Уявлення про будову речовини.

Спостерігається для речовин, що мають окремі області (домени), що володіють електричним моментом при відсутності зовнішнього електричного поля. Однак при цьому орієнтація електричного поля в різних доменах різна. Накладення зовнішнього поля приводить до появи напрямку переважної орієнтації електричних моментів доменів, що дає ефект дуже сильної поляризації. Просторове положення самих доменів при цьому не змінюється.

2.2. Електричне поле всередині діелектрика.

Розглянемо рис. 2.2. Напруга U у випадку рівномірного плоско-паралельного електричного поля створює в шарі діелектрика поле з напруженістю E = U/h, де h - товщина діелектрика.

Розглянемо докладніше процес утворення результуючого дипольного моменту в поляризованому діелектрику. У результаті поляризації кожний мікрообсяг діелектрика, у якому розташована поляризуємою часткою, здобуває індукований електричний дипольний момент m. Дипольний момент молекули є вектором, спрямованим від негативного заряду до позитивного. Чисельно він дорівнює добутку відстані між зарядами на модуль заряду.

Лінійні розміри цих мікрообсягів малі й мають той же порядок, що й розміри часток – долі ангстрем.

У якості поляризуємої частки діелектрика залежно від його будови будемо розуміти молекули, полярні групи, відгалуження й сегменти макромолекул для полімерів і інше.

Індукований дипольний момент p0 для кожного мікрообсягу пропорційний локальній напруженості електричного поля:

m=α∙E`, Кл∙м

де α – коефіцієнт пропорційності, що описує здатність поляризуватися для даної частки. Поляризуємість є найважливішим мікроскопічним електричним параметром діелектрика. Розмірність поляризуємості в системі СІ – [α]=[Ф∙м²]. Іноді в якості одиниці виміру дипольного моменту використовується спеціалізована одиниця виміру «дебай»(D); 1 D = 3.33∙10^-30 Кл∙м.

Кількісною мірою поляризації обсягу діелектрика служить поляризованість P, яка обчислюється як векторна сума індукованих дипольних моментів m усіх часток (n) в одиниці об'єму діелектрика:

де ε₀ = 8,84∙10^-12 Ф/м – електрична стала.

Усередині обсягу діелектрика й на його поверхні виникають зв'язані заряди. Якщо усередині однорідного діелектрика зв'язані заряди взаємно компенсують один одного, то на поверхнях, звернених до електродів, утворюються некомпенсовані поверхневі зв'язані заряди деякої щільності σ, Кл/м². Знаки поверхневих зв'язаних зарядів протилежні знакам електродів.

Розглянемо механізм утворення заряду Q на електродах конденсатора з діелектриком, і з яких складових складається цей заряд, рис .2.2.

Уявимо, що діелектрик вилучений з конденсатора, усередині якого залишився вакуум. На електродах такого конденсатора утворюється заряд Q₀, створений зовнішнім полем E₀ шляхом накопичення на електродах зарядів з поверхневою щільністю σ₀. При введенні в конденсатор діелектрика біля електродів з'являться поверхневі зв'язані заряди. Для компенсації дії цих зарядів від джерела живлення буде спожитий додатковий заряд Q, а повний заряд конденсатора з діелектриком стане рівним Q_K = Q₀ + Q. Відношення Q_K до Q₀ характеризує здатність діелектрика накопичувати енергію електричного поля у вигляді додатково зв'язаних зарядів. Цей показник називається діелектричною проникністю. Діелектрична проникність є одним з найважливіших макроскопічних електричних параметрів діелектрика. Діелектрична проникність ε кількісно характеризує здатність діелектрика поляризуватися в електричнім полі, а також оцінює ступінь його полярності; ε є константою діелектричного матеріалу при даній температурі й частоті напруги й показує, у скільки раз заряд конденсатора з даним діелектриком більше заряду конденсатора тих же розмірів з вакуумом.

Діелектрична проникність - це безрозмірна величина, її значення не залежить від вибору системи одиниць.

Аналізуючи взаємодію різних механізмів поляризації, нескладно оцінити залежність діелектричної проникності від частоти прикладеного напруги.

При низьких частотах у реальному діелектрику задіяні всі доступні механізми поляризації. При підвищенні частоти робота релаксаційних механізмів поляризації утруднюється. При збільшенні частоти величина діелектричної проникності плавно знижується до рівня, обумовленого деформаційними механізмами поляризації.

Без виводу приведемо рівняння, що зв'язує мікроскопічний показник речовини - поляризуємість α зі значенням його діелектричної проникності. Це рівняння відоме як рівняння Клаузіуса-Мосотті з уточненням Дебая:

,

де m - постійний дипольний момент молекули; k – постійна Больцмана, Т – температура, К., α_d – поляризуємість діелектрика, обумовлена деформаційними механізмами поляризації.

2.3. Схема заміщення діелектрика.

На рис.2.2. представлений підключений до джерела напруги діелектрик складного состава з різними механізмами поляризації. Його еквівалентну схему заміщення наведено на рис.2.3. До електродів підключене джерело постійної напруги U. Прикладена напруга створює в діелектрику електричне поле, на яке діелектрик реагує шляхом поляризації.

На схемі заміщення позначені: C₀, Q₀ – ємність і заряд конденсатора у вакуумі, ці параметри не залежать від виду діелектрика; C_і, Q_і – ємність та заряд обумовлений дією i-го механізму поляризації, R_di – опору, обумовлені втратами енергії для цих механізмів поляризації.

Наприклад, для деформаційних видів поляризації цей опір дорівнює нулю, а для релаксаційних – більше нуля; R_н – активний опір ізоляції наскрізному струму витоків, який обумовлений рухом вільних заряджених часток. Таким чином, схема заміщення діелектрика містить як реактивні компоненти (ємність), що відображають здатність діелектрика накопичувати енергію електричного поля, так і активні компоненти (опору), обумовлені як втратами деяких механізмів поляризації, так і опором наскрізному струму.

2.4. Залежність діелектричної проникливості від різних факторів.

Згідно з рівнянням Клаузіуса-Мосотті-Дебая, діелектрична проникливість діелектрика залежить від концентрації молекул n у діелектрику й поляризуємості α кожної молекули. У свою чергу n і α залежать від природи діелектрика, температури навколишнього середовища й від частоти прикладеного напруги.

2.4.1. Газоподібні діелектрики.

Гази мають низьку молекулярну щільність, значення n малі, і ля більшості газів характерна тільки електронна поляризація. Тому в газах діелектрична проникність незначно перевищує одиницю й не залежить ні від температури, ні від частоти напруги у всьому діапазоні частот. Діелектрична проникність повітря при нормальних умовах рівна 1,00059. При відносній вологості 100% діелектрична проникність повітря зростає до 1,00074. В інженерних розрахунках для повітряутворюючих газів ухвалюють ε = 1.

2.4.2. Неполярні рідкі й тверді діелектрики.

До цієї групи належать, наприклад, трансформаторне масло, парафін і ін. Ці речовини мають в основному електронну поляризацію. Тому вони мають низькі значення діелектричної проникності (ε = 2,1 – 2,5). Ця величина більша, чим у газах, що пов'язано з більшою щільністю й більшим значенням концентрації часток n. Діелектрична проникність неполярних діелектриків практично не залежить від частоти. При нагріванні діелектрична проникність монотонно знижується, тому що в результаті теплового розширення знижується концентрація молекул в одиниці об'єму.

На рис.2.4. представлена схематична залежність діелектричної проникності від температури T. На кривій 2 спостерігається стрибкоподібне зменшення діелектрика в крапці плавлення ( для парафіну T_пл = 50°С). Величина, що характеризує зміну діелектричної проникності ε на один градус, називається температурним коефіцієнтом діелектричної проникності TKε.

2.4.3. Полярні рідкі й тверді діелектрики.

Ці речовини поряд з електронною поляризацією мають ще й дипольно-релаксаційну. Тому діелектрична проникність у них значно вище ( від 3 до 20 і більш). На високих частотах (більше 106) діелектрична проникність знижується до рівня такого ж, як у неполярних діелектриків. При збільшенні температури діелектрична проникність спочатку міняється мало, потім різко зростає до максимуму й далі повільно знижується (рис.2.5).

Наявність максимуму пояснюється тим, що зі збільшенням температури спочатку знижується в'язкість середовища, полегшуючи процеси поляризації, але потім підсилюється дія, що дезорієнтує, теплового руху. Положення цього максимуму зі збільшенням частоти зміщається в область більш високих температур. Температурний коефіцієнт діелектричної проникності TKε для полярних діелектриків не є постійною величиною, він може ухвалювати й негативні значення.

2.4.4. Діелектрична проникність композиційних матеріалів.

На практиці часто доводиться мати справа з діелектриками, що представляють собою складні системи, що полягають із суміші хімічно не взаємодіючих між собою компонентів. Діелектричну проникність таких композиційних матеріалів можна визначити за допомогою формул Ліхтенеккера, яка для двокомпонентної системи має такий вигляд:

при паралельнім включенні компонентів –

ε = Θ₁∙ε₁ + Θ₂∙ε₂,

при послідовнім включенні компонентів

1/ ε₁= Θ₁/ε₁ + Θ₂/ε₂.

При випадковому розподілі компонентів, що має місце в технічних діелектриках, наприклад, кераміці, паперу, пінопласті

ln ε = Θ₁∙ln(ε₁) + Θ₂∙ln(ε₂),

де ε,∙ε₁,∙ε₂ – діелектричні проникності відповідно суміші і її компонентів; Θ₁, Θ₂ – об'ємні концентрації компонентів (Θ₁ + Θ₂ = 1).

2.5. Електричне поле при комбінуванні діелектриків.

Для пристроїв з електричним полем важливо розуміти, як змінюється електричне поле при використанні комбінації двох діелектриків з різною діелектричною проникністю.

В однорідному полі, у міжелектродному зазорі d, напруженість електричного поля може бути обчислена за формулою E=U/d.

Якщо розташувати діелектрики так, що електричне поле перпендикулярне поверхні розподілу, то значення напруженості поля в кожному матеріалі обернено пропорційні їх діелектричним проникливостям:

,

Розглянемо нескладну задачу. У плоский повітряний конденсатор із зазором d і напругою U вводять пластину діелектрика, яка має товщину d₁, з діелектричною проникливістю ε.

Як зміниться поле в частині, що залишилася, у зазорі, і яке поле буде в діелектрику?

Нескладно розв'язати це завдання, скориставшись наведеними виразами, які для нашого випадку можна переписати як

Е_в (d-d₁)+E_д d₁=U;

Е_в ε_в=E_д ε_д.

Розв'язавши систему рівнянь, одержимо

Аналізуючи ці вираження можна побачити, що поле в газовому прошарку завжди збільшене, а в діелектричній - зменшене.

Розділ 3. Електропровідність діелектриків.

3.1. Загальні уявлення про електропровідність.

Ідеальний діелектрик має нескінченно великий електричний опір і не пропускає електричний струм. Однак реальні діелектрики, які використовуються в техніці, мають кінцеву електропровідність. Їх питомий опір великий і перебуває в діапазоні 10⁶ – 10¹⁷ Ом·м і вище.

Електропровідність діелектриків залежить від таких факторів як хімічний склад і будова, тип і концентрація дефектів і іоногенних домішок, інтенсивності впливу зовнішніх іонізуючих випромінювань, напруженості електричного поля, температури, вологості й інших фізичних факторів. Електропровідність діелектрика обумовлена рухом вільних зарядів під дією прикладеного електричного поля. У якості носіїв заряду можуть виступати наступні види заряджених часток – електрони, іони й колоїдні частки. Відповідно до цього розрізняють іонну, електронну й електрофоретичну провідність. У слабких електричних полях у газоподібних діелектриків реалізується електронна й іонна провідність, у твердих діелектриків – іонна провідність; у рідких діелектриків – іонна й електрофоретична провідність.

3.2. Види електропровідності діелектриків.

При додатку до зразка твердого діелектрика постійної напруги, через нього протікає струм наскрізної провідності (струм витоку) I, який складається із двох складових: струму об'ємної провідності I_U і струму поверхневої провідності I_S (рис.3.1.):

I = I_U + I_S

Для порівняльної оцінки величин струмів об'ємної й поверхневої провідностей користуються значеннями питомого об'ємного опору ρ і питомого поверхневого опору ρ_s. Поверхнева й об'ємна провідності обумовлені різними причинами. Поверхнева провідність обумовлена присутністю вологи й інших забруднень на поверхні діелектрика. Досить найтоншого шару вологи на поверхні діелектрика, щоб була виявлена помітна провідність. Адсорбція вологи на поверхні діелектрика перебуває в тісній залежності від відносної вологості навколишнього середовища. Різке зменшення поверхневого опору спостерігається при підвищенні відносної вологості до 70 – 80%. Питомий поверхневий опір тем вище, чим менше полярність речовини, чим чистіше поверхня речовини. Поверхневий опір також може бути підвищене за рахунок якості механічної обробки поверхні. Особливо різке зниження поверхневого опору спостерігається для полярних діелектриків, у яких утворюється поверхнева плівка електроліту. Для підвищення поверхневого опору застосовуються різні способи очищення поверхонь: промивання, прожарювання, кип'ятіння в дистильованій воді.

Схема установки для визначення об'ємного й поверхневого опору діелектриків зображена на рис.3.2. На рис.3.2. цифрою 1 позначений вимірювальний електрод, 2 – кільцевий електрод, використовуваний як заземлюючий при визначенні об'ємного опору і як високовольтний при визначенні поверхневого опору; 3 – електрод, використовуваний як високовольтний при визначенні об'ємного опору і як заземлюючий при визначенні поверхневого опору; 4 – випробуваний діелектрик. Питомий об'ємний опір діелектрика може бути визначене по формулі: ρ = R∙S/h, Ом∙м, де R – вимірюваний опір зразка, Ом, S – площа вимірювального електрода 1, м²; h – товщина зразка. Питомий поверхневий опір визначається по формулі: ρ_s=2πrs/ln(d₁/d₂), Ом∙м, де Rs – вимірюваний опір зразка, Ом, d₁ – внутрішній діаметр кільцевого електрода 2; d₂ – зовнішній діаметр вимірювального електрода 1.

Відносно явища поверхневої провідності можна зробити наступні узагальнення. Залежність питомої поверхневої провідності від вологості обумовлюється наявністю на поверхні діелектрика дисоціюючих на іони речовин. Вода, що потрапила на поверхню, сприяє їхньому виявленню Якщо ці речовини є забрудненнями, те шляхом їхнього видалення можна одержувати високі значення питомого поверхневого опору при будь-якій вологості повітря. Якщо такі речовини є складовою частиною матеріалу, то питомий поверхневий опір буде сильно знижуватися при збільшенні вологості. Слід використовувати спеціальні захисні покриття для зниження гігроскопічності діелектрика, забезпечувати незмочуваність його поверхні водою. Наприклад, покриття кераміки й скла кремнійорганічними лаками значно підвищує величину питомого поверхневого опору виробів у вологім середовищі.

Струм, обумовлений об'ємною провідністю діелектриків, має досить складну форму навіть при додатку постійної напруги. Струм об'ємної провідності складається із двох основних складових: 1) струми зсуву й адсорбційні струми й 2) наскрізні струми.

Графік струму при подачі постійної напруги являє собою спадаючу до значення, що встановилося, експоненту, що убуває від початкового досить великого значення до відносно невеликого значення, що встановилося.

Початковий кидок струму викликаний за рахунок упорядкованого переміщення часток речовини в процесі поляризації. Деякі види поляризації речовини протікають практично миттєво. Однак є й види поляризації, що протікають досить повільно, наприклад релаксаційна поляризація. Електричний струм, викликаний рухом часток у процесі поляризації речовини, називається струмом зсуву. Коли задіяні відносно повільні механізми поляризації, цю складову струму називають ще адсорбційним струмом.

Очевидно, що із часом ці складові токи зменшуються до нуля. При постійній напрузі струми зсуви спостерігаються тільки в моменти включення й вимикання напруги. При змінній напрузі струми зсуву мають місце постійне протягом усього часу дії електромагнітного поля на матеріал.

Складова струму, яка не міняється згодом після додатка постійної напруги і являє собою стаціонарний потік заряджених часток, називається струмом наскрізної провідності, або струмом витоків. Саме по величині наскрізного струму визначають питому об'ємну й поверхневу провідність діелектрика. Струм наскрізної провідності обумовлений спрямованим рухом носіїв заряду, що поставляються іоногенними домішками або самим діелектриком. Щоб урахувати вплив поляризаційних струмів, опір твердого діелектрика розраховують частка від розподілу прикладеного напруги до струму, обмірюваного через одну хвилину після включення напруги.

Величина струму наскрізної провідності при тривалому додатку постійної напруги може суттєво змінюватися в результаті електрохімічних процесів і утвору об'ємних зарядів у діелектрику. Строго говорячи, величина наскрізного струму не буде змінюватися тільки при чисто електронному типі провідності. Якщо при тривалому додатку напруги струм витоки продовжує знижуватися, то електропровідність даного матеріалу обумовлена в основному іонами домішки й вона знижується за рахунок електроочищення зразка. Якщо ж струм витоку збільшується, то це вказує на участь в утворі електричного струму власних зарядів матеріалу, тобто має місце електроліз. У цьому випадку матеріал старіє - у ньому протікають необоротні електрохімічні процеси, що поступово приводять до руйнування (пробою) зразка.

3.3. Залежність електропровідності діелектриків від температури.

Питома об'ємна електропровідність γ [См∙м]визначається концентрацією заряджених часток n [м^-3], величиною їх заряду q [Кл] і рухливістю зарядів b [м2/(В∙с)] і визначається по формулі:

γ = n∙q∙b

Ця формула не пов'язана із природою носія заряду й може застосовуватися для всіх видів електропровідності.

Рухливість електронів внаслідок їхньої малої маси приблизно в 1000 раз вище, чим рухливість іонів. Незважаючи на це, провідність твердих і рідких діелектриків носить саме іонний характер. Це пояснюється тим, що для утвору вільних іонів, наприклад при дисоціації, потрібна менша енергія, чому для утвору вільних електронів. З підвищенням температури концентрація вільних іонів зростає за експонентним законом. Рухливість іонів у діелектрику зі збільшенням температури також зростає експоненційно. Причини цього явища добре описані в [3]. Підсумовуючи вищесказане, одержимо, що зі збільшенням температури питома провідність росте в результаті збільшення концентрації й рухливості носіїв заряду. При цьому у випадку рідких діелектриків, основним процесом є збільшення рухливості вільних тонів, а у випадку твердих діелектриків – збільшення концентрації вільних іонів. Електропровідність полярних діелектриків при нагріванні зростає швидше, чим для неполярних.

Для урахування залежності провідності діелектрика від температури в техніку вводиться так званий температурний коефіцієнт опору діелектрика TKρ ( або αρ). Залежність провідності діелектрика від температури носить нелінійний характер, тому для заданого інтервалу температур уводять поняття «середній температурний коефіцієнт опору діелектрика», який обчислюється по формулі:

TKρ = (1/ρ₁)∙(ρ₂- ρ₁)/(Т₂-Т₁), [K^-1]

3.4. Електропровідність газів.

Електропровідність газів обумовлена переміщенням електронів і іонів. Вільні заряди в газах з'являються в результаті дії іонізації. Іонізація – це процес поділу однієї нейтральної частки на парі заряджених часток – електрон і іон. Іонізація відбувається за рахунок дії іонізуючих випромінювань. Електропровідність, обумовлена іонізацією від зовнішніх енергетичних впливів, називається несамостійної. У сильних електричних полях, коли окремі заряджені частки здобувають достатню кінетичну енергію для того, щоб при зіткненні руйнувати нейтральні молекули, починає працювати механізм ударної іонізації.

Електропровідність, обумовлена ударною іонізацією, називається самостійної. Розподіл полів на слабкі й сильні досить умовно. Звичайно поля, що викликають ударну іонізацію, уважають сильними, а не зухвалі іонізацію – слабкими. Напруженість поля, при якій виникає ударна іонізація, називають критичною напруженістю E_кр.

При подальшім збільшенні напруженості електричного поля до величини напруги пробою, відбувається електричний пробій. У цьому стані газ втрачає свої електроізоляційні властивості, тому що між електродами виникає плазмовий газорозрядний канал провідності. У стані плазми газ має провідність, порівнянну із провідністю металів.

Одночасно з іонізацією протікає зворотний процес – рекомбінація, коли різнойменні заряди, наприклад позитивний іон і електрон, утворюють нейтральну молекулу. Рекомбінація перешкоджає безмежному росту концентрації заряджених часток. Між процесами іонізації й рекомбінації встановлюється рівновага,

Іонізація

---------->

Молекула іон + та електрон

<-------------

Рекомбінація

яка може бути зміщена в ту або іншу сторону шляхом зміни інтенсивності зовнішніх впливів, наприклад температури, або напруженості прикладеного електричного поля в область більш сильних полів.

3.5. Електропровідність рідини

У рідких діелектриках спостерігається в основному іонна й електрофоретична провідності. В області сильних електричних полів до цих видів провідності додається електронна складова.

Основним видом носіїв зарядів у рідині є позитивні й негативні іони. Іони в рідині утворюються в результаті електролітичної дисоціації (розпаду) іоногенних речовин (домішок) під дією полярних молекул середовища (розчинника).

Вода є сильно полярним розчинником. Полярні молекули розчинника притягаються іонами домішки й орієнтуються біля цих іонів, рис.3.3.

Притягуючи іони кристалів домішки до себе, молекули розчинника послабляють зв'язок між іонами молекули. У результаті іони відділяються від ґрат і переходять у розчинник, а молекула розпадається на іони. іони, що утворювалися, залишаються пов'язаними з полярними молекулами розчинника.

Процес електролітичної дисоціації оборотний, що приводить до стану рівноваги між недисоційованими молекулами й іонами

АВ А+ + В-

Кількісною характеристикою здатності речовини дисоціювати є ступінь електролітичної дисоціації α. Ступінь електролітичної дисоціації α – це відношення числа молекул, що розпалися на іони, до загального числа молекул. Якщо α = 0, то дисоціація відсутня, відповідно, якщо α = 1 (або 100%), та речовина дисоційована повністю.

Вода – це основна з полярних домішок у діелектриках, що практично завжди присутня в технічних діелектриках. Вода має незначний ступінь електролітичної дисоціації. При 0°С α =6,09∙10^-10. При збільшенні температури до 100°С ступінь електролітичної дисоціації збільшується в 100 раз. При низьких температурах вода проявляє властивості слабкого лугу, а при високих температурах – властивості слабкої кислоти.

Електролітична дисоціація відбувається у відсутності електричного поля, а ступінь електролітичної дисоціації залежить від наступних факторів : 1)полярності молекул домішки, 2) полярності середовища (розчинника) і 3)температури. У рідких неполярних діелектриках іони можуть утворюватися як у результаті електролітичної дисоціації домішок, що потрапили в діелектрик, а також у результаті електролітичної дисоціації продуктів термоокислювальної деструкції (старіння) самої речовини.

Електрофоретичена провідність обумовлена рухом заряджених колоїдних часток. Колоїдні частки в рідині утворюються при структуруванні молекул діелектрика. З декількох молекул діелектрика утворюються довгі ланцюжки, об'єднані кисневими містками. Ці молекулярні ланцюжки агрегуються в клубки й утворюють ядра колоїдних часток. На поверхні ядра колоїдної частки абсорбуються іони одного знака, у результаті чого формується адсорбційний шар. Ядро з адсорбційним шаром представляє єдиний комплекс, називаний колоїдною часткою. Зовні колоїдна частка покрита дифузійним шаром з іонів протилежного знака. Колоїдна частка має значно більші розміри, чому найбільші молекул. В електричнім полі частина дифузійного шару відділиться, а частина, що залишився, колоїдної частки стає великим носієм заряду.

Електропровідність рідких неполярних діелектриків (наприклад, трансформаторних масел) визначається в основному тільки природою й концентрацією іоногенної домішки. Тому питомий опір технічно чистих рідких неполярних діелектриків досить велике (ρ = 10¹⁰ – 10¹⁴ Ом∙м).

У рідких полярних діелектриках (наприклад, поліхлордіфеніли) поряд з молекулами домішки можуть дисоціювати і молекули розчинника. Молекули домішки також дисоціюють значно сильніше в полярному розчиннику. Тому питомий опір полярних рідин завжди нижче (ρ = 10⁸ – 10¹¹ Ом∙м), чому в неполярних діелектриків.

3.6. Електропровідність твердих діелектриків.

Електропровідність твердих діелектриків обумовлюється переміщенням іонів як самого діелектрика, так і іонів випадкових домішок.

Для твердих неполярних діелектриків молекулярної будови електропровідність зв'язана тільки з наявністю в них іоногенних домішок. У полярних діелектриках умови утвору іонів більш сприятливий, чому в неполярних, тому вони мають більш низький питомий опір. Величина питомого опору полярних діелектриків тем нижче, чим вище полярність молекул і чим вище температура.

Питома електропровідність твердих діелектриків в області слабких електричних полів не залежить від напруженості поля, що відповідає виконанню закону Ома. Однак, в області сильних електричних полів спостерігається відхилення від закону Ома. У цій області електропровідність діелектрика різко зростає за рахунок появи режиму електронної провідності. При подальшім збільшенні напруги виникає пробій.

Питома поверхнева електропровідність обумовлена наявністю вологи й забруднень поверхні, що збільшує іонну складову провідності. Зі збільшенням полярності діелектрика й вологості повітря, поверхнева провідність росте значно швидше, чим об'ємна.

Розділ 4. Діелектричні втрати.

4.1. Визначення й основні поняття

Діелектричними втратами P (Вт) називають ту частину енергії прикладеного електричного поля, яка розсіюється в діелектрику в одиницю часу. Ця енергія переходить у тепло й діелектрик нагрівається.

При неприпустимо високих втратах ізоляція може нагріватися до температур, що приводять до теплового руйнування.

Діелектричні втрати електроізоляційних матеріалів характеризуються тангенсом кута діелектричних втрат tgδ, де δ – кут, що доповнює до 90 градусів кут зсуву фаз між струмом і напругою в схемі заміщення діелектрика, рис.4.1.

δ = 90 - φ

Величина tgδ є важливою характеристикою діелектриків. Чим більше tgδ, тим більше високими будуть діелектричні втрати. Для найбільше широко застосовуваних діелектриків tgδ має значення в межах 0,001 – 0,03.

Діелектричні втрати можуть мати місце як при постійному, так і при змінній напрузі. При постійній напрузі втрати обумовлені струмами наскрізної провідності. Величина діелектричних втрат у цьому випадку обернено пропорційна значенням питомого об'ємного й поверхневого опору діелектрика

При змінній напрузі діелектричні втрати виникають як під дією струму наскрізної провідності, так і релаксаційних видів поляризації. Деформаційні види поляризації не супроводжуються додатковими втратами.

У сильних електричних полях виникають також іонізаційні втрати.

4.2. Еквівалентні схеми заміщення діелектрика із втратами.

Для вивчення діелектричних втрат якого-небудь діелектрика, необхідно розглянути конденсатор із цим матеріалом у ланцюзі змінної напруги. Реальний конденсатор має деяку ємність C, у ньому розсіюється деяка потужність Р, а кут зрушення фаз між струмом і напругою рівняється φ. Еквівалентна схема реального конденсатора буде містити ідеальний конденсатор, і активний опір, включений паралельно або послідовно з конденсатором. За цією ознакою розглядають два види еквівалентної схеми: паралельну й послідовну схеми. Параметри цих еквівалентних схем повинні бути обрані так, щоб активна потужність, що витрачається в них, була дорівнює потужності втрат Р, а струм випереджав би напругу на кут φ.

Послідовна схема заміщення діелектрика зображена на рис. 4.2.

Активна складова напруги Ua збігається по фазі зі струмом, реактивна складова напруги Ur відстає від струму на кут 90 градусів.

Якщо напруги в трикутник напруг розділити на модуль вектора струму I, то одержимо трикутник опорів, 4.2, в. Із трикутника опорів одержуємо

Величина потужності, що розсіюється, для послідовної схеми заміщення:

(4.1)

Паралельна схема заміщення діелектрика й векторна діаграма струмів у ній зображені на рис. 4.3.

З трикутника струмів отримуємо вираз для tgδ.

(4.2)

Для паралельної схеми заміщення величина потужності, що розсіюється, дорівнює

(4.3)

Вираз для потужності, що розсіюється, згідно з формулами (4.1) і (4.3) не збігаються.

Це пов'язане з тим, що еквівалентні схеми вводяться умовно, не пояснюючи повністю механізму діелектричних втрат. Тому що потужність, що розсіюється в діелектрику, не може залежати від обраної схеми заміщення, то різнитися будуть параметри різних схем заміщення. Ємності й активні опори паралельної й послідовної схем заміщення зв'язані між собою виразами:

Для високоякісних діелектриків квадратом тангенса кута діелектричних втрат можна знехтувати у порівнянні з одиницею й параметри схем заміщення збігаються. Однак для випадку діелектриків з високим значенням tgδ параметри схеми заміщення стають залежними від вибору того або іншого типу схеми заміщення. А от величина tgδ для діелектрика від обраної схеми заміщення не залежить. Але цей показник залежить від природи матеріалу, частоти прикладеного напруги й температури навколишнього середовища.

Таким чином, слід розуміти, що схема заміщення діелектрика є нелінійної, параметри її елементів суттєво залежать від температури й частоти прикладеного напруги.

З формули (4.2) випливає, що потужність, що розсіюється в діелектрику, пропорційна квадрату прикладеного напруги і його частоті, а також залежить від діелектричної проникності, що визначає ємність діелектрика, і tgδ матеріалу. Діелектричні втрати суттєво зростають для діелектриків, що працюють в установках високої напруги або підвищеної частоти. Ці втрати викликають додаткове нагрівання ізоляції, обмежуючи тим самим припустимі режими навантаження встаткування по струму. Згадаємо класи нагрівостійкості встаткування, які були розглянуті у курсі «Електротехнічні матеріали».

4.3. Різновиди діелектричних втрат.

Розрізняють наступні види діелектричних втрат:

- втрати, обумовлені струмом наскрізної провідності;

- втрати, обумовлені релаксаційною поляризацією;

- іонізаційні втрати.

Останній вид втрат існує тільки в сильних електричних полях.

4.3.1. Діелектричні втрати, обумовлені струмом наскрізної провідностi.

Cпостерігаються у всіх видах діелектриків. У неполярних діелектриках ( нафтові електроізоляційні масла, парафін), або, що мають іонну структуру із щільним упакуванням решіток (кварц, слюда), тобто в речовинах, що не мають релаксаційних видів поляризації, цей вид втрат є єдиним. Для паралельної схеми заміщення діелектрика маємо

З урахуванням того, що ω = 2πf, ємність плоского конденсатора С=ε₀ε(S/h), де ε₀ = 8,84∙10^-12 Ф/м – електрична постійна, активний опір R = ρ(h/S), одержимо вираз

(4.4)

Таким чином, у першому наближенні маємо, що втрати на електропровідність обернено пропорційні частоті прикладеного напруги. Для неполярних діелектриків діелектрична проникність не залежить від частоти. Але для полярних діелектриків слід ураховувати зміну діелектричної проникності від частоти прикладеного напруги. Тому що при збільшенні частоти діелектрична проникність зменшується, то зниження діелектричних втрат відбувається повільніше, чим за гіперболічним законом.

Зі збільшенням температури зростає електропровідність діелектрика у зв'язку з ростом кількості вільних зарядів і збільшенням їх рухливості. Це позначає зниження питомого опору й, у відповідність із формулою (4), ми маємо збільшення tgδ. Графічні залежності tgδ від частоти й температури наведені на рис. 4.4.

4.3.2. Діелектричні втрати, обумовлені релаксаційними видами поляризації.

При наявності у діелектрика релаксаційних механізмів поляризації його tgδ має високі значення (0,001-0,01) і сильно залежить від температури й частоти прикладеного напруги.

Загальний вигляд температурної залежності tgδ, обумовленого дипольно-релаксаційною поляризацією, наведено на рис.4.5.а.

При низькій температурі в'язкість діелектрика буде високої, диполі не зможуть іти за полем і дипольно-релаксаційна поляризація практично зникає, а tgδ має низьке значення. При високих температурах в'язкість середовища стає мінімальною, орієнтація диполів відбувається практично без тертя, тому втрати в діелектрику невеликі, tgδ має також має низьке значення. Значення tgδ досягає максимального значення, коли диполі встигають максимально повно орієнтуватися по полю.

Положення максимуму цієї кривій визначається рівністю ω = 1/τ, де ω – кругова частота прикладеного напруги, τ – час релаксації діелектрика.

Час релаксації діелектрика залежить від в'язкості середовища й, отже, від її температури.

Іонно-релаксаційні втрати монотонно зростають при нагріванні (рис.4.5.б), тому що послабляються іонні зв'язки й збільшується число іонів, що брав участь у переходах на вакантні вузли ґрат.

Дипольно- та іонно-релаксаційні втрати помітно проявляються при частотах 10⁶-10¹⁰ Гц.

4.3.3. Іонізаційні втрати.