Файл: РМ текст лекций.doc

При увеличении температуры окружающей среды электрическое сопротивление диэлектриков уменьшается, а проводимость возрастает, что приводит к пропорциональному нарастанию мощности при заданном значении напряжения. В этих условиях перегрев диэлектриков, особенно в высоковольтном оборудовании, увеличивает вероятность нарушения электрической прочности изоляции, что может привести к ее пробою. Следует учитывать, что электрический пробой изоляции на оборудовании подстанций высокого напряжения или на мощных линиях — это катастрофа.

Таким образом, уже на этом ограниченном числе примеров видно, что правильный выбор диэлектрика, знание его состава, структуры, электрических, тепловых, механических, физико-химических параметров, их взаимосвязи с технологическими факторами, т. е. всего комплекса свойств обусловливают технико-экономические и эксплуатационные показатели и характеристики электротехнических систем и приборов.

В этом конспекте лекций изложены теоретические основы, необходимые для понимания физической сущности параметров и характеристик, по которым оценивается способность диэлектриков работать в различных условиях при воздействии электрического поля; приводится также необходимый минимум примеров диэлектрических материалов, необходимых для понимания основ теории.

Ограниченный объем пособия не позволил рассмотреть физико-химические свойства диэлектриков, в ряде случаев играющие определяющее значение, опущены также общие разделы, которые обычно рассматриваются в физике и химии твердого тела (виды химических связей в веществах, понятие о кристаллических, поликристаллических, аморфных материалах). Эти разделы читателю рекомендуется проработать самостоятельно.

3.1 Поляризация диэлектриков

3.1.1 Определение поляризации

Поляризациейназывается состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент.

Возникновение (индуцирование) электрического момента в единице объема образца диэлектрического материала или участка электрической изоляции может происходить под действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно (самопроизвольно).

Поляризованность— определяет интенсивность поляризации диэлектрика и является количественной характеристикой диэлектрика. Средний электрический момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика, дипольный момент молекул

p =q·l, (3.1.1)

где q —величина заряда, 1 — расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда. Если существуетптаких молекул (диполей) в 1 м , то

J=n•р (3.1.2)

Поляризованность J,Кл-м/м³совпадает по значению с поверхностной плотностью зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика.

Индуцированный полем электрический момент молекулы р,поляризованность диэлектрика и напряженность электрического поля Е-векторные физические величины.

Векторы J и Е визотропных кристаллических диэлектриках и текстурах совпадают и имеют различные направления в анизотропных средах. Для изотропных (“линейных”) диэлектриков поляризованность J пропорциональна напряженности внешнего поляЕ

J=ε₀·Х·Е, (3.1.3)

где X—безразмерный параметр, называемый диэлектрической восприимчивостью, а ε₀— электрическая постоянная, равная 8,854·10^1/2 Ф/м.

Для характеристики способности диэлектрических материалов к поляризации в технике используют безразмерный параметр — относительную диэлектрическую проницаемость εr (индекс r в дальнейшем будем опускать).

3.1.2 Диэлектрическая проницаемость

Рассмотрим электрический конденсатор, изготовленный из параллельных пластин площадью S, м²расстояние между которыми d, м. Приложим к пластинам (электродам) конденсатора электрическое напряжение.

В конденсаторе, помещенном в вакуум на пластинах возникнет заряд Qо, на конденсаторе, между пластинами которого диэлектрик заряд -Q.Из-за поляризации диэлектрика в электрическом поле на его противоположных сторонах возникают зарядыQд, знак которых противоположен знаку поляризационных зарядов на поверхности диэлектрика. Следовательно, полный заряд конденсатора с диэлектриком

Q=Qо+Qд=ε·Qо. (3.1.4)

Здесь ε- относительная диэлектрическая проницаемость, один из важнейших параметров, характеризующих диэлектрические материалы.

Следовательно относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика, т. е.

ε=Q/Qо=(Qо+Qд)/Qо=1+Од/Оо. (3.1.5)

Из формулы 3.1.5 видно, что если Qд=О, что соответствует относительной диэлектрической проницаемости вакуума, то ε любого диэлектрика будет больше 1. В дальнейшем для краткости в большинстве случаев термин “относительная” при наименовании диэлектрической проницаемости, опускается.

Используя понятие поляризации и ε можно классифицировать диэлектрики на ЛИНЕЙНЫЕ и НЕЛИНЕЙНЫЕ (пассивные и активные).

3.1.3 Классификация диэлектриков на линейные и нелинейные

Для большинства диэлектриков в слабых электрических полях зависимость поляризованности от напряженности поля можно записать в виде

Р=εо·Х·Е=εо(ε-1)·Е (3.1.6)

В сильных электрических полях линейная зависимость между поляризованностью и напряженностью поля нарушается. Пропорциональности между векторами РиЕнет также у нелинейных диэлектриков, к которым относятся, в частности, сегнетоэлектрики (смотрите разделы 3.7 и 3.13). Характер изменения поляризованности иε от напряженности поля для линейных диэлектриков, у которыхРиε изменяются пропорционально изменениюЕпоказан на рис.3.1.1 и 3.1.2

рис. 3.1.1.

рис. 3.1.2

Линейные диэлектрики относят к ПАССИВНЫМдиэлектрикам. Как отмечалось во введении они применяются в основном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов.НЕЛИНЕЙНЫЕдиэлектрики, параметры которых зависят от величины приложенной разности потенциалов, относят кАКТИВНЫМдиэлектрикам. Емкостью конденсатора с нелинейным диэлектриком можно управлять электрическим полем, такие конденсаторы называют варикондами.

3.1.4 Диэлектрики полярные, неполярные и с ионной структурой

В настоящее время принято разделение линейных диэлектриков по механизмам поляризации молекул. Эта классификация исключительно важна при изучении как электрических, так и общих физико-химических свойств диэлектриков.

Неполярныедиэлектрики (нейтральные) - состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрическиймомент р=0.

Полярныедиэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. Но при замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или не углеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. Примеры молекул неполярных и полярных веществ показаны на рис. 3.1.3.

Метан сн4

рис. 3.1.3

К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпок-сидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.

Ионные соединенияпредставляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны, кроме электронной, ионная и электронно- релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций - электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризацию. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд, двуокись титана (рутил) и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке имеют также и ионно-релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.