Д/з: ст.9-16,61-67
Різноманіття діелектричних матеріалів відбивається і на їх класифікації за різними ознаками.
За агрегатном станом діелектричні матеріали підрозділяються на газоподібні (Різні гази, повітря), рідкі (Різні масла), і тверді.
За призначенням діелектрики поділяють на:
- власне діелектричні матеріали - клас електротехнічні матеріалів, призначених для використання їх різних діелектричних властивостей.
- електроізоляційні матеріали - діелектрики, призначені для створення електричної ізоляції струмоведучих частин в електротехнічних і радіоелектронних пристроях .
За сталістю властивостей діелектрики поділяють на:
- пасивні - (Їх властивості стабільні при різних зовнішніх впливах);
- активні - (Їх властивостями можна керувати за допомогою різних впливів енергетичного характеру, наприклад температури)
За хімічним складом діелектрики поділяють на неорганічні , органічні , і елементоорганічні.
Властивості діелектриків як конструкційних матеріалів розглянуті в попередніх темах. З різноманіття електричних властивостей, що визначають їх технічне застосування, до основних можна віднести:
- Поляризацію;
- Електропровідність;
- Діелектричні втрати;
- Електричну міцність;
- Нагрівостійкість.
В основі електропровідності діелектриків лежать:
Струми абсорбційні – струм, який протікає в діелектрику при постійному струмі до тих пір, поки не досягне стану рівноваги, змінюючи напрямок при включенні і подачі на нього напруги при відключенні. При змінному струмі напруженість в діелектрику буде присутній в ньому весь час, поки знаходиться в дії електричного поля.
Електронна електропровідність – переміщення електронів під дією поля.
Іонна електропровідність – являє собою рух іонів. Знаходиться в розчинах електролітів – солі, кислоти, луг, а так само в багатьох діелектриках.
Молионная електропровідність – рух заряджених частинок, званих молионами. Знаходиться в колоїдних системах, емульсіях і суспензіях. Явище руху молионов в електричному полі називається електрофорезом.
Електроізоляційні матеріали класифікують за агрегатним станом та хімічної природи. Перші поділяються на тверді, рідинні, газоподібні і твердіють. За хімічною природою поділяються на органіку, неорганіка і элементоорганічні матеріали.
Електропровідність діелектриків за агрегатним станом:
Електропровідність газів. У газоподібних речовин досить мала провідність струму. Він може виникати при наявності вільних заряджених частинок, що з'являється з-за впливу зовнішніх і внутрішніх, електронних та іонних факторів: випромінювання рентгенівського і радіоактивного виду, зіткнення молекул і заряджених частинок, теплові фактори.
Електропровідність рідкого діелектрика. Фактори залежності: структура молекули, температура, домішки, присутність великих зарядів електронів і іонів. Електропровідність рідких діелектриків багато в чому залежить від наявності вологи та домішок. Провідність електрики полярних речовин створюється ще за допомогою рідини з дисоційованими іонами. При порівнянні полярних і неполярних рідин, явна перевага в провідності мають перші. Якщо очистити рідина від домішок, то це посприяє зменшенню її проведених властивостей. При зростанні провідності рідкого речовини і його температури виникає зменшення її в'язкості, що приводить до збільшення рухливості іонів.
Тверді діелектрики. Їх електропровідність обумовлюється як переміщення заряджених частинок діелектрика і домішок. У сильних полях електричного струму виявляється електропровідність.
До частих видів відносяться:
Скло.
Гума.
Нафта.
Асфальт.
Фарфор.
Кварц.
Повітря.
Алмаз.
Чиста вода.
Пластмаса.
Будь-який апарат в процесі виготовлення, монтажу та експлуатації вимагає цілий ряд матеріалів, різних за своїми властивостями та призначенням.
Наприклад, лампа розжарювання складається із наступних частин і матеріалів:
- колба та арматура, на якій закріплене тіло розжарення виготовлені із скла (електроізоляційний матеріал);
- тіло розжарення виконане у вигляді спіралі із вольфрамового дроту (провідниковий матеріал);
- цоколь, контакти та провідники, що підводять струм до спіралі виготовлені із заліза, алюмінію та міді (це провідникові матеріали);
- колба заповнена криптоном або галогенними газами, або там створюється вакуум (ізоляційні газоподібні матеріали).
Із вищенаведеного прикладу видно, що електротехнічні матеріали характеризуються різноманітними властивостями, завдяки яким їх застосовують в електротехнічних виробах. Від цих властивостей залежать процеси, що протікають в електротехнічних виробах, такі як генерація, передача, розподілення та перетворення електричної енергії.
Діелектричні (електроізоляційні) матеріали складають найбільш численну групу електротехнічних матеріалів як за різноманітністю та властивостями, так і за їх застосуванням.
Для оцінки експлуатаційних властивостей діелектриків та можливих областей їх застосування необхідно вивчити фізичні явища, які відбуваються в матеріалах під час впливу на них електромагнітного поля, та визначити основні електричні, фізико-хімічні, теплові та механічні властивості.
Властивості електроізоляційних матеріалів залежать від: їх агрегатного стану та структури; температури, вологості, тиску навколишнього середовища та його хімічного складу; прикладеної напруги та її частоти; від забрудненості матеріалу та ін.
Поляризація - це процес при якому зв'язані заряди в атомах, іонах або молекулах матеріалу обмежено зміщуються або орієнтуються під впливом електричного поля. Позитивні заряди зміщуються в напрямку негативного електроду, а негативні - в напрямку позитивного електроду
Під час поляризації в матеріалі утворюються електричні диполі, які мають електричний момент. Зміщення зарядів, і як наслідок, поява електричного струму виникає у напрямі поля і слідує за кожною зміною прикладеної напруги.
Спроможність діелектрика поляризуватися у електричному полі є його основною властивістю. В залежності від агрегатного стану і структури діелектрика розрізняють два види поляризації:
– поляризація, що не викликає діелектричних втрат;
– поляризація, яка пов'язана з появою діелектричних втрат.
Поляризація першого виду - це поляризація діелектрика під впливом електричного поля, яка протікає майже миттєво, без виділення теплоти і називається ще пружною поляризацією. До цього виду відносяться електронна та іонна поляризація діелектриків.
Поляризація другого виду протікає сповільнено і супроводжується розсіюванням енергії в діелектрику, тобто його нагрівом, називається не пружною, або релаксаційною. До цього виду відносяться: дипольна, іонно-релаксаційна, електронно-релаксаційна, міграційна, спонтанна та ін.
Електронна поляризація - це пружне зміщення і деформація електронних оболонок (орбіт) атомів відносно позитивно зарядженого ядра під дією зовнішнього електричного поля.
Іонна поляризація - це зміщення один відносно одного різнойменно заряджених іонів у сумішах з іонними зв'язками
Дипольна поляризація полягає в повороті (орієнтації) дипольних молекул в напрямку зовнішнього електричного поля і належить до другого виду поляризації. На відміну від розглянутих електронної та іонної поляризації вона пов'язана з тепловим рухом часток, що приводить до розсіювання (втрати) енергії.
У багатьох діелектриків у різних агрегатних станах (газоподібний, рідкий, твердий) - молекули, якщо вони мають несиметричну структуру, володіють електричним дипольним моментом при відсутності зовнішнього електричного поля. У таких молекул центри позитивних та негативних зарядів зміщені один відносно одного на деяку відстань. Молекули у складі яких присутні такі диполі називаються дипольними або полярними, а молекули, що не мають диполів називаються нейтральними. Відповідно до цього і діелектрики можуть бути полярними, або не полярними.
Спонтанна поляризація існує у сегнетодіелектриків (сегнетова сіль, титанат барію, титанат свинцю та ін.). Речовини із спонтанною поляризацією мають окремі області (домени), які мають електричний момент (поляризовані) при відсутності зовнішнього електричного поля. Накладення зовнішнього поля сприяє орієнтації електричних моментів доменів у напрямку поля, що дає ефект сильної поляризації.
В змінних електричних полях матеріали із спонтанною поляризацією характеризуються значним розсіюванням енергії.
Міграційна поляризація обумовлена наявністю в діелектриках провідникових та напівпровідникових домішок. При внесенні неоднорідних матеріалів в електричне поле утворюються поляризовані області.
Процес міграційної поляризації може тривати від секунд до годин. Ця поляризація можлива лише при низьких частотах і пов'язана із втратами енергії.
Процеси міграційної поляризації є самими повільними (10-3…1 с).
Іонно-релаксаційна поляризація обумовлена зсувом слабо зв'язаних іонів під впливом зовнішнього електричного поля на відстань, яка перевищує постійну кристалічної решітки. Із підвищенням температури іонно-релаксаційна поляризація значно підвищується. Характерна для неорганічних кристалічних діелектриків з іонною структурою та із нещільною упаковкою іонів (натрієво-силікатне скло, фарфор).
Електронно-релаксаційна поляризація виникає в матеріалах які мають дефекти в електронній будові внаслідок збудження тепловою енергією надлишкових електронів або дірок. Характерна для діелектриків з високим показником заломлення, великим внутрішнім полем і електронною електропровідністю (кераміка із вмістом титану).
Ступінь поляризованості діелектрика оцінюється діелектричною проникністю - чим вище значення тим сильніше поляризується діелектрик.
Діелектрична проникність кількісно характеризує процес поляризації. Вона являється основною характеристикою діелектриків.
Будь-яка електрична ізоляція має електричну ємність. Ізоляція розташована поміж двома струмоведучими частинами, що знаходяться під різними електричними потенціалами утворює електричний конденсатор. Ємність конденсаторів залежить від їх геометричних розмірів і від матеріалу діелектрика, що знаходиться між обкладками.
Відносна діелектрична проникність вказує у скільки разів збільшується ємність вакуумного конденсатора, якщо не змінюючи його розмірів і форми, між електродами помістити даний діелектрик.
В природі немає такого матеріалу, який би в тій чи іншій мірі не проводив електричний струм. Поляризаційні процеси зміщення зв'язаних зарядів в речовині до моменту встановлення стану рівноваги протікають на протязі деякого часу, утворюючи поляризаційні струми, або струми зміщення у діелектриках.
Електропровідність діелектриків має дві характерні особливості. Перша особливість полягає в тому, що струм витоку має об'ємну та поверхневу складову. Струм, що протікає через об'єм діелектрика називається об'ємним, а струм, що протікає по поверхні діелектрика називається поверхневим. Так як ці струми сумірні за величиною, то при вивченні електропровідності діелектриків необхідно враховувати як об'ємну так і поверхневу складову струму витоку
Електропровідність газів пояснюється кінетичною теорією газів, за якою усі вільні електрони та іони знаходяться у неперервному хаотичному тепловому русі. Прикладення напруги створює направлений рух вільних зарядів - електричний струм, або струм витоку.
Електропровідність рідких діелектриків пов'язана із будовою молекул і в значній мірі залежить від домішок що присутні в діелектрику. Струм в рідині обумовлюється не тільки рухом іонів, а й рухом великих колоїдних часток. Полярні рідини мають підвищену електропровідність в порівнянні із неполярними, а сильнополярні рідини можуть розглядатися як провідники. Очищення діелектриків знижує їх електропровідність.
Електропровідність твердих тіл визначається рухом іонів як діелектрика, так і його домішок. Для твердих діелектриків характерна залежність струму, що протікає через діелектрик від часу його прикладення
Питомим об'ємним опором v називається опір куба матеріалу з ребром 1 м , коли напруга прикладається до двох його протилежних граней .
Питомий об'ємний опір v вимірюється в Ом м , він відображає властивості матеріалу і особливості його будови.
Питомим поверхневим опором s називається опір квадрата будь-якої величини, на поверхні матеріалу, причому струм проходить через дві протилежні сторони квадрата
Питомий поверхневий опір s вимірюється в Ом, і залежить від стану поверхні матеріалу (зволоження, утворення плівок, забрудненості).
Діелектричні втрати - це втрати електричної потужності в діелектрику під дією прикладеної напруги, які ведуть до нагріву діелектрика.
2. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ
До фізико-хімічних характеристик діелектриків відносять кислотність, в'язкість, гігроскопічність, водопоглинення, хімостійкість, тропікостійкість та ін.
Кислотність (кислотне число Км) - характеристика рідких діелектриків, вона визначається кількістю їдкого калію, яка необхідна для нейтралізації усіх вільних кислих з'єднань, що входять до складу 1 грама рідини [5].
Наявність вільних кислот у діелектрику підвищує його провідність і приводить до руйнування матеріалів, з якими стикається діелектрик. Чим менше кислотне число, тим вища якість діелектрика. Наприклад для трансформаторного масла кислотне число повинно бути не більше 0,05 мг/г.
Гігроскопічність - здатність матеріалу поглинати пари води із оточуючого середовища. Підвищення вологості діелектриків погіршує їх електричні властивості.
Водопоглинання - здатність ізоляції вбирати (поглинати) воду. Зволоження діелектриків зменшує їх діелектричні властивості. Пористі матеріали більш гігроскопічні ніж щільні. Гігроскопічність анізотропних матеріалів залежить від їх структури.
В'язкість (внутрішнє тертя) - це властивість газів та рідин чинити опір переміщенню однієї їх частини відносно іншої. Призначення рідкого діелектрика визначається його в'язкістю. В залежності від рівня в'язкості рідкі діелектрики можуть використовуватись як просочувальний матеріал, як охолоджуюче середовище, чи як середовище для гасіння дуги. В'язкість рідини в значній мірі залежить від температури, тому правила технічної експлуатації регламентують значення в'язкості рідких діелектриків при певній температурі. Кінематична в'язкість вимірюється в м2/с. Кінематична в'язкість трансформаторного масла при 200С повинна дорівнювати 17....18,5 10-6 м2/с.
Хімостійкість - здатність матеріалів протистояти хімічно активним речовинам. Для визначення хімостійкості матеріали поміщують в агресивне середовище, а потім визначають зміну їх маси, зовнішнього вигляду та ін
Температура застигання (морозостійкість) - температура при якій ізоляційна рідина застигає настільки, що при нахилі пробірки із охолодженою рідиною на кут 450 її рівень залишається незмінним на протязі 1 хвилини. Для трансформаторного масла вона становить - 45 та -35 0С відповідно для північних та для південних широт.
Морозостійкість - це здатність електричної ізоляції працювати при низьких температурах без значного погіршення експлуатаційних характеристик.
Температура спалаху рідкого діелектрика - температура при якій суміш його парів з повітрям спалахує при піднесенні полум'я. Чим вища температура спалаху тим краще діелектрик. Для трансформаторного масла вона повинна бути не нижче 135 0С.
Нагрівостійкість - здатність матеріалів та виробів із них працювати при підвищеній температури без недопустимого погіршення їх властивостей. Нагрівостійкість визначається тією температурою, при якій відбуваються недопустимі зміни експлуатаційних характеристик діелектрика. Матеріали, які використовують для ізоляції електричних машин та апаратів за нагрівостійкістю розділяють на сім класів:
Тангенс кута діелектричних втрат
Значення діелектричних втрат здебільшого характеризується тангенсом кута втрат tgδ. Особливо зручним параметром для опису залежності діелектричних втрат від частоти є комплексна діелектрична проникність.
Як і величина ε, tg δ – макроскопічна характеристика діелектрика. Залежність тангенса кута діелектричних втрат від температури, частоти електричного поля й інших параметрів так само важлива характеристика діелектриків, що і відповідні залежності діелектричної проникності. Зауважимо, що введення tg δ як характеристики втрат має фізичний сенс лише в разі змінного синусоїдного електричного поля .
В електронних схемах діелектрик часто використовують як електричний конденсатор, який зручно подавати у вигляді ідеальних конденсаторів і резисторів, що імітують діелектричні втрати.
Властивості такого діелектрика, tg δ якого зменшується з підвищенням частоти, описує паралельна схема заміщення, яка зазвичай характеризує втрати, зумовлені електропровідністю. Навпаки, збільшенню tg δ пропорційно частоті відповідає послідовна схема заміщення діелектрика із втратами, яка описує поляризаційні втрати .