Содержание
-
ДИЭЛЕКТРИКИ
Раздел 3
-
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ Поляризация – процесс смещения и упорядочения зарядов в диэлектрике под действием электрического поля. Диэлектрики Неполярные (условные суммарные положительные и отрицательные заряды совпадают в пространстве) Полярные (условные суммарные положительные и отрицательные заряды не совпадают в пространстве и даже при отсутствии внешнего поля молекула имеет постоянный электрический момент) → наличие диполей Пространственное расположение положительного и отрицательного зарядов в молекуле +q -q PП = q*l l l – плечо диполя РП – дипольный (индуцированный, или наведенный) момент (векторная величина, направлена от «–» к «+») Диэлектрик – вещество, основным свойством которого является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Поляризация – состояние вещества, при котором электрический момент некоторого его объема имеет ненулевое значение.
-
Неполярные диэлектрики Полярные диэлектрики Молекулы, имеющие симметричное строение и центр симметрии: Одноатомные молекулы инертных газов (Не, Ne и др.); Молекулы из 2 одинаковых атомов (Н2, N2, Cl2 и др.); Углеводороды и электроизоляционные материалы УГВ-состава (масла, полиэтилен, полипропилен и др.) Углеводороды, в которых часть атомов Н замещена другими Бензол Нитробензол Н2О СО2 Пространственное расположение зарядов
-
Полимерные материалы→ полярность отдельных звеньев полимолекулы Ионные кристаллы→неполярны, хотя отдельная молекула является диполем (в кристалле они уложены антипараллельно, а переориентация невозможна из-за кристаллической решетки) Полиэтилен Поливинилхлорид ВИДЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ упругая поляризация, протекающая практически мгновенно под действием электрического поля, не сопровождающаяся рассеянием (потерями) энергии в диэлектрике (выделением теплоты); релаксационная поляризация, нарастающая и убывающая в течение некоторого промежутка времени и сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Электронная поляризация Это процесс смещения электронных орбит относительно положительного заряженного ядра. При этом образуются упругие диполи - пары связанных друг с другом электрических зарядов (смещенные электроны и положительные заряды ядер атомов). Устанавливается мгновенно (10-15 с). Проявляется при всех частотах. Исчезает, если с диэлектрика снято напряжение. Происходит во всех атомах любого вещества, независимо от наличия в них других видов поляризации. Степень поляризации пропорциональна размеру атомов ↔ становится слабее связь внешних электронов с ядром и возрастает заряд ядра
-
Ионная поляризация Это смещение относительно друг друга разноименно заряженных ионов в твердых веществах с ионными связями, т.е. для кристаллических диэлектриков (например, NaCl). Под действием электрического поля разноименные заряженные ионы смещаются в противоположных направлениях → появляется плечо диполя Х→ возникает момент поляризации PИ = q*x Время установления 10-13 – 10-14 с Степень поляризации пропорциональна валентности ионов 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
-
Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия теплового движения в 2,7 раза от первоначального значения Влияние температуры: Т↑ → силы молекулярного сопротивления повороту диполей↓→ τ↓ Миграционная поляризация Характерна для диэлектриков с неоднородной структурой и примесями (полупроводящими включениями) и заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накоплении объемного заряда на границах раздела Устанавливается и снимается длительное время (до нескольких часов) → проявляется только на низких частотах Связана со значительным рассеянием электрической энергии
-
КЛАССИФИКАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПО МЕХАНИЗМАМ ПОЛЯРИЗАЦИИ
-
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПОЛЯРИЗАЦИИ Участок изоляции σ – плотность зарядов на обкладках M = σ*S*h; V = S*h P = σ*S*h/(S*h) = σ Поляризованность численно равна поверхностной плотности связанных зарядов, появившихся в результате поляризации диэлектрика Значение εопределяет интенсивность процесса поляризации
-
ε – число, показывающее, во сколько раз возрастает емкость вакуумного конденсатора при его заполнении диэлектриком, т.е. характеристика способности вещества накапливать электростатическую энергию Для отдельной молекулы РИ = αЕ (α – поляризуемость частицы) → P = N*PИ = N*α*E (N – количество молекул в единице объема) →
-
Диэлектрическая проницаемость газов
-
Диэлектрическая проницаемость жидкостей
-
Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков
-
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ IS - + + + + + IS IV Uпит - - - - IV– объемный сквозной ток IS– поверхностный сквозной ток Особенности Из-за большого удельного сопротивления объемный ток очень мал и сравним со сквозным После подачи постоянного напряжения ток со временем постепенно уменьшается Ток абсорбции – ловушечный ток (поглощение свободных носителей ловушками захвата) При постоянном напряжении проходит только в периоды включения и выключения (меняя направление) Ток утечки
-
Например, Дрейф ионов происходит путем «перескока» с ловушки на ловушку, разделенные барьером W; вероятность перескока ~ Характер проводимости – ионный. Носители заряда – ионы малых размеров (H+, Na+). lnγ 1/Т Примесная проводимость Собственная проводимость А ↑ Степень чистоты и совершенства кристалла При увеличении концентрации примесей и дефектов т. А смещается влево.
-
Ионная проводимость ↔ перенос вещества: «+» - ионы уходят к катоду, а «-» - ионы – к аноду ↔ Электролиз Закон Фарадеяm = k*I*t А – атомная масса; n – валентность; A/n – химический эквивалент 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
-
Поверхностная электропроводность b + a Is Поверхностное сопротивление участка поверхности твердого диэлектрика между 2 параллельными друг другу кромками электродов длиной b, отстоящими друг от друга на расстояние а Удельное поверхностное сопротивление – этосопротивление квадрата любого размера на поверхности диэлектрика, ток через который идет от одной стороны до противоположной (при a = b ρS = RS ) d2 d1 Is + - Характер зависимости s диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения . Однако при изменениях влажности окружающей среды значения s изменяются быстрее, чем . Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых – влаги. Кроме того, s падает при загрязнении поверхности диэлектрика.
-
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ Причина возникновения В неполярных диэлектриках – наличие диссоциированных примесей, в т.ч. влаги В полярных диэлектриках добавляется диссоциация молекул самой жидкости Носители заряда Ионы или крупные заряженные коллоидные частицы Влияющие факторы Температура 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
-
Коллоидная система – это смесь двух веществ (фаз), причем 1 фаза в виде мелких частиц (капель, зерен, пылинок) равномерно взвешена в другой 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
-
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ГАЗОВ Причина возникновения Ионизация нейтральных молекул Действие внешних факторов (рентгеновское, ультрафиоле-товое, радиоактивное излуче-ние, сильный нагрев) Соударения заряженных частиц самого газа с молекулами (ударная ионизация) Несамостоятельная электропроводность Самостоятельная электропроводность + - - + - - Ионизация Рекомбинация Исчезает после исчезновения внешнего фактора
-
Несамостоятель-наяэлектропро-водимость Самостоятельная электропроводи-мость Создаваемые ионы частично рекомбинируют, частичнонейтрализу-ются на электродах Все ионы разряжаются на электродах без рекомбинации Возникновение ударной ионизации Ен = 0,6 В/м; Еи = 105 …106 В/м (10 мм)
-
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ Диэлектрические потери – это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. φ δ Jсм Jпр J Е Синусоидальное поле с напряжением Е и частотой ω Угол δ между векторами плотностей переменного тока диэлектрика J и тока смещения Jсмна комплексной плоскости → угол диэлектрических потерь (характеризует степень отличия реального электрика от идеального) Мощность, рассеиваемая в единице объема вещества, характеризует удельные диэлектрические потери: 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
-
Виды диэлектрических потерь Потери на электропроводность Создаются сквозным током в хорошо проводящих диэлектриках (Рскв =γЕ2) Практически не зависят от частоты, но их влияние больше на низких частотах (50 – 1000 Гц) из-за уменьшения с частотой tgδ С ростом температуры возрастают по экспоненциальному закону
-
Единственный вид потерь в однородном неполярном диэлектрике Зависимости tgδ от температуры и частоты приложенного напряжения для неполярных диэлектриков Релаксационные потери Обусловлены активными составляющими поляризационных токов Характерны для диэлектриков с замедленными видами поляризации (дипольной и миграционной), преимущественно жидких (τ~ 10-6 … 10-11 с) Проявляются в области высоких частот (радиочастот), когда поляризация отстает от изменения поля
-
Диэлектрические потери максимальны при τ~ 1/ω; частота ωр = 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 - 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
-
Резонансные потери Проявляются в оптическом диапазоне (1014 … 1017 Гц) в некоторых газах Выражаются в интенсивном поглощении светового излучения веществом Резонансная частота очень стабильна, не зависит от температуры → спектральные линии служат эталонами Ионизационные потери Представляют собой потери на частичные разряды и наблюдаются в пористых диэлектриках с газовыми включениями при повышении напряжения сверх порога ионизации Uион
-
ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ Пробой - явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля и потеря электроизоляционных свойств Э1 Э2 Э1 Э2 Э1 Э2 Э1 Э2
-
Характеристики пробоя Uпр– напряжение пробоя, [кВ] Епр = Uпр/h – электрическая прочность (напряженность электрического поля, при которой происходит пробой), [кВ/м] h – толщина диэлектрика (для случая однородного поля), [м] Вольт-амперная характеристика участка изоляции Момент пробоя: Ток резко возрастает (dI/dU → ∞) В месте пробоя возникает искра или дуга, т.е. плазменный канал с высокой проводимостью Напряжение падает, несмотря на возрастание тока 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
-
Пробой газов Причина – ударная ионизация W = ē*λ*E ≥ WИ Коэффициент ударной ионизации α→ число ионизаций, производимых движущимся электроном на единицу длины пути. Количество электронов при движении от катода к аноду возрастает в eαhраз (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
-
Зависимость электрической прочности от давления Уменьшение длины свободного пробега электрона → увеличение Епр Уменьшение вероятности столкновения электрона с молекулами газа → увеличение Епр Зависимость электрической прочности от расстояния между электродами Уменьшение вероятности столкновения электрона с молекулами газа → увеличение Епр Эффективность ударной ионизации Среднее число столкновений электронов на единицу длины пути Вероятность того, что столкновение закончится ионизацией Влияет при малых P*h Влияет при больших P*h
-
Зависимость электрической прочности от давления Уменьшение длины свободного пробега электрона → увеличение Епр Уменьшение вероятности столкновения электрона с молекулами газа → увеличение Епр Зависимость электрической прочности от расстояния между электродами Уменьшение вероятности столкновения электрона с молекулами газа → увеличение Епр Закон Пашена: если длина разрядного промежутка h и давление газа Р изменяется так, что P*h = const, то Uпр не меняется, Uпр = f(P*h) Физический смысл: одинаковые частицы в газовых промежутках получают на одном и том же длине пути λ одинаковую энергию от поля
-
Пробой газа в однородном электрическом поле
-
Пробой газа в неоднородном электрическом поле
-
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.