Файл: 111111100010010010.docx

5.2. Пробои диэлектриков

Нарушение электрической прочности диэлектрика в электрическом поле называют пробоем.

Напряжение, при котором происходит пробой, называют пробивным -

U_пp, а соответствующее значение напряженности электрического поля –пробивной напряженностью Е_пр. При этом

Е_пр=

Пробой газов обусловлен ударной ионизацией и фотоионизацией, сопровождается коронным разрядом. Пробивная напряженность зависит от химического состава газа, температуры, давления, расстояния между электродами, от формы воздействующего напряжения. При нормальных условиях пробивная напряженность воздуха

Е_пр=

Длительность подготовки пробоя газов составляет, 10-7-10-8с. Чем больше величина приложенного к газовому промежутку напряжения, тем быстрее развивается пробой.

Пробивное напряжение при воздействии импульсов выше, чем при воздействии постоянного напряжения, что оценивается коэффициентом импульса β= , величина β достигает 1,5.

При уменьшении зазора между электродами Е_пр увеличивается (рис.6), что объясняется трудностью формирования разряда.

График зависимости Е_пр воздуха от давления показан на рис.7.

При увеличении давления от Р_о уменьшается расстояние между молекулами, уменьшается длина свободного пробега, Е_пр растет. При уменьшении давления от Р_о уменьшается число молекул в единице объема, уменьшается вероятность столкновения атомов с электронами, Е_пр также растет.

Влияние частоты f на Е_пр воздуха видно из рис.8

С увеличением частоты до 5*10⁶ Гц, Е_пр сначала уменьшается, что объясняется искажениями поля, обусловленными образованием объемных зарядов в воздухе и вследствие различия в подвижностях ионов и электронов. При увеличении частот больше 5*10⁶ Гц Е_пр растет, что объясняется тем, что ударная ионизация не успевает развиваться за полупериод приложенного напряжения.

Влияние химического состава газа на пробивную напряженность видно из следующих данных: для азота, для гексафторида серы (элегаза)SF₆ это отношение равно 2,5; для фреона CCl₂F₂ -2,6; для паров четыреххлористого углерода – 6,4.

На Е_пр также влияет степень однородности поля. В неоднородном поле возможно возникновения коронного разряда в критических местах (между остриями). Неоднородность поля ведет к уменьшению Е_пр.

Пробой жидкостей происходит при более высоких напряженностях, чем в газах. Пробивная напряженность сильно зависит от концентрации примесей, особенно воды. Сотые доли процентов воды снижает Е_пр в несколько раз. Пробой жидкостей объясняется диссоциацией молекул примесей и собственных молекул при высоких напряженностях поля, а также ударной ионизацией.

6. Органические диэлектрики

6.1. Основы строения и классификация органических диэлектриков

Диэлектрики делятся на органические и неорганические. Основой органических материалов служит углерод, а неорганических - кремний. Встречаются также и кремний-органические материалы. Органические диэлектрики делятся на естественные и синтетические. Это высокомолекулярные соединения-смолы. К естественным, или природным, смолам относятся канифоль, шеллак, янтарь, натуральный воск, горный воск (озокерит). Канифоль получается из соков деревьев хвойных пород, янтарь - ископаемая смола, шеллак- отложение испражнений насекомых тропических стран.

Синтетические смолы получаются путем химических реакций полимеризации или поликонденсации. Реакция полимеризации - это химический процесс соединения молекул простых по составу веществ(мономеров) в большие молекулы(полимеры) без получения побочных продуктов. Например, этилен C₂H₄

Здесь n - степень полимеризации, т.е. число молекул мономера в молекуле полимера.

Соединения, содержащие единицы молекул мономера - газы, десятки-жидкость, сотни- твердые вещества. С увеличением количества атомов углерода увеличивается температура размягчения вещества.

Если в реакции участвует несколько полимеров - это реакция сополимеризации и получаемое вещество сополимер.

Реакция поликонденсации - химический процесс образования высокомолекулярных соединений, когда в молекулу полимера входят не все молекулы мономера и образуется низкомолекулярные побочные продукты в виде воды, аммиака и других. По строению молекулы полимеров делятся на линейные и пространственные. Линейные полимеры образуются. Когда молекула мономера имеет две реактивные точки (две свободные валентности), создающие связи между молекулами, как у этилена. При большом количестве реактивных точек получаются пространственные полимеры. Линейные полимеры гибки и эластичны, легко размягчаются и расплавляются при повышении температуры, легко растворяются в растворителях.

Пространственные полимеры обладают большой жесткостью, плавятся при высоких температурах, а многие из них при высоких температурах разрушаются(сгорают, обугливаются), растворяются плохо, многие практически нерастворимы. Линейные полимеры термопластичны, то есть их свойства меняются при нагревании и охлаждении. Термопластичные материалы легко перерабатываются литьем, прессованием, выдавливанием. Линейные полимеры могут иметь аморфную структуру, а также содержать и кристаллическую фазу (до 90%). Материалы с кристаллической фазой теряют способность растворяться. Пространственные полимеры термореактивны, то есть при нагревании переходят в новое состояние.

Полимеризационные смолы термопластичны, поликонденсационные-бывают как термопластичными (новолак и полиамидные смолы), так и термореактивными (глифталевые, бакелитовые). Поликонденсационные смолы полярные и гигроскопичные, полимеризационные смолы могут быть полярными и неполярными. Неполярные смолы практически не гигроскопичны.

6.2. Неполярные высокочастотные полимеры

Полиэтилен получается полимеризацией этилена, который извлекают из газов, выделяющихся при переработке нефти и коксового угля. Структурная формула этилена C₂H₄

Коэффициент полимеризации n достигает (20-35) *10³. Существуют два способа получения полиэтилена – при высоком и низком давлении. В первом случае полимеризация происходит при температуре t = 200^оC и давлении P=1500 - 3000 атмосфер в присутствии катализатора. При втором способе полимеризация происходит при давлении P=1--75 атмосфер в растворителе (углеводороде) с добавлением металлоорганического катализатора, температура t=(30-70) ^оC.

Полиэтилен представляет собой белый (роговидный) материал, на ощупь напоминает парафин, в тонких пленках прозрачен. До переработки в изделие полиэтилен гранулируется. Это легкий материал, удельный вес

d=0,92 – 0,96

При поджигании полиэтилен загорается, медленно горит синеватым пламенем без копоти. Полиэтилен термопластичен, температура размягчении t= 110^оC. При комнатной температуре на него не действуют ни кислоты, ни щелочи, кроме концентрированной азотной кислоты. Полиэтилен прочен на разрыв, тверд, гибок в диапазоне температур t = (-60+60)^оС, морозоустойчив, стоек к истиранию. Маслостойкость плохая, в бензине набухает, растворяется в ацетоне, четыреххлористом углероде СС1₄, хлороформе, толуоле, ксилоле. Содержит кристаллическую (75%) и аморфного (25%) фазы.

Электрические параметры:

ε=2.2 – 2.5; tgδ=10^-3 – 2_*10^-4; ρ_v = 10¹⁷Ом*см; Е_пр=40-60

Зависимости ε’ и tgδ от частоты и температуры показаны на рис. 1,2

Механические свойства полиэтилена зависят от температуры, полиэтилен высокой плотности в 2-3 раза прочнее на разрыв, чем низкой плотности.

Водопоглощение полиэтилена, погруженного в воду при комнатной температуре на 1 месяц, составляет 0,03%.

В зависимости от величины относительного удлинения при разрыве выпускается полиэтилен марок ПЭ-150, П-350, ПЭ-450, ПЭ-500 (цифры – относительное удлинение в процентах). Выпускается также пористый полиэтилен, который получается введением в состав полиэтилена газообразователей. Электрические характеристики пористого полиэтилена: ε=1.1; tgδ=10^-3.

Водопроницаемость возрастает в 10 раз. Солнечная энергия разрушает полиэтилен. Для увеличения светостойкости в него вводят до 2% сажи. Горючесть полиэтилена может быть снижена добавлением в него хлорированного парафина и трёхокиси сурьмы. При облучении -лучами температура плавления увеличивается до (180-200) ^оС, улучшаются и механические свойства.

Полиэтилен высокого давления применяют для изготовления изоляции и защитных оболочек кабелей связи. Полиэтиленовые пленки низкого давления применяют в качестве антикоррозийного и упаковочного материала. Облученный электронами полиэтилен имеет в 5 раз большую теплостойкость.

Полипропилен получается полимеризацией пропилена, содержащегося в газах, выделяющихся при переработке нефти.

Структурная формула полипропилена:

В зависимости от техпроцесса полипропилен может быть получен как аморфный каучукообразный, так и кристаллический. Полипропилен представляет собой жесткий материал без цвета и запаха, с глянцевой поверхностью. Он имеет резко выраженную температуру плавления в диапазоне 164 - 168 ^оС. По электрическим свойствам аналогичен полиэтилену. Он негигроскопичен, стоек к действию кислот, щелочей и растворов солей, разрушается только концентрированной азотной кислотой при температуре 70°С, разрушается под действием солнечных лучей, светостойкость улучшается при введении в него (1—2) % сажи. Растворяется в бензоле, толуоле. Применяется для изготовления искусственных волокон, химической посуды. Сополимер СЭП-15 этилена и пропилена (2-15% пропилена) обладает большой теплостойкостью, стойкостью к растворению в агрессивных средах. Пленки полипропилена прочнее, чем пленки полиэтилена.

Полиизобутилен - получается полимеризацией изобутилена, имеет следующую структурную формулу: