Діелектричні матеріали. Властивості діелектриків

 

Таврійський державний агротехнологічний університет

Енергетичний факультет

Кафедра «Електропостачання сільського господарства»

ІНДИВІДУАЛЬНА РОБОТА

з дисципліни «Електротехнічні матеріали»

ТЕМА: «ДІЕЛЕКТРИЧНІ МАТЕРІАЛИ. ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ»

Мелітополь 2011 р.

ВСТУП

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.

1. ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ

1.1 Поляризація діелектриків

В робочому режимі електрообладнання електроізоляційні матеріали є середовищем електричного поля. У найпростішому вигляді діелектрик поміж двома струмопровідними частинами являє собою конденсатор. Під дією електричного поля діелектрик поляризується.

Рисунок 1.1 - Схема розташування зарядів в поляризованому діелектрику [1]

Поляризація - це процес при якому звязані 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 (рисунок 1.1).

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 повязана 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.

При електронній поляризації кожен атом перетворюється в пружний електричний диполь, так як між центрами позитивного та негативного зарядів зявляється деяка відстань l (рисунок 1.2). Поляризована частка буде мати елементарний електричний момент [2]:

(1.1)

де - елементарний електричний заряд, Кл.

а б

Рисунок 1.2 - Атом водню: а - до поляризації; б - в момент поляризації.

Утворення таких диполів відбувається майже миттєво (10-15 ... 10-14 с) і зникає після зняття напруги. Утворені електричним полем диполі в діелектрику розташовуються у вигляді ланцюгів (рисунок 1.1). Електронна поляризація спостерігається в усіх видів діелектриків незалежно від їх фізичного стану та структури. Ця поляризація є достатньо пружною і не супроводжується втратою енергії.

Іонна поляризація - це зміщення один відносно одного різнойменно заряджених іонів у сумішах з іонними звязками. На рисунку 1.3 показано поляризацію елементарної частки кристалу типу NaCl . Центри позитивних та негативних зарядів q іонів частки, що співпадають до прикладення електричного поля, під дією поля розходяться на деяку відстань l - як результат зміщення різнойменно заряджених іонів в протилежних напрямках. Внаслідок цього елементарна частка набуває індукований електричний момент.

а б

Рисунок 1.3 - Елементарна частка іонного кристалу NaCl: а - до поляризації; б - в момент поляризації.

Іонна поляризація встановлюється за дуже короткий час - 10-14...10-13 с, вона створює суто реактивний електричний струм, що доповнює струм електронної поляризації. Це призводить до збільшення поляризованості діелектрика і збільшення ємнісного струму та відповідно до збільшення діелектричної проникності, тобто до збільшення ємності.

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 повязана 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.

Полярні молекули поляризовані спонтанно, без впливу електричного поля. Такі молекули находяться у хаотичному тепловому русі і частково орієнтуються під впливом електричного поля - що і є причиною поляризації. Дипольна поляризація можлива, якщо молекулярні сили не заважають молекулам орієнтуватися вздовж електричного поля.

Дипольна поляризація діелектриків в значній мірі залежить від температури діелектрика і від частоти прикладеної напруги.

Із підвищенням температури молекулярні сили слабнуть, що повинно підсилювати дипольну поляризацію, але в цей же час зростає енергія теплового руху. Коли тепловий рух стає інтенсивнішим - ступінь дипольної поляризації із ростом температури починає зменшуватися.

Поворот диполів в напрямку поля потребує певного часу навіть при газоподібному стані речовини. Тому при швидко перемінних полях диполі не встигають орієнтуватися і дипольна поляризація зменшується із підвищенням частоти прикладеної напруги. Також, час дипольної поляризації визначається розміром молекули - він тим більший, чим більша молекула.

Дипольна поляризація супроводжується розсіюванням енергії.

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 повязана із втратами енергії.

Процеси міграційної поляризації є самими повільними (10-3…1 с).

Іонно-релаксаційна поляризація обумовлена зсувом слабо звязаних 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 e - чим вище значення e тим сильніше поляризується діелектрик.

Діелектрична проникність e 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.

Ємність плоского конденсатора із будь-яким діелектриком між обкладками визначається із виразу [3]:

(1.2)

деS - площа електродів, що знаходяться в контакті із зразком, м2;

e0 - діелектрична проникність вакууму ( e0 = 8,86 10-12 Ф/м);

e - відносна діелектрична проникність діелектрика;- товщина діелектрика, м.

Діелектрична проникність повітря приймається рівною e0.

Ємність вакуумного плоского конденсатора дорівнює [3]:

, (1.3)

Отже відносна діелектрична проникність - це відношення ємності конденсатора С із заданим діелектриком до ємності вакуумного конденсатора С0, якщо S і h у них однакові [3]:

(1.4)

Відносна діелектрична проникність e вказує у скільки разів збільшується ємність вакуумного конденсатора, якщо не змінюючи його розмірів і форми, між електродами помістити даний діелектрик.

Так ємність слюдяного конденсатора з тими ж значеннями S та h буде у 6 разів більша ніж у вакуумного конденсатора, тому що у слюди e = 6.

Поляризація газоподібних речовин внаслідок великих відстаней між молекулами незначна, і їх діелектрична проникність близька до одиниці. Діелектрична проникність газів пропорційна тиску і обернено пропорційна абсолютній температурі, так як вона визначається зміною числа молекул в одиниці обєму.

Для рідких діелектриків діелектрична проникність тим більша чим більше значення електричного моменту диполів та чим більше число молекул в одиниці обєму. Діелектрична проникність нейтральних рідких діелектриків не перевищує 2,5 (бензол, толуол). Діелектрична проникність полярних рідких діелектриків більш висока і дорівнює 3…4,5.

Діелектрична проникність твердих тіл може приймати різні значення, в залежності від різноманітності структурних особливостей твердих діелектриків. Найменші значення діелектричної проникності мають нейтральні тверді діелектрики, які мають лише електронну поляризацію. Сюди можна віднести наприклад парафін ( e = 1,9 ... 2,2). Із підвищенням температури таких діелектриків їх діелектрична проникність зростає майже лінійно за рахунок зростання поляризованості іонів, незважаючи на зменшення щільності речовини.

Діелектрична проникність таких матеріалів, як скло може знаходитись в межах від 4 до 20. Діелектрична проникність деяких видів кераміки (конденсаторна кераміка, ультрафарфор) e може досягати декількох сотень.

1.2 Електропровідність діелектриків

електричний хімічний фізичний діелектрик

В природі немає такого матеріалу, який би в тій чи іншій мірі не проводив електричний струм. Поляризаційні процеси зміщення звязаних 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 обємну та поверхневу складову. Струм, що протікає через обєм діелектрика називається обємним, а струм, що протікає по поверхні діелектрика називається поверхневим. Так як ці струми сумірні за величиною, то при вивченні електропровідності діелектриків необхідно враховувати як обємну так і поверхневу складову струму витоку [3]:

(12.5)

де Іs - поверхнева складова струму витоку, А;

Іv - обємна складова струму витоку, А.

Другою характерною особливістю електропровідності діелектриків є спадання струму із плином часу, після прикладення постійної напруги до діелектрика. При підключенні постійної напруги струм в діелектрику спочатку стрімко зростає, а потім поступово зменшується до усталеного значення (рисунок 1.5).

Струм, що спадає з плином часу, з моменту прикладення постійної напруги до значення струму крізної провідності, називається струмом зміщення І зм. Електропровідність діелектриків в більшості випадків має іонний характер, тобто носіями зарядів є іони. Електропровідність матеріалу залежить від його агрегатного стану.

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.

На рисунку 1.4. показана залежність струму витоку від прикладеної напруги. На першій ділянці кривої до напруги Uн, яка відповідає слабким електричним полям, струм витоку дуже малий і пропорційний напруженості - число направлених зарядів зростає із зростанням прикладеної напруги. По мірі зростання прикладеної напруги наступає насичення - усі утворені заряди досягають своїх електродів і струм перестає залежати від напруги (ділянка Uн - Uк). Значне збільшення прикладеної напруги до критичного значення Uк приводить до появи великої кількості вільних електронів (явище ударної іонізації), що супроводжується різким збільшенням струму витоку. Для повітря при нормальних умовах Uк = 10 МВ/м.

Рисунок 1.4 - Залежність струму витоку у газах від прикладеної напруги

Електропровідність рідких діелектриків повязана 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.

Залежність струму витоку від напруженості поля для чистих рідин така ж як і у газів (рисунок 1.4). Для ізоляційних рідин з домішками відсутня ділянка насичення. При значному підвищенні напруженості поля в рідинах, зростання струму відбувається за рахунок ударної іонізації газу, що розчинений в рідині.

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 (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Зміна струму в твердому діелектрику

Струм після включення діелектрика під постійну напругу з плином часу зменшується і досягає сталого значення. Частина струму, що зменшується з часом, називається струмом абсорбції (абсолютна різниця між початковим та кінцевим струмом витоку). Цей струм зумовлений різними видами поляризації. Усталене значення струму через діелектрик називається струмом крізної провідності, цей струм спричиняється зарядами, які рухаються через увесь діелектрик і іонізуються біля електродів.

За струмом крізної провідності оцінюють провідність діелектрика. Опір діелектрика визначається за формулою:

,(1.6)

деU - прикладена напруга, В;

І - струм, що спостерігається, А;

åІn = Іабс - сума струмів, що викликані поляризаціями;кр - струм крізної провідності, А.

На практиці Rкр визначається як частка від ділення напруги на силу струму, виміряну через 60 с після включення напруги [4]:

(1.7)

Для порівняльної оцінки різних електроізоляційних матеріалів у відношенні їх електропровідності використовують значення питомого опору постійному струму r (обємного та поверхневого) та питомої провідності g.

Питомим обємним опором rv називається опір куба матеріалу з ребром 1 м (рисунок 1.6), коли напруга прикладається до двох його протилежних граней:

,(2.8)

деRv - обємний опір зразка матеріалу постійному струму, Ом;- площа електродів, що знаходяться в контакті із зразком, м2;- товщина зразка, м.

Рисунок 1.6 - Схема для визначення питомого обємного опору діелектрика

Питомий обємний опір rv вимірюється в Ом м , він відображає властивості матеріалу і особливості його будови.

Питомим поверхневим опором rs називається опір квадрата будь-якої величини, на поверхні матеріалу (рисунок 1.7), причому струм проходить через дві протилежні сторони квадрата:

(1.9)

Де Rs - поверхневий опір зразка матеріалу, Ом;- відстань між електродами, м;- довжина електроду, м.

Рисунок 1.7 - Схема для визначення питомого поверхневого опору діелектрика

Питомий поверхневий опір rs вимірюється в Ом, і залежить від стану поверхні матеріалу (зволоження, утворення плівок, забрудненості).

Питомі опори rv та rs залежать від зміни вологості і температури. При підвищенні вологості вони (опори) зменшуються.

Також питомий опір діелектриків залежить від температури. Для більшості діелектриків він зменшуються із підвищенням температури. Ця залежність характеризується температурним коефіцієнтом питомого опору ТКr (ar):

(1.10)

де r2, r1 - питомі електричні опори матеріалу відповідно при температурі t2 та t1.

1.3 Діелектричні втрати

Діелектричні втрати - це втрати електричної потужності в діелектрику під дією прикладеної напруги, які ведуть до нагріву діелектрика.

Втрати потужності у простому діелектрику під впливом змінної напруги можна визначити за формулою:

,(1.11)

деU - прикладена до діелектрика напруга, В;a - активна складова струму, що протікає через діелектрик, А.

При змінній напрузі, вектор струму, що проходить в діелектрику, випереджає вектор прикладеної напруги на кут j, цей струм має дві складові (рисунок 1.8): активну Іа та реактивну Ір.

Рисунок 1.8 - Векторна діаграма струмів у діелектрику

Із векторної діаграми слідує, що:

(1.12)

деd - кут між вектором струму І та його реактивною складовою Ір., град

(1.13)

,(1.14)

деw - кутова частота, рад/с; С - ємність конденсатора при кутовій частоті w, Ф.

Остаточна формула для визначення діелектричних втрат має вигляд:

(1.15)

2. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ

До фізико-хімічних характеристик діелектриків відносять кислотність, вязкість, 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 зєднань, 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. Гігроскопічність матеріалу визначається за формулою:

,(2.1)

деm1 - маса сухого зразка матеріалу, г;2 - маса зразка, г, після витримування його в умовах відносної вологості 96…98% на протязі 24…48 годин.

Підвищення вологості діелектриків погіршує їх електричні властивості.

Водопоглинання - здатність ізоляції вбирати (поглинати) воду. Водопоглинання визначається за виразом:

(2.2)

деm1 - маса сухого зразка матеріалу, г;3 - маса зразка, г, після витримування його у воді на протязі 24 годин.

Зволоження діелектриків зменшує їх діелектричні властивості. Пористі матеріали більш гігроскопічні ніж щільні. Гігроскопічність анізотропних матеріалів залежить від їх структури.

Вязкість (внутрішнє тертя) - це властивість газів та рідин чинити опір переміщенню однієї їх частини відносно іншої. Призначення рідкого діелектрика визначається його вязкістю. В залежності від рівня вязкості рідкі діелектрики можуть використовуватись як просочувальний матеріал, як охолоджуюче середовище, чи як середовище для гасіння дуги. Вязкість рідини в значній мірі залежить від температури, тому правила технічної експлуатації регламентують значення вязкості рідких діелектриків при певній температурі. Кінематична вязкість вимірюється в м2/с. Кінематична вязкість 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. [5].

3. ТЕПЛОВІ ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ

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 полумя. Чим вища температура спалаху тим краще діелектрик. Для трансформаторного масла вона повинна бути не нижче 135 0С. Температура спалаху визначається приладом ПВНЕ. До виміряної температури додається поправка на барометричний тиск:

,(3.1)

Де Р - атмосферний тиск, МПа (1мм.рт.ст. =1,333×10-4 МПа; 760 мм рт. ст.»0,1 МПа); Т - температура рідини, виміряна під час досліду, 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:(900C), А (1050C), Е (1200C), В (1300C), F (1500C), H (1800C), C (>1800C).

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.Коханівський С. П., Коханівський С. П. Електроматеріалознавство з основами слюсарної справи - К.: Урожай, 1991. - 134 с.

.Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. - Л.: Энергоиздат, 1985.- 304 с.

.Коваленко О. І., Коваленко Л. Р., Мунтян В. О., Радько І. П. Електротехнічні матеріали - Мелітополь.: «Люкс», 2008. - 245 с.

.Конструкционные и электротехнические материалы: Учеб. Для учащихся электротехн. спец. техникумов / В. Н. Бородулин, А. С. Воробьев, С. Я. Попов и др.; Под ред. В. А. Филикова. - М.: Высш. шк., 1990. - 296 с.

.Пястолов А. А., Мешков А. А., Вахромеев А. П. Монтаж, эксплуатация и ремонт электрооборудования. М.:Колос, 1981. - 335 с.

Таврійський державний агротехнологічний університет Енергетичний факультет Кафедра «Електропостачання сільського господарства»

Больше работ по теме: