повышением температуры растут подвижность носителей за­ряда и их количество, поэтому электропроводность диэлектриков возрастает, а сопротивление падает.

Увеличение влажности среды практически не оказывает влия­ния на проводимость неполярных диэлектриков, так как они не сма­чиваются водой. Полярные диэлектрики смачиваются водой, а вода является источником ионов. Кроме того, при наличии влаги может происходить частичная диссоциация молекул диэлектрика и приме­сей, что приводит к возрастанию электропроводности.

«Диэлектрические потери»

Диэлектрические потери - это мощность электрического то­ка, рассеиваемая в диэлектрике в виде тепла. Численно диэлектри­ческие потери характеризуются тангенсом угла диэлектрических по­терь tgδ, где δ - угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между векторами тока и напряжения в цепи с емкостью (δ = 90° - φ).

При приложении переменного напряжения к конденсатору с идеальным диэлектриком угол сдвига фаз между током и напряже­нием φ = 90° (рис. 19,а), δ = 0, тепловых потерь нет.

Для расчета потерь мощности в реальном диэлектрике при воз­действии переменного напряжения используют эквивалентную схе­му, заменив конденсатор с реальным диэлектриком на идеальный конденсатор с параллельно (или последовательно) включенным ак­тивным сопротивлением (рис. 19,6). Потери мощности Р_а (Вт) вызы­вает активная составляющая тока

P_а =U•I_a

Учитывая, что I_а =I_с ·tg δ, a I_c =U -ω-С, получаем

Р_а =U² ω C tgδ,

где (U- напряжение, В; ω - круговая частота тока, с ^-1.)

Рисунок 19 Схема определения диэлектрических потерь: а - конденсатор с иде­альным диэлектриком (tgδ = 0); б - параллельная эквивалентная электрическая схема конденсатора с реальным диэлектриком (tgδ > 0)

Виды диэлектрических потерь:

• потери от сквозной проводимости (на электропроводность);

• релаксационные;

• ионизационные;

• резонансные.

Потери на электропроводность (от сквозной проводимости) - основные потери для неполярных диэлектриков. Они не зависят от частоты приложенного напряжения (Р_а = const), tgδ уменьшается с частотой поля f по гиперболическому закону (рис. 20,а)

Рисунок 20 Зависимости диэлектрических потерь от частоты тока (а) и температу­ры (б)

tgδ= 1,8•10 ¹⁰

ε • f • ρ

где ρ - сопротивление, измеренное на постоянном токе;

ε - относи­тельная диэлектрическая проницаемость на данной частоте.

Потери сквозной проводимости возрастают с ростом темпера­туры по экспоненциальному закону (рис. 20,6).

Р_ат=А-ехр(-b /Т),

где A, b - постоянные материала

Релаксационные потери характерны для диэлектриков с за­медленными видами поляризации. Они наблюдаются в полярных жидкостях с дипольно-релаксационной поляризацией, а также у ли­нейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации (неорганические стек­ла, полимеры, керамика, кристаллические вещества, с неплотной упаковкой атомов и др.).

Релаксационные потери сильно зависят от температуры и час­тоты поля. При низких температурах время релаксации поляризации велико (t_о»1/ω)), tgδ мал. С повышением температуры сте­пень поляризации молекул увеличивается, и tgδ возрастает. При температуре, соответствующей наибольшему развитию дипольно-релаксационной поляризации (время релаксации приближается к периоду изменения поля), tgδ достигает максимального зна­чения. При дальнейшем повышении температуры время релаксации становится меньше времени периода изменения поля, ориенти­рующее влияние поля ослабевает, релаксационные потери умень­шаются, однако с учетом потерь на электропроводность общие по­тери возрастают. С ростом частоты поля релаксационные потери увеличиваются, так как возрастает отставание поляризации от изменения поля.

Ионизационные потери в диэлектрике обусловлены процес­сами ионизации под действием электрического поля. Они свойст­венны диэлектрикам в газообразном состоянии и проявляются в не­однородных электрических полях при напряженностях, превышаю­щих значение, соответствующее началу ионизации данного газа.

Резонансные потери - это интенсивное поглощение энергии электромагнитного поля газом при определенной частоте. С ростом частоты поля релаксационные потери увеличиваются, так как возрастает отставание поляризации от изменения поля. Когда же частота настолько велика, что поляризованность диэлектрика становится незначительной, мало и значение tgδ. Однако на высоких частотах велико число циклов поляризации в единицу времени, и активная мощность, рассеиваемая в диэлектри­ке, остается практически постоянной, несмотря на уменьшение tgδ с ростом частоты.

«Пробой диэлектриков»

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля — электрической прочностью диэлектрика.

Пробивное напряжение обозначается U_пр и измеряется чаще всего в киловольтах. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

E_np = U_пp/h

где h — толщина диэлектрика.

Удобные для практических целей численные значения электрической прочности диэлектриков получаются, если пробивное напряжение выражать в киловольтах, а толщину диэлектрика — в миллиметрах. Тогда электрическая прочность будет в кВ/мм. Для сохранения численных значений и перехода к единицам системы СИ можно пользоваться единицей МВ/м:

1МВ/м= 1кВ/мм= 10⁶ В/м.

Пробой газа обусловливается явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных тепловых процессов. Одним из главнейших факторов, способствующих пробою жидкостей, является наличие в них сторонних примесей. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля.

Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле и приводящими к внезапному резкому местному возрастанию плотности электрического тока к моменту пробоя.

Тепловой пробой является следствием уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле, что приводит к росту активного тока и дальнейшему увеличению нагрева диэлектрика вплоть до его термического разрушения.

При длительном действии напряжения пробой может быть вызван электрохимическими процессами, происходящими в диэлектрике под воздействием электрического поля.

Из изложенного следует, что пробой газов — явление чисто электрическое. Поэтому все численные данные по пробою газов относятся к максимальным (амплитудным) значениям напряжения.
Поскольку в разрушении жидких и особенно твердых диэлектриков
существенную роль играют тепловые процессы, то в случае приложения к диэлектрикам переменного напряжения численные значения пробивного напряжения относятся к действующим (эффективным).

«Тепловой и электрохимический пробой твердых диэлектриков»

Электротепловой (сокращенно тепловой) пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов:

частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано нагревостойкостью материала. Органические диэлектрики вследвие малой нагревостойкости при прочих равных условиях имеют более низкие значения пробивных напряжений при тепловом пробое, чем неорганические. При расчетах напряжения теплового пробоя

должны приниматься во внимание tg б диэлектрика и его зависимость от температуры, а также диэлектрическая проницаемость материала. В цепях переменного тока низкой частоты находят применение материалы, дающие резкое возрастание tg δ уже при нагреве выше 20—30° С; с другой стороны, известны диэлектрики, значение tg δ которых мало меняется в очень широком интервале температур, вплоть до 150—200° С; в последнем случае тепловой

пробой сможет развиваться только при достижении этих температур.

Температура нагрева изолятора в электрическом поле высокого напряжения устанавливается тогда, когда тепловыделение оказывается равным теплоотдаче в окружающую среду. В большинстве случаев теплоотвод обусловливается конвекцией воздуха. Таковы условия работы подвесных и опорных изоляторов, керамических конденсаторов, каркасов катушек индуктивности. Теплоотвод за счет теплопроводности окружающей среды имеет место для кабелей, вводов, вмонтированных в стены. Обычно при расчете изоляторов выбирают такое рабочее напряжение, соответствующее установившейся температуре, чтобы температура нагрева не превосходила некоторого заданного значения, опасного с точки зрения нагревостойкости диэлектрика.

С увеличением приложенного к изолятору напряжения возрастает реактивная мощность, вызывающая рост тепловыделения и нагрев изолятора.

Для того чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого
при заданной температуре с поверхности изолятора:

«Электрохимический пробой»

Электрохимический пробой изоляционных материалов имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции.

Такое явление часто называют также старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании.

Ранее считалось, что старение свойственно лишь органическим диэлектрикам (пропитанная бумага, резина и т. д.), в которых оно обусловлено прежде всего развитием ионизационного процесса в воздушных включениях; ионизация связана с выделением озона и окислов азота, приводящих к постепенному химическому разрушению изоляции. Позднее было показано, что явление старения может иметь место и в некоторых неорганических диэлектриках, например в титановой керамике.

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, ТiО₂), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария.

Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое, наблюдаемом при постоянном напряжении и низких частотах в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха, большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.