Файл: материалы.doc

Угол диэлектрических потерь

Потеря мощности в диэлектрике при приложении к нему переменного тока составляет:

Pa=U х Ia, Вт

где U - приложенное напряжение, Ia- активная составляющая тока, проходящего через диэлектрик, А.

Как известно: Ia=Iр /tgφ= Iрхtgδ, А,Iр =U2πfC

где Iр - реактивная составляющая тока, проходящего через диэлектрик, А, С - емкость конденсатора, см, f - частота тока, гц,φ-угол, на который вектор тока, проходящий через диэлектрик, опережает вектор напряжения, приложенного к этому диэлектрику, град, δ - угол, дополняющийφдо 90° (угол диэлектрических потерь, град).

Таким образом, величина потери мощности определяется:

Pa=U²2πfCtgδ, Вт

Большое практическое значение имеет вопрос зависимости tgδ от величины приложенного напряжения(кривая ионизации).

При однородной изоляции, не имеющей расслоений и растрескиваний, tgδ почти не зависит от величины приложенного напряжения; при наличии расслоений и растрескиваний с увеличением приложенного напряженияtgδ резко возрастает из-за ионизации промежутков, заключенных внутри изоляции.

Периодическое измерение угла диэлектрических потерь (tgδ) и его сравнивание с результатами предыдущих замеров характеризуют состояние изоляции, степень и интенсивность ее старения.

Электрическая прочность диэлектрика

В электроустановках диэлектрики, образующие изоляцию обмоток, должны противостоять действию электрического поля. Интенсивность (напряженность) тюля возрастает с увеличением напряжения, создающего это поле, и, когда напряженность поля достигает критической величины, диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства происходит так называемый пробой диэлектрика.

Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением, а соответствующая ему напряженность поля -электрической прочностью диэлектрика.

Численное значение электрической прочности равно отношению величины пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя:

Eпр =Uпр /l, кВ / мм,

где Uпр - пробивное напряжение, кВ,l- толщина изоляции в месте пробоя, мм.

10. Поляризация диэлектриков, диэлектрическая проницаемость, упругие и не упругие поляризации.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

- смещение положительного и отрицательного зарядов в противоположные стороны, т.е.ориентация молекул.

Поляризация полярных диэлектриков Диэлектрик вне эл.поля - в результате теплового движения электрические диполи ориентированы беспорядочно на поверхности и внутри диэлектрика. q = 0 и Eвнутр = 0 Диэлектрик в однородном эл.поле - на диполи действуют силы, создают моменты сил и поворачивают диполи вдоль силовых линий эл.поля.

НО ориентация диполей - только частичная, т.к. мешает тепловое движение. На поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, а внутри диэлектрика заряды диполей компенсируют друг друга. Таким образом, средний связанный заряд диэлектрика = 0. Поляризация неполярных диэлектриков - тоже поляризуются в эл.поле: положительные и отрицательные заряды молекул смещаются,

центры распределения зарядов перестают совпадать (как диполи), на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд, а внутри эл.поле лишь ослабляется.

Ослабление поля зависит от свойств диэлектрика.

8.2.1. Электронная упругая поляризация

Электронная упругая поляризация характерна для всех диэлектриков вне зависимости от их агрегатного состояния (газ, жидкость или твердое тело) и степени порядка структуры (кристалл либо аморфное тело), поскольку деформация электронных оболочек атомов в электрическом поле − их общее свойство. Электронные оболочки и ядра упруго смещаются друг относительно друга, поэтому такой вид поляризации часто называют деформационной поляризацией. Поскольку ядра в раз тяжелее электронов, то смещение испытывают в основном электроны, причем преимущественно валентные как более слабо связанные с ядром по сравнению с электронами более глубоких оболочек. Вследствие смещения электронных орбит поляризованная частица (атом или молекула) становится электрическим диполем с определенным наведенным (индуцированным) электрическим моментом, равным произведению заряда на величину смещения.

Такой механизм поляризации наименее инерционен, время ее установления составляет всего  с. Это приводит к тому, что при электронной упругой поляризации в веществе успевает устанавливаться поляризованное состояние даже при сравнительно высоких частотах электромагнитного поля (оптические колебания видимого и инфракрасного спектров), что приводит к слабому поглощению такого излучения в веществе.

Рассмотрим механизм электронной упругой поляризации на примере водородоподобного атома (рис. 8.2).

В отсутствие внешнего электрического поля  центры положительного и отрицательного заряда в атоме совпадают. Под действием электрического поля  смещается геометрический центр отрицательного заряда. Обозначим это смещение через x. Равновесие в системе достигается, если сила упругости, стремящаяся вернуть электрон в исходное состояние, будет уравновешена силой, действующей на него со стороны электрического поля, т. е.

Здесь предполагается, что k − это коэффициент упругости упругой возвращающей силы . Смещение зарядов приводит, как уже было сказано выше, к возникновению дипольного момента . Тогда, учитывая уравнение (8.7), смещение электронной орбиты можно представить в виде x=eE/k, отсюда электрический дипольный момент

Коэффициент пропорциональности между величинами P и E  называется электронной поляризуемостью диэлектрика ().

Из рис. 8.2 видно, что квазиупругая возвращающая сила является проекцией силы притяжения между ядром и электроном на направление напряженности электрического поля, т. е. , где F – кулоновская сила. По закону Кулона, . Поскольку , где r − радиус орбиты электрона, то возвращающую силу можно представить в виде

Обычно внешние поля много меньше внутреннего электрического поля в атоме, поэтому смещение x мало по сравнению с r. При  из (8.9) получим

Значит, возвращающая сила пропорциональна смещению с коэффициентом пропорциональности

Подставляя полученное выражение для коэффициента упругости  в уравнение (8.8), найдем электроннуюполяризуемость диэлектрика как

Полученное выражение (8.12) свидетельствует о том, что параметром атома, определяющим его способность поляризоваться, является радиус электронной орбиты. Отметим, что расчетные значения поляризуемости атомов различных химических элементов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Чем больше радиус орбиты, тем меньше сила притяжения между ядром и электроном и тем больше смещение при одинаковых значениях напряженности внешнего поля.

Поскольку электронная структура атома практически не зависит от температуры, то с теоретической точки зрения величина  не должна претерпевать при изменении температуры существенных изменений. Эксперименты подтверждают справедливость этого вывода.

11. Электропроводность диэлектриков. Объемное и поверхностное сопротивление, собственная и примесная проводимости.

Электропроводность диэлектриков практически равна нулю в силу весьма сильной связи между электронами и ядром атомов диэлектрика.

Если диэлектрик поместить в электростатическое поле, то в нём произойдёт поляризация атомов, т.е. смещение разноимённых зарядов в самом атоме, но не разделение их (рис. 1.12а). Поляризованный атом может рассматриваться как электрический диполь (рис. 1.12б), в котором «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются.

Рис 1.12

Диполь – это система двух разноимённых зарядов, расположенных на малом расстоянии друг от друга в замкнутом пространстве атома или молекулы.

Электрический диполь – это атом диэлектрика, в котором орбита электрона вытягивается в направлении, противоположном направлению внешнего поля Eвнешн (рис. 1.12б). Поляризованные атомы создают своё электрическое поле, напряжённость которого направлена против внешнего поля. В результате поляризации результирующее поле внутри диэлектрика ослабляется. Интенсивность поляризации диэлектрика зависит от его диэлектрической проницаемости. Чем она больше, тем интенсивнее поляризация в диэлектрике и тем слабее электрическое поле в нём.