• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Уявлення про будову речовини.

Залежно від співвідношення енергії теплового руху часток речовини й енергії їх взаємодії речовини можуть перебувати в трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому або твердому. Особливим видом стану речовини є плазмова стан, який утворюється при нагріванні речовин до температур понад 5000°С.

Гази утворюють рідше одноатомні ( інертні гази), частіше двох(азот, водень, кисень) – і багатоатомні молекули.

У рідинах основним типом часток є багатоатомні молекули. Якщо молекули полярні, то частина їх розпадеться на позитивно й негативно заряджені іони. У рідинах спостерігається близький порядок – деяка закономірність у розташуванні часток, що перебувають у безпосередній близькості.

У твердих тілах атоми, іони й молекули розташовані або в геометричному порядку (кристалічні тіла), або хаотично, у близькому порядку, утворюючи аморфне тіло. Будова аморфних речовин подібно з будовою рідин, що мають дуже високу в'язкість. Привести приклад скла.

У розташуванні часток, що утворюють кристалічне тіло, має місце як близький, так і далекий порядок. У кристалі сформовані просторові кристалічні решітки. Багаторазово повторюваним елементом є елементарне кристалографічне гніздо. Вершини гнізда називають вузлами, відстань між сусідніми вузлами називають періодомрешітки. Форма кристалів визначається розміром періодів a, b, з і осьових кутів α, β, γ. Існує 14 типів основних просторових ґрат, що утворюють 7 кристалографічних систем.

Деякі речовини перебувають в аморфно-кристалічному стані, тобто в них співіснують дві фази: аморфна й кристалічна.

1.1.1. Типи міжатомних зв'язків.

Для полегшення розуміння міжатомної взаємодії ми будемо розглядати типи хімічного зв'язку в трохи спрощеному виді, а саме, розглянемо: а) гомеополярний, або ковалентний зв'язок, б) гетерополярний, або іонний зв'язок, в) металевий зв'язок і г) поляризаційний зв'язок, або зв'язок Ван-Дер-Ваальса.

Об'єднання атомів у молекули речовини, а також об'єднання атомів або іонів у тверде тіло відбувається під дією хімічних зв'язків. Об'єднання молекул у речовину, що перебуває в рідкому або газоподібному стані здійснюється під дією сил міжмолекулярної взаємодії, називаними силами Ван-Дер-Ваальса. Природа хімічних і молекулярних зв'язків єдина – електрична. Розрізняють кілька типів хімічного зв'язку, основні з них – це ковалентна й іонна.

Ковалентний зв'язок здійснюється за рахунок утворення однієї або декількох загальних пар електронів, що раніше належали різним атомам. Ковалентний зв'язок може бути одинарний (водень, хлор) або багаторазовий (наприклад, азот – 3). Ковалентний зв'язок утворюється між атомами одного або декількох хімічних елементів із близькими іонізаційними потенціалами. У чистому виді ковалентний зв'язок реалізується при взаємодії елементів з наполовину заповненими електронними оболонками.

Розглянемо схематичну будову атома й молекули водню, рис. 1.1. Електрони при русі по орбітах частіше перебувають між ядрами, що сприяє зближенню атомів. Радіус атома водню рівний 0,53 ангстрема, а відстані між ядрами атомів у молекулі водню рівняється всього лише 0,74 ангстрема.

Поява між позитивно зарядженими іонами пари негативно заряджених електронів приводить до того, що обидва іона притягаються до усуспільнених електронів і, тим самим, наближуються друг до друга. Кожний атом взаємодіє з обмеженим числом сусідів, причому число сусідів дорівнює числу валентних електронів атома, рис. 1.1. Отже, ковалентний зв'язок є насиченим. Крім того, атом взаємодіє тільки з тими сусідами, з якими він обмінявся електронами, тобто ковалентний зв'язок спрямований.

Відношення розміру позитивно зарядженого ядра до розміру валентної електронної оболонки надзвичайно мале, тому при аналізі сили притягання можна вважати, що взаємодіють точкові заряди, тобто сила притягання описується найпростішою формою кулонівського закону: сила притягання обернено пропорційна квадрату відстані між зарядами. При зближенні атомів починається взаємне відштовхування внутрішніх електронних оболонок, і відштовхування атомів описується більш складним законом: сила відштовхування обернено пропорційна відстані між атомами в ступені n, де n >2.

Збільшення порядкового номера елемента веде до росту кількості електронних оболонок, що екранують взаємодію позитивно заряджених ядер з валентними електронами. Тому знижується сила взаємного притягання й зменшується глибина потенційної ями. У результаті, з ростом порядкового номера елемента падає температура плавлення, росте коефіцієнт теплового розширення, зменшується модуль пружності.

Якщо молекула складається з атомів того самого хімічного елемента, то в ній центри розташування позитивних і негативних зарядів збігаються. Власний електричний дипольний момент μ такої молекули дорівнює нулю. Діелектрик, утворений такими неполярними молекулами також є неполярним.

Якщо молекула складається з атомів різних хімічних елементів, то електронна пара зміститься убік одного з атомів, що має більшу електровід’ємність. У результаті відбудеться поляризація молекули. Полярною або дипольною стане й сама молекула. Електричний дипольний момент μ такої молекули буде дорівнювати

μ = q * l, Кл*м,

де q – абсолютне значення заряду диполя, l – плече диполя, відстань між центрами різнойменних зарядів. Дипольний момент часто вимірюють у дебаях(D). 1D = 3.33∙10 -30 Кл∙м. Молекула води є полярною, тому що електронні пари між киснем і воднем зміщені убік атома кисню (рис. 1.2).

При наявності полярних ковалентних зв'язків можуть утворюватися й неполярні молекули, якщо дипольні моменти цих зв'язків урівноважують один одного. Таке явище характерне для складних органічних молекул. Наприклад, поліетилен, трансформаторне масло, парафін є неполярними речовинами, хоча зв'язок «вуглець-водень» є полярною.

Іонний зв'язок виникає між атомами, що мають дуже велику різницю електровід’ємності. У цьому випадку електронна пара настільки сильно зміщається у бік одного з атомів, що той фактично стає негативним іоном. Таким чином, іонний зв'язок утворюється за рахунок переходу електрона від одного атома молекули до іншого. Типовий приклад такого зв'язку – поварена сіль, рис. 1.3 :

NaCl = Na+ + Cl-.

Кордон розподілу між полярним ковалентним і іонним зв'язком досить умовний, принципової відмінності в механізмі утворення цих зв'язків немає. Але ці зв'язки сильно відрізняються між собою по величині енергії, яку потрібно затратити на розрив такого зв'язку.

Іонний зв'язок утворюється при взаємодії атомів з малою кількістю валентних електронів і атомів з більшою кількістю електронів на валентних оболонках. При цьому зовнішні електрони атомів з низькими потенціалами іонізації переходять на валентні оболонки атомів з високими іонізаційними потенціалами. У результаті утворюються позитивно й негативно заряджені іони, що взаємно притягаються електростатичними силами. Іонний зв'язок ненасичений, оскільки кожний з негативно заряджених іонів притягає до себе позитивно заряджені, а кожний з позитивно заряджених іонів притягає до себе всі негативно заряджені. Однак іонний зв'язок спрямований, оскільки іон притягає до себе різнойменно заряджені іони й відштовхує однойменно заряджені.

Зменшення розміру іона й збільшення його заряду веде до росту енергії зв'язки, а отже, до росту температуру плавлення матеріалу, зменшенню коефіцієнта теплового розширення й до збільшення модуля пружності.

Металічний зв'язок утворюється між атомами одного або декількох хімічних елементів, у яких валентні електронні оболонки забудовані менше ніж на половину. Оскільки енергія іона мінімальна при повністю заповненій зовнішній оболонці, атоми віддають зовнішні валентні електрони й перетворюються в позитивно заряджені іони, між якими перебувають вільні електрони (електронний газ).

Кожний з позитивно заряджених іонів притягається до вільних електронів, і, тим самим, іони притягаються друг до друга. Металічний зв'язок неспрямований і ненасичений, і число найближчих сусідів в іона визначається в основному геометричним і енергетичними факторами. Отже, кристалічні ґрати металів упаковані щільно. Під дією електричного поля не пов'язані з іонами електрони переміщаються, тобто метали мають високу електропровідність. Вільні електрони можуть легко прискорюватися й уповільнюватися, тобто міняти свою кінетичну енергію. Внаслідок цього металеві матеріали поглинають кванти електромагнітного поля будь-якої енергії, тобто метали непрозорі для радіо - і світлових хвиль у широкому діапазоні частот. Поглинувши квант електромагнітного поля, вільний електрон збуджується, і, переходячи в стаціонарний стан, випускає аналогічний квант. Інакше кажучи, металеві матеріали відбивають радіо - і світлові хвилі.

2.1.6. Спонтанна (доменна) поляризація.

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.

Іонізаційні втрати – це та частина потужності прикладеного електричного поля, яка витрачається на іонізацію молекул газу. Практично всі технічні тверді діелектрики мають газові включення (пори, мікротріщини), а в рідких діелектриках присутні мікропухирці повітря, те іонізаційні втрати спостерігаються як у твердих, так і в рідких діелектриках при досить більших значеннях електричного поля.

Розглянемо поведінку складової втрат, обумовленою іонізацією газу в повітряних включеннях, крива 1 рис.4.6. В області слабких полів U < Uн самостійна іонізація відсутня, тому загальні втрати визначаються власними втратами в діелектрику, а величина tgδ від напруги не залежить. У міру збільшення напруги в газових включеннях діелектрика починають виникати часткові розряди – прояв самостійної іонізації газів. Розсіювання потужності збільшується, що відповідає росту tgδ. При збільшенні напруги втрати різко наростають. Спочатку часткові розряди виникають у більших газових включеннях, потім при збільшенні напруги в цей процес утягуються нові, більш дрібні включення. При напрузі рівному Uм газ виявляється іонізованим у всіх включеннях. Отже, додаткової енергії для іонізації вже не потрібно, tgδ досягає локального максимального значення. Відповідно до формули (3) для потужності втрат у паралельній схемі заміщення діелектрика подальше збільшення прикладеного напруги буде супроводжуватися зниженням втрат, а значить і величиною tgδ. Однак у сильних електричних полях нелінійно починає наростати електропровідність самого твердого діелектрика, наближаючись до крапки пробою діелектрика. Наближення напруги до значення напруги пробою супроводжується збільшенням tgδ. Чим менше збільшення tgδ при зміні напруги в діапазоні від Uн до Uм, тем краще якість високовольтної ізоляції. Це досягається за рахунок зниження пористості (кількості й головна – розміру пор) високовольтної ізоляції.

Під дією часткових розрядів, запалюваних у газових включеннях твердої ізоляції, іде поступове її руйнування – т.зв. електрична ерозія. Чим більше діаметр газових включень (особливо більше 0,1 мм), тем вище інтенсивність часткових розрядів і нижче значення напруги Uн, при якім починаються розрядні процеси.

Іонізаційні процеси можуть відбуватися не тільки в товщі діелектрика, але й на його поверхні, у поверхні проводів ліній передач високої напруги й контактних мереж залізниць. Поверхнева іонізація відома за назвою явища корони.

Іонізаційні втрати можуть бути обчислені по наближеній формулі

де А – постійний коефіцієнт, f – частота напруги, U – прикладена напруга, Uн – напруга початку іонізації.

4.4. Діелектричні втрати в різних видах діелектриків.

У газоподібних діелектриках у слабких електричних полях втрати є наслідком тільки струму наскрізної провідності. Втрати практично не залежать ні від температури, ні від частоти напруги. tgδ може бути обчислений по формулі (4). З урахуванням ρ = 10¹⁷ Ом∙м, для напруги промислової частоти одержимо tgδ ≈ 10^-8.

(4)

Однак у сильних електричних полях втрати в газах можуть збільшуватися на кілька десяткових порядків у результаті поглинання енергії, що витрачається на іонізацію газів.

У рідких неполярних діелектриках (трансформаторне масло) діелектричні втрати обумовлені тільки наскрізною провідністю й мають невеликі значення tgδ ≈ 10^-4. Це значення практично не залежить від температури, але суттєво залежить від кількості домішок.

У рідких полярних діелектриках (хлордіфеніли) діелектричні втрати обумовлені як наскрізною провідністю, так і дипольно-релаксаційною поляризацією. Для них характерні більші значення tgδ ≈ 10^-2 - 10^-3. У випадку дипольно-релаксаційної поляризації tgδ при нагріванні має локальний максимум. Подальше нагрівання діелектрика знову приводить до росту tgδ за рахунок збільшення струму наскрізної провідності. При великому змісті домішок дипольно-релаксаційний максимум втрат може бути повністю замаскований втратами від струмів наскрізної провідності.

У твердих діелектриках, що відрізняються більшою різноманітністю варіантів структури й хімічного складу, залежність tgδ від температури, амплітуди й частоти напруги можуть носити досить складний характер. Наприклад, у поліетилені можуть спостерігатися три релаксаційних максимуми в залежності tgδ(Т), обумовлених дипольно-сегментальною поляризацією. На величину діелектричних втрат полімерів суттєво впливають полярність і пористість матеріалу й відносна вологість повітря. При нагромадженні вологи в порах ізоляції виникає міграційна поляризація, яка приводить до істотного збільшення втрат, особливо на низьких частотах. Наприклад, папір – полярний сильнопористий матеріал, при вологості 0% має tgδ = 7∙10^-3, а при вологості 8% маємо tgδ = 4.

Розділ 5. Пробій діелектриків.

5.1. Визначення й основні поняття

У сильних електричних полях з'являються нові процеси, що обмежують застосування діелектриків як електричної ізоляції між електропровідними елементами.

Ізоляційний проміжок - пристрій, або елемент пристрою, що містить електропровідні елементи з діелектриком між ними. При підвищенні напруженості електричного поля в будь-якому діелектрику, після досягнення певного рівня виникає нове фізичне явище - електричний пробій проміжку.

Електричний пробій - утвір під дією високої напруги електропровідного плазмового каналу в діелектрику між електродами ізоляційного проміжку. Діелектрик при деякім значенні електричного поля втрачає електроізоляційні властивості, тому що в діелектрику утворюється канал провідності, що полягає з іонів і електронів. Напруга між електродами зменшується до нуля за рахунок розряду зарядженої ємності діелектрика через, що утворювався електропровідний канал. Наслідком пробою є струм короткого замикання Iкз, який не залежить від природи діелектрика й визначається лише потужністю джерела напруги й опором зовнішньому ланцюга. Дія струму короткого замикання приводить до механічного й теплового руйнування твердого діелектрика – утворюється наскрізний проплавлений отвір.

Після відключення ізоляційного проміжку з рідким або газоподібним діелектриком від джерела напруги канал розряду в рідині й у газі внаслідок рухливості молекул зникає й по закінченні деякого часу напруга можна знову подавати на пристрій. Електрична ізоляція цих матеріалів відновлюється. У твердих діелектриках канал розряду руйнує сам матеріал і не відбувається самовідновлення. Напруга на пристрої практично неможливо подати після одиничного пробою. Виріб із пробитою ізоляцією експлуатувати не можна через практично миттєвий повторний пробій ізоляції, але вже при більш низькій напрузі.

Напруга, при якім відбувається електричний пробій проміжку називається електричною міцністю проміжку.

Напруга, при якім наступає пробій, називають пробивною напругою U_пр, а напруженість електричного поля в цьому випадку характеризує електричну міцність E_пр діелектрика. Електрична міцність діелектрика - це мінімальна напруженість прикладеного електричного поля, при якім відбувається пробій.

Для випадку плоскопаралельного електричного поля Е_пр = U_пр/h, де h - товщина діелектрика в місці пробою.

Одиниця виміру електричної міцності в СИ = [В∙м], на практиці частіше використовують технічну одиницю виміру – [кВ∙мм] = 106[В∙м]

Електрична міцність Епр діелектриків залежить від великої кількості факторів: у першу чергу від ступеня однорідності діелектрика (у твердих діелектриків – від кількості й розміру пор, у рідких – від числа часток нерозчиненої домішки, у повітря – мікрокраплі вологи), від хімічної будови й состава матеріалу, від форми й відстані між електродами, від типу й характеристик напруги, що впливає, і інших показників.

На сьогоднішній день немає теорії, яка б ураховувала одночасний вплив усіх зазначених факторів на механізм пробою й за допомогою якої можна було б визначати Е_пр для будь-яких діелектриків. Тому основним методом визначення електричної міцності є експериментальний.

Розрізняють повний пробій, коли канал провідності проходить через усю товщу діелектрика від одного електрода до іншого, неповний пробій, коли канал провідності не досягає одного з електродів (наприклад, коронний розряд), і частковий, коли пробій відбувається в газових або рідких включеннях (порах) твердої ізоляції.

При спільнім використанні діелектриків, що перебувають у різних агрегатних станах, пробій може відбуватися по границі роздягнула фаз. Такий пробій називають поверхневим пробоєм (перекриттям). Практично найчастіше мова йде про поверхню ізолятора, що перебуває в повітрі. Напруга поверхневого розряду в таких випадках як правило завжди нижче, чим електрична міцність повітря.

5.2. Теоретичні відомості про електричне поле.

Електростатичне поле – окремий випадок електромагнітного поля, створюваного сукупністю нерухливих у просторі електричних зарядів, які також незмінні в часі. Мінливе електричне поле неминуче приводить до появи магнітних полів через явище електромагнітної індукції. Тому що діелектрики не мають магнітні властивості, те цілком припустимо обмежитися розглядом дією на діелектрик електричного поля.

Основними характеристиками електричного поля є його напруженість і потенціал. Напруженість поля є векторною величиною, потенціал – скалярної, обумовленої деяким числом. Електричне поле визначене, якщо відомий розподіл напруженості поля й потенціалу у всіх точках цього поля.

Електричне поле має здатність впливати на поміщений у нього заряд, із силою, прямо пропорційній величині цього заряду. В основу визначення електричного поля покладене його механічний прояв, описуване законом Кулона – «Два точкові заряди взаємодіють із силою, пропорційної добутку зарядів і обернено пропорційної квадрату відстані між ними»

де - одиничний вектор, спрямований уздовж лінії, що з'єднує заряди.

Електричне поле можна охарактеризувати сукупністю силових і еквіпотенціальних ліній. Силова лінія визначає, як би рухався досить малий позитивний заряд, що не володіє інерцією. Силові лінії починаються на негативних зарядах і закінчуються на позитивні.

Еквіпотенціальними називають поверхні, що мають рівний потенціал. перетинання еквіпотенціальних поверхонь із січною площиною дає нам еквіпотенціальні лінії.

Потенціал φ поля можна визначити як роботу з переносу одиничного позитивного заряду з даної точки в точку з нульовим потенціалом. Точка з нульовим потенціалом вибирається довільно.

Потенціал і напруженість поля зв'язані між собою загальним рівнянням

Електричне поле є потенційним. Це позначає, що робота з переміщення заряду в цьому полі не залежить від довжини траєкторії, а визначається тільки координатами початкової й кінцевої точок траєкторії. Зокрема, робота з переміщення заряду по замкненому контуру рівняється нулю.

Для розрахунків напруженості електричного поля, створюваного системою зарядів, використовують теорему Гауса, яка формулюється в такий спосіб : потік вектора напруженості електричного поля через будь-яку замкнену поверхню дорівнює сумі вільних зарядів, що перебувають усередині цієї поверхні, ділене на добуток ε₀∙ε. Тут ε – діелектрична проникність речовини, ε₀ = 8,84∙10^-12 Ф/м – електрична постійна.

Читайте також:

1. Альтернативні уявлення щодо макроекономічного регулювання: теорії раціональних сподівань та економіка пропозиції. Крива Лафера.
2. Аморфний та кристалічний стан твердої речовини.
3. Анімізм – уявлення про існування духовних істот та віра в можливість спілкування з ними.
4. Атомно-молекулярна будова речовини.
5. Бризантні вибухові речовини.
6. Будова атомів та хімічний зв’язок між атомами визначають будову сполук, а отже і їх фізичні та хімічні властивості.
7. Будову амортизатора
8. Вбудовування об’єктів
9. Вибудовування ДС зв’язків зі споживачами як фактор зростання
10. Визначення очікування індивіду, тобто уявлення індивіду про те, що повинно відбутись.
11. Виникнення Народного Руху України за перебудову. Роль цієї організації у розвиткові політичних подій в республіці протягом 1989-1991 р.
12. Вироблення початкових уявлень про речення і його будову

Переглядів: 1366