Курсовая работа: Диэлектрические материалы. Тангенс угла диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в диэлектриках реферат

Реферат Диэлектрические материалы. Тангенс угла диэлектрических потерь

Министерство образования Российской Федерации

Красноярский Государственный Технический Университет

Реферат по материаловедению на тему:

«Диэлектрические материалы.

Тангенс угла диэлектрических потерь.»

Выполнил: студент гр. ЭМ104Ж-В

Шманов Андрей Александрович

Проверил: преподаватель

Ковель Анатолий Архипович

г. Железногорск 2006 г.

Диэлектрики. Общие сведения.

Все вещества по электрическим свойствам условно делятся на три группы – проводники, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочными связями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в их состав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться под влиянием приложенной разности потенциалов. В отличие от диэлектриков в проводниках электрического тока электрические заряды не имеют таких связей, поэтому в проводниках электроны могут свободно перемещаться, создавая явление электрического тока. Практически в диэлектриках в силу ряда причин всегда имеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных перемещаться внутри вещества на большие расстояния. Иными словами, диэлектрики не являются абсолютными непроводниками электрического тока. Однако в нормальных условиях таких зарядов в диэлектриках очень мало, и обусловленный ими электрический ток, называемый током утечки, невелик. Проводимость диэлектриков проводимости проводников. Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие удельную электрическую проводимость не больше 10-7 – 10-8 См/м, проводникам – имеющие проводимость больше 107 См/м. К диэлектрикам относятся все газы (включая пары металлов), многие жидкости, кристаллические, стеклообразные, керамические, полимерные вещества. Поскольку свойства вещества сильно зависят от его агрегатного состояния, обычно рассматривают отдельно физические явления в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.

Свойства диэлектриков.

Влажностные свойства диэлектриков.

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т.е. способны пропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

Абсолютной влажностью воздуха оценивают массой (m) водяного пара, содержащийся в единице объема воздуха (м³). Каждой температуре соответствует определенное значение абсолютной влажности при насыщении (mнас). Большего количества воды воздух содержать не может, и она выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т.е. растет и давление водяных паров.

Относительной влажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение

За нормальную влажность воздуха (для различных испытаний, для определения свойств гигроскопичных материалов в стандартных условиях увлажнения и т.п.) принимают относительную влажность воздуха =65%. В воздухе с нормальной влажностью при 20 С содержание водяных паров m=17,3∙0,65=11,25 г/м.

Вода является сильно дипольным диэлектриком с низким удельным сопротивлением порядка 10³-104 Ом∙м. Поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению их электрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенных температурах (30-40º С) и высоких значениях , близких к 98-100%. Подобные условия наблюдаются в странах с тропическим климатом. В первую очередь воздействие повышенной влажности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении диэлектриков. Для предохранения поверхности электроизоляционных деталей из полярных твердых диэлектриков от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

При наличии в диэлектрике объемной открытой пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь материала.

Влажность материалов. Образец электроизоляционного материала, помещенный в условиях определенной влажности и температуры окружающей среды, через неограниченно большое время достигает некоторого равновесного состояния влажности.

Определение влажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий, при которых производится испытание электрических свойств данного материала. Для текстильных и тому подобных материалов устанавливается так называемая кондиционная влажность, соответствующая равновесной влажности материала при нахождении его в воздухе в нормальных условиях. На гигроскопичность материала существенное влияние оказывает строение и химическая природа. Большую роль играют наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которых проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения.

Определение гигроскопичности по увеличению массы увлажняемого образа хотя и дает некоторое представление о способности материала поглощать влагу, но не полностью отражает степень изменения электрических свойств этого материала при увлажнении. В том случае, если поглощенная влага способна образовывать нити или пленки по толщине изоляции, которые могут пронизывать весь промежуток между электродами (или значительную область между промежутками), уже весьма малые количества поглощенной влаги приводят к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределяется по объему материала в виде отдельных, не соединяющихся между собой малых включений, то влияние влаги на электрические свойства материала менее существенно.

Влагопроницаемость. Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т.е. способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов. Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладает поддающейся измерению влагопроницаемостью.

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других органических диэлектриков дает лишь замедление увлажнения материала, не влияя на величину  после длительного воздействия влажности; это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть.

Тепловые свойства диэлектриков.

К важнейшим свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

Нагревостойкость. Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры называют нагревостойкостью. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например по заметному росту tg  или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры (в  С), при которой появились эти изменения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве (определение "теплостойкости"). Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

В качестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкости электроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому способу нагревостойкость пластмасс и подобных материалов характеризуют таким значением температуры, при котором изгибающее напряжение 5 МПа вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этом скорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Для различных диэлектриков по этому получаются следующие численные значения:

Эбонит – 65-75 C

Полистирол - 70-85 С

Гетинакс - 150-180 С

В качестве примера употребляющегося в практике способа оценки температуры размягчения электроизоляционных материалов можно отметить способ кольца и шара. Испытуемый материал заливают в металлическое кольцо и помещают на него стальной шарик определенного диаметра; отмечается температура, при которой испытуемый материал настолько размягчается, что шарик может его продавить и пройти сквозь кольцо.

Температурой вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения - еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается.

Эти характеристики представляют особый интерес при оценке качества трансформаторного масла, а также растворителей, применяемых в производстве электроизоляционных лаков.

Если ухудшение качества изоляции может обнаружиться лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие медленно протекающих химических процессов, это явление называют тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и т.п. для проверки стойкости электроизоляционных материалов к тепловому старению образцы этих материалов длительно выдерживают при сравнительно невысокой температуре, не вызывающей медленного разрушения материала. Свойства образцов, старевших определенное время, сравнивают со свойствами исходного материала. При прочих равных условиях скорость теплового старения органических и элементоорганических полимеров значительно возрастает с повышением температуры старения, подчиняясь общим закономерностям изменения скорости химических реакций.

П родолжительность старения  связана с абсолютной температурой старения  зависимостью вида

г де А и В - величины, постоянные для данного материала и данных условий старения.

Помимо температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрации кислорода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение ускоряется от освещения образца ультрафиолетовыми лучами, воздействия электрического поля, механических нагрузок и т.п.

Для ряда электроизоляционных материалов, в особенности хрупких, весьма важна стойкость по отношению к резким сменам температуры (термоударам), в результате которых в материале могут образовываться трещины.

В результате испытаний устанавливается стойкость материала к тепловым воздействиям, причем она в различны случаях может быть неодинаковой: например, материал, выдерживающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может оказаться неустойчивым, по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже при более низкой температуры и т.п. как указывалось, испытание на действие повышенной температуры иногда приходится указывать с одновременным воздействием повышенной влажности воздуха или электрического поля.

Холодостойкость. Во многих случаях эксплуатации важна холодостойкость, т.е. способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах, например от -60 до -70 С. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.

Теплопроводимость. Практическое значение теплопроводимости объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляции проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводимость влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к тепловым импульсам. Теплопроводность материалов характеризуют теплопроводностью т, входящей в уравнение Фурье

г де, ∆P - мощность теплового потока сквозь площадку ∆S, нормальную к потоку , dT/dl - градиент температуры.

Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К-1 :

Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют, как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.

Химические свойства диэлектриков.

Знание химических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации и для разработки технологии.

При длительной работе диэлектрики не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающимися с ними металлов; не реагировать с различными веществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.

Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химико-технологическими : склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, преходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов: дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и другие смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой - весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.

Пробой диэлектриков.

Пробой – потеря электрической прочности под действием напряжённости электрического поля – может иметь место как в образцах различных диэлектриков и систем изоляции, так и в электроизоляционных системах любого электротехнического устройства – от мощных генераторов и высоковольтных трансформаторов до любого бытового прибора. Сочетание в системах изоляции материалов, разных по электрической прочности, может приводить к серьёзным осложнениям в эксплуатации самых разнообразных электротехнических устройств, особенно высокого напряжения, где изоляция работает в сильных электрических полях и может возникнуть её пробой.

Причины пробоя бывают различными; не существует по этому единой универсальной теории пробоя. В любой изоляции пробой приводит к образованию в ней канала повышенной проводимости, достаточно высокой, чтобы произошло короткое замыкание в данном электротехническом устройстве, создающее аварийную ситуацию, по существу выводящую это устройство из строя. Однако в этом отношении пробой может проявлять себя в разных системах изоляции по – разному. В твёрдой изоляции, как правило, канал пробоя сохраняет высокую проводимость после выключения, приведшего к пробою напряжения, явление протекает необратимо. В жидких и газообразных диэлектриках вследствие высокой подвижности их частиц электрическое сопротивление канала пробоя восстанавливается вызвавшего его напряжения практически мгновенно.

Определение диэлектрических потерь. Потери в постоянном и переменном электрическом полях

Диэлектрические потери, часть энергии переменного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит в тепло. При изменении значения и направления напряжённости Е электрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину и направление; за время одного периода переменного поля поляризация дважды устанавливается и дважды исчезает. Если диэлектрик построен из молекул, которые представляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанные ионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационная поляризация) требуют определённого времени (время релаксации). В результате максимум поляризации не совпадает во времени с максимумом напряжённости поля, т. е. имеется сдвиг фаз между напряжённостью поля и поляризацией. Благодаря этому имеется также сдвиг фаз между напряжённостью электрического поля Е и электрической индукцией D, который и обусловливает потери энергии W. Переходя к векторному изображению величин, можно сказать, что вектор электрической индукции отстаёт от вектора электрического поля на некоторый угол , который носит название угла диэлектрических потерь. Когда молекулы или ионы ориентируются полем, они испытывают соударения с др. частицами, при этом рассеивается энергия. Если время релаксации  во много раз больше, чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти не успевает развиться и Д. п. очень малы. При малых частотах, когда время релаксации  значительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и Д. п. также малы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Д. п. имеют максимальное значение, когда выполняется равенство  = 1/, где  — круговая частота электрического поля:  = 2/T.

Описанный механизм релаксационных диэлектрических потерь имеет место в твёрдых и жидких диэлектриках, содержащих полярные молекулы или слабо связанные ионы. Величина релаксационных диэлектрических потерь в жидкости зависит от её вязкости, от температуры и от частоты приложенного поля. Для невязких жидкостей (вода, спирт) эти потери проявляются в сантиметровом диапазоне длин волн. В полимерах, содержащих полярные группы, возможна ориентация как отдельных полярных радикалов, так и более или менее длинных цепочек молекул.

В диэлектриках с ионной и электронной поляризацией вещество можно рассматривать как совокупность осцилляторов, которые в переменном электрическом поле испытывают вынужденные колебания, сопровождающиеся рассеянием энергии (рис. 1). Однако если частота электрического поля гораздо больше или меньше собственной частоты осцилляторов, то рассеяние энергии и, следовательно, Д. п. незначительны. При частотах, сравнимых с собственной частотой осцилляторов, рассеяние энергии и Д. п. W велики и имеют максимум при равенстве этих частот  = 0 (рис. 2). При электронной поляризации максимум потерь соответствует оптическому диапазону частот. В диэлектриках, построенных из ионов (например, щёлочно-галоидные кристаллы), поляризация обусловлена упругим смещением ионов и максимум потерь имеет место в инфракрасном диапазоне частот (1012—1013 гц).

Т. к. реальные диэлектрики обладают некоторой электропроводностью, то имеются потери энергии, связанные с протеканием в них электрического тока (джоулевы потери), величина которых не зависит от частоты.

Величина Д. п. в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора, определяется соотношением:

W = U2C tg ,

где U — напряжение на обкладках конденсатора, С — ёмкость конденсатора, tg  — тангенс угла диэлектрических потерь. Д. п. в 1 см3 диэлектрика в однородном поле Е равны:

W = E2 tg ,

где  — диэлектрическая проницаемость.

Произведение  tg  называется коэффициентом Д. п. Уменьшение величины Д. п. имеет большое значение в производстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большие диэлектрические потери используются для диэлектрического нагрева в электрическом поле высокой частоты.

Тангенс угла диэлектрических потерь, схемы замещения диэлектрика

В диэлектрическом конденсаторе с идеальным диэлектриком, т. е. диэлектриком без потерь, вектор тока Ic опережает вектор напряжения на 90°. В реальных диэлектриках угол между током, протекающим через емкость, и напряжением меньше 90° за счет потерь, которые вызывают протекание активного тока IА, совпадающего по фазе с напряжением. Векторные диаграммы и схемы замещения для идеального диэлектрика и диэлектрика с потерями показаны на рисунке.

Чисто формально в простейшем случае схема замещения может быть выбрана из параллельно или последовательно соединенных емкости и активного сопротивления. Угол δ, дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением до 90° , называется углом диэлектрических потерь. Из векторной диаграммы тангенс этого угла равен отношению активного и реактивного токов tgδ = IА/IС или отношения активной мощности РА к реактивной РС

tgδ = РА/РС.

Иногда для характеристики устройства с диэлектриком определяют добротность - параметр обратный тангенсу угла диэлектрических потерь: Q = 1/ tgδ = ctgδ = tgφ.

У материалов, применяемых на повышенных частотах и при высоких напряжениях, tgδ лежит в пределах 10-3 - 10-4; для низкочастотных диэлектрических материалов - полярных диэлектриков значения tgδ обычно 10-1 - 10-2, для слабополярных - до 10-3. Для хорошо осушенных газов, не содержащих влаги, значения могут достигать 10-5 - 10-8.

Коэффициент диэлектрических потерь

Для упрощения расчетов часто пользуются комплексными величинами. Комплексная диэлектрическая проницаемость записывается в виде

ε * = ε ' – i ε ",

где действительная часть ' имеет физический смысл относительной диэлектрической проницаемости , а ε" характеризует потери

ε " = ε ' tgб,

и называется коэффициентом диэлектрических потерь.

Виды диэлектрических потерь

Потери на электропроводность

Протекание сквозного тока через диэлектрик, как в постоянном, так и в переменном электрическом поле приводит к диэлектрическим потерям на электропроводность. Потери сквозной электропроводности будут единственным видом потерь в однородном неполярном диэлектрике, для которого можно использовать простейшую параллельную схему замещения. Для такой схемы замещения по определению

tgδ=Ia/Ic=U/R

1/UwC=1/RwC,

т.е. tgδ будет обратно пропорционален частоте. Потери на электропроводность будут наблюдаться также и в полярных диэлектриках. Так как tgδ диэлектриков пропорционален активной проводимости tgδ = γa/ γc, то ясно, что tgδ будет следовать за изменением γa, которая увеличивается экспоненциально с увеличением температуры.

Для ионных кристаллов можно получить другое выражение для tgδ:

tgδ=(1.8∙1010∙γo/ f) e∙Wa/kT .

Видим, что в последнем выражении предъэкспоненциальный множитель tgδ зависит обратно пропорционально от частоты поля и диэлектрической проницаемости материала.

Значения tgδ неполярных полимеров (полиэтилена, политетрафторэтилена) ничтожно малы и лежат в диапазоне (2-5) 10-4. На высоких частотах tgδ, обусловленный сквозным током, менее 10-4. Следует иметь в виду, что tgδ конденсатора с неполярным диэлектриком с ростом частоты уменьшается не беспредельно, а начиная с некоторой частоты начинает линейно возрастать в соответствии с выражением, полученным из последовательной схемы замещения

tgδм= r∙ω∙Cs,

где r, Cs - сопротивление обкладок и емкость последовательной схемы замещения конденсатора Рост составляющей tgδм обусловлен увеличением с ростом частоты потерь в металлических (проводящих) частях. Следовательно, на общей зависимости tgδ конденсатора с диэлектриком от частоты при некотором значении частоты должен иметь место минимум. В случае конденсатора с полярным диэлектриком, начиная с некоторой частоты, потери в обкладках также будут возрастать линейно

Релаксационные потери

Основные причины, вызывающие протекание через диэлектрик абсорбционных токов, приводящих к релаксационным потерям, перечислены в разделе об электропроводности диэлектриков (ток абсорбции). Отметим, что потери релаксационного характера могут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в не полярных, например, при наличии пористой или слоистой структуры, когда становится возможна ионизация газовых включений, накопление объемных зарядов и др.

Появление абсорбционных токов в полярных диэлектриках под действием внешнего поля, наряду с неоднородностью, обусловлено, главным образом, ориентацией полярных молекул.

В вязких жидкостях полярные молекулы - диполи, ориентируясь во внешнем поле, преодолевают силы внутреннего трения (вязкость) в результате чего часть электрической энергии превращается в тепло. В твердых диэлектриках релаксационные потери вызываются как процессами установления дипольной поляризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами.

Зависимость tgδ от частоты

Зависимость tgδ от частоты для релаксационных поляризаций имеет наибольшую физическую ясность для вязких полярных жидкостей, в которых дипольные молекулы могут сравнительно свободно вращаться друг относительно друга, преодолевая силы вязкого трения. Если пренебречь потерями сквозной проводимости, то для чисто дипольного механизма потерь при частоте д (рис) будет наблюдаться максимум (кривая 1). Условие максимума

ωд∙τ=1,

где τ - время релаксации. Увеличение tgδ происходит до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул τ << 1/2f, т.е. с ростом частоты диполям не хватает времени для ориентации 1/2f << τ, и tgδ уменьшается. Если в диэлектрике заметны потери сквозной проводимости, то они, в соответствии с выражением tgδ =1/R∙ω∙C , уменьшаются с ростом частоты (кривая 2). В этом случае суммарная зависимость имеет вид кривой 3.

Зависимость tgδ полярных диэлектриков от температуры

Если пренебречь потерями сквозной проводимости, так же как и в зависимости tgδ от частоты в температурной зависимости tgδ будет максимум, как показано на рисунке.

Зависимость tgδ от напряжения

Зависимость tgδ от напряжения имеет нелинейный характер в диэлектриках с пористой структурой, в волокнистой или прессованной изоляции, пористой керамике и пластмассах и т.д. Зависимость tgδ от напряжения (напряженности поля) в этом случае носит название кривой ионизации (см. рисунок)

Процесс ионизации пор начинается в точке А и завершается в точке В, после чего кривая tgδ несколько снижается из-за того, что активная составляющая тока, обусловленная ионизацией не будет возрастать, а реактивный ток, пропорциональный напряжению, растет.

В процессе ионизации пор часть кислорода, содержащегося в них, переходит в озон О3, ускоряющий разрушение органической изоляции. В неорганической изоляции в большинстве случаев наличие пор также нежелательно. Например, частичные разряды в керамике, если она содержит поры и используется в качестве диэлектрика конденсатора, приведут к нестабильности tgδ конденсатора (эффект "мерцания" см. рисунок) .

Зависимость tgδ от влажности

Зависимость tgδ от влажности проявляется для гигроскопических диэлектриков, материалов волокнистых и с открытой пористостью, стекол, некоторых керамических материалов, ряда полярных диэлектриков. Увеличение влажности приводит у таких материалов к росту активных составляющих абсорбционных токов и токов сквозной проводимости, что приводит к увеличению tgδ и вызывает нагрев электрической изоляции.

Диэлектрические потери полимеров

Диэлектрические потери неполярных полимеров при тщательной очистке их от остатков мономеров, катализаторов, стабилизаторов невелики, поэтому они находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков. В этом случае часто tgδ =2∙10-4. В полимерах, недостаточно хорошо очищенных от примесей, наряду с потерями сквозной проводимости, как и в полярных диэлектриках, возможны потери на дипольную поляризацию (см. рисунок). Диэлектрические потери полярных полимеров определяются дипольной ориентационной и резонансной поляризациями. Время установления дипольной поляризации с ростом температуры изменяется на несколько порядков, поэтому в зависимости от строения макромолекул полимеров tgδ от температуры и частоты изменяется сложным образом. В температурной зависимости tgδ полярных полимеров может наблюдаться несколько максимумов tgδ - α, β, γ, δ(см. рисунок) тогда, когда у полимера имеются полярные группы, обладающие различной подвижностью (дипольно-групповые потери). При температуре выше температуры стеклования Тс. у полимеров возможна ориентация крупных блоков макромолекулы - сегментов (дипольно-сегментальная поляризация).

Дипольно-сегментальная поляризация приводит к появлению "высокотемпературного" максимума (α). Этот вид поляризации может не наблюдаться у полимеров с очень жесткими макромолекулами. Характерная зависимость tgδ от Т для полимерного диэлектрика с дипольно-групповыми (δ, γ, β) и дипольно-сегментальными потерями (α) показана на рисунке.

Диэлектрические потери неорганических диэлектриков

Обзор экспериментальных частотных и температурных зависимостей тангенса угла диэлектрических потерь в стеклах, керамике, ситаллах был проведен в монографии М. Д. Машкович, главным образом для диапазона СВЧ, что исключительно актуально. Установлено, что на частотах выше 107 - 108 Гц диэлектрические потери монотонно растут, как показано на рисунке.

Наиболее пологая зависимость tgδ (см. рисунок) у боросиликатного стекла 1 с малым содержанием ионов модификаторов, наиболее резкое изменение tgδ у свинцовосиликатного стекла 6 (кривая 4). Составы указанных стекол приведены в таблице. Изменение tgδ от частоты для исходного стекла и ситаллов системы Li2O-Al2O3-SiO2 показано на рисунке. Рост tgδ при СВЧ у ситаллов обусловлен релаксационными процессами в кристаллических фазах.

В области СВЧ наиболее слабо поглощают лишь чисто кварцевое и боросиликатное стекла. Стеклообразная фаза в керамике или ситалле служит, по мнению М. Д. Машкович, единственной причиной роста tgδ с частотой при СВЧ.

Дефекты в кристаллах, например в корунде, могут быть причиной релаксационных потерь, проявляющихся в диапазоне СВЧ при температурах, близких к комнатной. Повышенные диэлектрические потери в диапазоне СВЧ могут быть даже у высокоглиноземистой керамики, как показано на рисунке.

Диэлектрические потери в неоднородных диэлектриках

Во многих устройствах электроизоляционной, кабельной, электронной техники применяемые диэлектрические материалы являются макроскопически дефектными средами. Примером таких диэлектриков является многослойная бумажная изоляция электрических вводов, кабелей диэлектрика силовых бумажных конденсаторов, объемно-пористых диэлектриков электролитических конденсаторов и др. Такие материалы относятся к макроскопически неоднородным диэлектрикам.

В электрическом поле в таких диэлектриках практически мгновенно устанавливается распределение электрического поля в соответствии с распределением диэлектрической проницаемости. В переменных полях протекание замедленных абсорбционных процессов поляризации приводит к диэлектрическому поглощению. Процесс оседания свободных зарядов на границах раздела, приводящий к искажению электрического поля, часто называют межповерхностной или объемной поляризацией. Подобного типа поляризационные процессы возможны и в однородных диэлектриках при наличии в них структурных дефектов, дислокаций, трещин.

Неоднородный диэлектрик с проводящими включениями в переменном электрическом поле может рассматриваться как диэлектрик, содержащий диполи. После оседания на границах раздела носителей заряда их можно рассматривать как диполь, направление момента которого изменяется вместе с изменением направления внешнего электрического поля. При низких частотах поверхностный заряд успевает полностью сформироваться и диэлектрические потери оказываются малыми, так как поляризация находится в фазе с электрическим полем. При высоких частотах диэлектрические потери также малы, так как поверхностная поляризация не успевает устанавливаться за полупериод. В области промежуточных частот диэлектрические потери велики, так как время полупериода будет сопоставимо с временем релаксации поверхностной поляризации. Следовательно, этот вид поляризации обусловливает потери релаксационного типа. В литературе такого типа потери иногда называют потерями Максвелла-Вагнера. В простейшем случае такие потери рассчитываются для двухслойного конденсатора.

Потери Максвелла-Вагнера особенно интенсивно проявляются в керамических материалах гетерогенного типа с зернистой структурой. Существование неоднородностей возможно и в высококачественных изоляционных керамических материалах. Так как время установления межповерхностной (миграционной) поляризации достаточно велико, то исследовать диэлектрические потери, обусловленные этой поляризацией, можно на инфранизких частотах (10-2 - 10 Гц), либо при высоких температурах.

Использованная литература.

Сканави Г. И., Физика диэлектриков (Область слабых полей), М. — Л., 1949;

Браун В., Диэлектрики, пер. с англ., М., 1961;

Хиппель А. Р., Диэлектрики и их применение, пер. с англ., М., 1959;

Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960, с. 643.

nreferat.ru

4. Диэлектрические потери. Диэлектрические материалы

Курсовая работа - Диэлектрические материалы. Тангенс угла диэлектрических потерь

Министерствообразования Российской Федерации

КрасноярскийГосударственный Технический Университет

Реферат по материаловедению на тему:

«Диэлектрические материалы.

Тангенс угла диэлектрических потерь.»

Выполнил: студент гр.ЭМ104Ж-В

Шманов АндрейАлександрович

Проверил: преподаватель

Ковель АнатолийАрхипович

г. Железногорск <st1:metricconverter ProductID=«2006 г» w:st=«on»>2006 г</st1:metricconverter>.

Диэлектрики. Общие сведения.

Все веществапо электрическим свойствам условно делятся на три группы – проводники,диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочнымисвязями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в ихсостав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться подвлиянием приложенной разности потенциалов. В отличие от диэлектриков впроводниках электрического тока электрические заряды не имеют таких связей,поэтому в проводниках электроны могут свободно перемещаться, создавая явлениеэлектрического тока. Практически в диэлектриках в силу ряда причин всегдаимеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных перемещатьсявнутри вещества на большие расстояния. Иными словами, диэлектрики не являютсяабсолютными непроводниками электрического тока. Однако в нормальных условияхтаких зарядов в диэлектриках очень мало, и обусловленный ими электрический ток,называемый током утечки, невелик. Проводимость диэлектриков проводимостипроводников. Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие удельнуюэлектрическую проводимость не больше 10-7 – 10-8 См/м, проводникам – имеющиепроводимость больше 107 См/м. К диэлектрикам относятся все газы (включая парыметаллов), многие жидкости, кристаллические, стеклообразные, керамические,полимерные вещества. Поскольку свойства вещества сильно зависят от егоагрегатного состояния, обычно рассматривают отдельно физические явления вгазообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.

Свойства диэлектриков.Влажностные свойства диэлектриков.

Электроизоляционныематериалы в большей или меньшей степени гигроскопичны,т.е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т.е. способныпропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда содержит некотороеколичество водяного пара.

Абсолютнойвлажностью воздуха оценивают массой (m) водяного пара, содержащийся в единице объемавоздуха (м³). Каждой температуре соответствует определенное значениеабсолютной влажности при насыщении (mнас). Большего количества воды воздух содержать неможет, и она выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая длянасыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т.е. растет идавление водяных паров.

<img src="/cache/referats/22145/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1026"> Относительнойвлажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение

За нормальнуювлажность воздуха (для различных испытаний, для определения свойствгигроскопичных материалов в стандартных условиях увлажнения и т.п.) принимаютотносительную влажность воздуха j

=65%. В воздухе с нормальной влажностью при 20° Ссодержание водяных паров m=17,3∙0,65=11,25г/м.

Водаявляется сильно дипольным диэлектриком с низким удельным сопротивлением порядка10³-

104 Ом∙м.Поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению ихэлектрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенныхтемпературах (30-40º С) и высоких значениях j, близких к 98-100%. Подобные условия наблюдаются встранах с тропическим климатом. В первую очередь воздействие повышеннойвлажности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении диэлектриков. Дляпредохранения поверхности электроизоляционных деталей из полярных твердыхдиэлектриков от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимисяводой.

Приналичии в диэлектрике объемной открытой пористости или при неплотной структуревлага попадает и внутрь материала.

Влажность материалов. Образец электроизоляционногоматериала, помещенный в условиях определенной влажности и температурыокружающей среды, через неограниченно большое время достигает некоторогоравновесного состояния влажности.

Определениевлажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий,при которых производится испытание электрических свойств данного материала. Длятекстильных и тому подобных материалов устанавливается так называемая кондиционная влажность, соответствующаяравновесной влажности материала при нахождении его в воздухе в нормальныхусловиях. На гигроскопичность материала существенное влияние оказывает строениеи химическая природа. Большую роль играют наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которыхпроникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, болеегигроскопичны, чем материалы плотного строения.

Определениегигроскопичности по увеличению массы увлажняемого образа хотя и дает некотороепредставление о способности материала поглощать влагу, но не полностью отражаетстепень изменения электрических свойств этого материала при увлажнении. В томслучае, если поглощенная влага способна образовывать нити или пленки по толщинеизоляции, которые могут пронизывать весь промежуток между электродами (илизначительную область между промежутками), уже весьма малые количествапоглощенной влаги приводят к резкому ухудшению электрических свойств изоляции.Если же влага распределяется по объему материала в виде отдельных, несоединяющихся между собой малых включений, то влияние влаги на электрическиесвойства материала менее существенно.

Влагопроницаемость. Кромегигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемостьэлектроизоляционных материалов, т.е. способность их пропускать сквозь себя парыводы. Эта характеристика чрезвычайно важнадля оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов.Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладаетподдающейся измерению влагопроницаемостью.

после длительного воздействия влажности; это объясняется тем, что молекулыпропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерамимолекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала длявлаги, а наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могутпроникнуть.Тепловые свойства диэлектриков.

К важнейшимсвойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость,теплопроводность и тепловое расширение.

d или снижению удельногоэлектрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующимизначениями температуры (в ° С), при которой появились эти изменения.Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началумеханических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал поддавлением при нагреве (определение «теплостойкости»). Однако и дляних возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

Вкачестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкостиэлектроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому способунагревостойкость пластмасс и подобных материалов характеризуют таким значениемтемпературы, при котором изгибающеенапряжение 5 МПа вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этомскорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Для различныхдиэлектриков по этому получаются следующие численные значения:

Эбонит – 65-75°

Полистирол — 70-85°

Гетинакс — 150-180°

В качестве примера употребляющегося впрактике способа оценки температуры размягчения электроизоляционных материаловможно отметить способ кольца и шара. Испытуемый материал заливают вметаллическое кольцо и помещают на него стальной шарик определенного диаметра;отмечается температура, при которой испытуемый материал настолько размягчается,что шарик может его продавить и пройти сквозь кольцо.

Температурой вспышки называют температуружидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает приподнесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения — еще болеевысокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкостьзагорается.

Эти характеристики представляют особыйинтерес при оценке качества трансформаторного масла, а также растворителей,применяемых в производстве электроизоляционных лаков.

Если ухудшение качества изоляции можетобнаружиться лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствиемедленно протекающих химических процессов, это явление называют тепловым старением изоляции. Старениеможет проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в видеповышения твердости и хрупкости, образования трещин и т.п. для проверкистойкости электроизоляционных материалов к тепловому старению образцы этихматериалов длительно выдерживают при сравнительно невысокой температуре, невызывающей медленного разрушения материала. Свойства образцов, старевшихопределенное время, сравнивают со свойствами исходного материала. При прочихравных условиях скорость теплового старения органических и элементоорганическихполимеров значительно возрастает с повышением температуры старения, подчиняясьобщим закономерностям изменения скорости химических реакций.

<img src="/cache/referats/22145/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1027"> Продолжительность старения t

связана с абсолютной температурой старения T зависимостью вида

<img src="/cache/referats/22145/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1028"> где А и В — величины, постоянные для данного материала и данных условийстарения.

Помимо температуры существенное влияние наскорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрациикислорода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чемкислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющихстарение. Тепловое старение ускоряется от освещения образца ультрафиолетовымилучами, воздействия электрического поля, механических нагрузок и т.п.

Для ряда электроизоляционных материалов, вособенности хрупких, весьма важна стойкость по отношению к резким сменамтемпературы (термоударам), в результате которых в материале могут образовыватьсятрещины.

В результате испытаний устанавливаетсястойкость материала к тепловым воздействиям, причем она в различны случаяхможет быть неодинаковой: например,материал, выдерживающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, можетоказаться неустойчивым, по отношению к тепловому старению при длительномвоздействии даже при более низкой температуры и т.п. как указывалось, испытаниена действие повышенной температуры иногда приходится указывать с одновременнымвоздействием повышенной влажности воздуха или электрического поля.

Холодостойкость.Во многих случаях эксплуатации важна холодостойкость, т.е. способностьизоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низкихтемпературах, например от -60 до -70°

С. При низких температурах, как правило, электрическиесвойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие иэластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими ижесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытанияэлектроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температурнередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.

Теплопроводимость.Практическое значение теплопроводимости объясняется тем, что тепло,выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляциипроводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь визоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы.Теплопроводимость влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и настойкость материала к тепловым импульсам. Теплопроводность материаловхарактеризуют теплопроводностью g

т, входящей в уравнение Фурье

<img src="/cache/referats/22145/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1029"> где, ∆Pt

— мощность теплового потока сквозьплощадку ∆S, нормальную к потоку, dT/dl — градиент температуры.

<img src="/cache/referats/22145/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1030"> Тепловоерасширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурнымкоэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К-1 :

Материалы,обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют, как правило, наиболее высокуюнагревостойкость и наоборот.

Химические свойства диэлектриков.

Знаниехимических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации идля разработки технологии.

При длительнойработе диэлектрики не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и невызывать коррозии соприкасающимися с ними металлов; не реагировать с различнымивеществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей ит.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьмаразнообразна.

Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различнымихимико-технологическими: склеиваться, растворяться в растворителях собразованием лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оцененаколичеством материала, преходящим враствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся срастворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшемуколичеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. поконцентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества близкие крастворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировкиатомов: дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях,нейтральные в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды(парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине;полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные идругие смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях.Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации,высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяютсясравнительно легко, а с пространственной структурой — весьма трудно. Приповышении температуры растворимость обычно увеличивается.

Пробой диэлектриков.

Пробой –потеря электрической прочности под действием напряжённости электрического поля– может иметь место как в образцах различных диэлектриков и систем изоляции,так и в электроизоляционных системах любого электротехнического устройства – отмощных генераторов и высоковольтных трансформаторов до любого бытового прибора.Сочетание в системах изоляции материалов, разных по электрической прочности,может приводить к серьёзным осложнениям в эксплуатации самых разнообразныхэлектротехнических устройств, особенно высокого напряжения, где изоляцияработает в сильных электрических полях и может возникнуть её пробой.

Причины пробоябывают различными; не существует по этому единой универсальной теории пробоя. Влюбой изоляции пробой приводит к образованию в ней канала повышеннойпроводимости, достаточно высокой, чтобы произошло короткое замыкание в данномэлектротехническом устройстве, создающее аварийную ситуацию, по существувыводящую это устройство из строя. Однако в этом отношении пробой можетпроявлять себя в разных системах изоляции по – разному. В твёрдой изоляции, какправило, канал пробоя сохраняет высокую проводимость после выключения,приведшего к пробою напряжения, явление протекает необратимо. В жидких игазообразных диэлектриках вследствие высокой подвижности их частицэлектрическое сопротивление канала пробоя восстанавливается вызвавшего егонапряжения практически мгновенно.

Определение диэлектрических потерь.Потери в постоянном и переменном электрическом полях

Диэлектрические потери, часть энергиипеременного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит втепло. При изменении значения и направления напряжённости Еэлектрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину инаправление; за время одного периода переменного поля поляризация дваждыустанавливается и дважды исчезает. Если диэлектрик построен из молекул, которыепредставляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанныеионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационнаяполяризация) требуют определённого времени (время релаксации). В результате максимум поляризации не совпадает вовремени с максимумом напряжённости поля, т. е. имеется сдвиг фаз междунапряжённостью поля и поляризацией. Благодаря этому имеется также сдвиг фазмежду напряжённостью электрического поля Еи электрической индукцией D,который и обусловливает потери энергии We. Переходя к векторному изображению величин,можно сказать, что вектор электрической индукции отстаёт от вектораэлектрического поля на некоторый угол d, который носит название угла диэлектрическихпотерь. Когда молекулы или ионы ориентируются полем, они испытывают соударенияс др. частицами, при этом рассеивается энергия. Если время релаксации t во много раз больше,чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти неуспевает развиться и Д. п. очень малы. При малых частотах, когда времярелаксации tзначительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и Д. п. такжемалы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Д. п. имеютмаксимальное значение, когда выполняется равенство w = 1/t, где w — круговая частота электрического поля: w = 2p/T.

Описанныймеханизм релаксационных диэлектрических потерь имеет место в твёрдых и жидкихдиэлектриках, содержащих полярные молекулы или слабо связанные ионы. Величинарелаксационных диэлектрических потерь в жидкости зависит от её вязкости, оттемпературы и от частоты приложенного поля. Для невязких жидкостей (вода,спирт) эти потери проявляются в сантиметровом диапазоне длин волн. В полимерах, содержащих полярныегруппы, возможна ориентация как отдельных полярных радикалов, так и более илименее длинных цепочек молекул.

В диэлектрикахс ионной и электронной поляризацией вещество можно рассматривать каксовокупность осцилляторов, которые в переменном электрическом поле испытываютвынужденные колебания, сопровождающиеся рассеянием энергии (рис. 1).Однако если частота электрического поля гораздо больше или меньше собственнойчастоты осцилляторов, то рассеяние энергии и, следовательно, Д. п.незначительны. При частотах, сравнимых с собственной частотой осцилляторов,рассеяние энергии и Д. п. Weвелики и имеют максимум при равенстве этих частот w = w0(рис. 2). Приэлектронной поляризации максимум потерь соответствует оптическому диапазонучастот. В диэлектриках, построенных из ионов (например, щёлочно-галоидныекристаллы), поляризация обусловлена упругим смещением ионов и максимум потерьимеет место в инфракрасном диапазоне частот (1012—1013 гц).

Т. к. реальныедиэлектрики обладают некоторой электропроводностью, то имеются потери энергии,связанные с протеканием в них электрического тока (джоулевы потери), величинакоторых не зависит от частоты.

Величина Д. п.в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора, определяетсясоотношением:

We= U2wC tg d,

где U — напряжение наобкладках конденсатора, С — ёмкость конденсатора, tg d — тангенс угладиэлектрических потерь. Д. п. в 1 см3 диэлектрика воднородном поле Е равны:

We = E2we tg d,

где e — диэлектрическая проницаемость.

Произведение e tg d называетсякоэффициентом Д. п. Уменьшение величины Д. п. имеет большое значение впроизводстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большиедиэлектрические потери используются для диэлектрическогонагрева в электрическом поле высокой частоты.

Тангенс угла диэлектрических потерь,схемы замещения диэлектрика

Вдиэлектрическом конденсаторе с идеальным диэлектриком, т. е. диэлектриком безпотерь, вектор тока Ic опережает вектор напряжения на 90°.В реальных диэлектриках угол между током, протекающим через емкость, инапряжением меньше 90° за счет потерь, которые вызывают протеканиеактивного тока IА, совпадающего по фазе с напряжением. Векторныедиаграммы и схемы замещения для идеального диэлектрика и диэлектрика с потерямипоказаны на рисунке.

Чистоформально в простейшем случае схема замещения может быть выбрана из параллельноили последовательно соединенных емкости и активного сопротивления. Угол δ,дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением до 90°,называется углом диэлектрических потерь. Из векторной диаграммы тангенс этогоугла равен отношению активного и реактивного токов tgδ = IА/IСили отношения активной мощности РА к реактивной РС

tgδ = РА/РС.

Иногда дляхарактеристики устройства с диэлектриком определяют добротность — параметробратный тангенсу угла диэлектрических потерь: Q = 1/ tgδ = ctgδ = tgφ.

У материалов,применяемых на повышенных частотах и при высоких напряжениях, tgδ лежит впределах 10-3 — 10-4; для низкочастотных диэлектрическихматериалов — полярных диэлектриков значения tgδ обычно 10-1 — 10-2, для слабополярных — до 10-3. Для хорошо осушенныхгазов, не содержащих влаги, значения могут достигать 10-5 — 10-8.

Коэффициент диэлектрических потерь

Для упрощениярасчетов часто пользуются комплексными величинами. Комплексная диэлектрическаяпроницаемость записывается в виде

ε * = ε ' –iε",

где действительная часть ' имеетфизический смысл относительной диэлектрической проницаемости, а ε"характеризует потери

ε " = ε' tgб,

и называется коэффициентом диэлектрическихпотерь.

Виды диэлектрических потерьПотери на электропроводность

Протеканиесквозного тока через диэлектрик, как в постоянном, так и в переменномэлектрическом поле приводит к диэлектрическим потерям на электропроводность.Потери сквозной электропроводности будут единственным видом потерь в однородномнеполярном диэлектрике, для которого можно использовать простейшую параллельнуюсхему замещения. Для такой схемы замещения по определению

tgδ=Ia/Ic=U/R

1/UwC=1/RwC,

т.е. tgδ будет обратнопропорционален частоте. Потери на электропроводность будут наблюдаться также ив полярных диэлектриках. Так как tgδ диэлектриков пропорционален активнойпроводимости tgδ = γa/ γc, то ясно, что tgδбудет следовать за изменением γa, которая увеличиваетсяэкспоненциально с увеличением температуры.

Для ионныхкристаллов можно получить другое выражение для tgδ:

tgδ=(1.8∙1010∙γo/ f) e∙Wa/kT .

Видим, что в последнем выражениипредъэкспоненциальный множитель tgδ зависит обратно пропорционально отчастоты поля и диэлектрической проницаемости материала.

Значения tgδнеполярных полимеров (полиэтилена, политетрафторэтилена) ничтожно малы и лежатв диапазоне (2-5) 10-4. На высоких частотах tgδ,обусловленный сквозным током, менее 10-4. Следует иметь в виду, чтоtgδ конденсатора с неполярным диэлектриком с ростом частоты уменьшается небеспредельно, а начиная с некоторой частоты начинает линейно возрастать всоответствии с выражением, полученным из последовательной схемы замещения

tgδм= r∙ω∙Cs,

где r, Cs — сопротивление обкладок и емкость последовательной схемы замещения конденсатораРост составляющей tgδм обусловлен увеличением с ростом частотыпотерь в металлических (проводящих) частях. Следовательно, на общей зависимостиtgδ конденсатора с диэлектриком от частоты при некотором значении частотыдолжен иметь место минимум. В случае конденсатора с полярным диэлектриком,начиная с некоторой частоты, потери в обкладках также будут возрастать линейно

Релаксационные потери

Основныепричины, вызывающие протекание через диэлектрик абсорбционных токов, приводящихк релаксационным потерям, перечислены в разделе об электропроводностидиэлектриков (ток абсорбции). Отметим, что потери релаксационного характерамогут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в не полярных,например, при наличии пористой или слоистой структуры, когда становитсявозможна ионизация газовых включений, накопление объемных зарядов и др.

Появлениеабсорбционных токов в полярных диэлектриках под действием внешнего поля, нарядус неоднородностью, обусловлено, главным образом, ориентацией полярных молекул.

В вязкихжидкостях полярные молекулы — диполи, ориентируясь во внешнем поле,преодолевают силы внутреннего трения (вязкость) в результате чего частьэлектрической энергии превращается в тепло. В твердых диэлектрикахрелаксационные потери вызываются как процессами установления дипольнойполяризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами.

Зависимость tgδ от частоты

Зависимость tgδот частоты для релаксационных поляризаций имеет наибольшую физическую ясностьдля вязких полярных жидкостей, в которых дипольные молекулы могут сравнительносвободно вращаться друг относительно друга, преодолевая силы вязкого трения.Если пренебречь потерями сквозной проводимости, то для чисто дипольногомеханизма потерь при частоте <img src="/cache/referats/22145/image014.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">

ωд∙τ=1,

где τ — время релаксации.Увеличение tgδ происходит до тех пор, пока время релаксации дипольныхмолекул τ << 1/2f, т.е. с ростом частоты диполям не хватает временидля ориентации 1/2f << τ, и tgδ уменьшается. Если в диэлектрикезаметны потери сквозной проводимости, то они, в соответствии с выражением tgδ=1/R∙ω∙C, уменьшаются с ростом частоты (кривая 2). В этомслучае суммарная зависимость имеет вид кривой 3.

Зависимость tgδ полярныхдиэлектриков от температуры

Еслипренебречь потерями сквозной проводимости, так же как и в зависимости tgδот частоты в температурной зависимости tgδ будет максимум, как показано нарисунке.

Зависимость tgδ от напряжения

Зависимость tgδот напряжения имеет нелинейный характер в диэлектриках с пористой структурой, вволокнистой или прессованной изоляции, пористой керамике и пластмассах и т.д.Зависимость tgδ от напряжения (напряженности поля) в этом случае носитназвание кривой ионизации (см. рисунок)

Процессионизации пор начинается в точке А и завершается в точке В, после чего криваяtgδ несколько снижается из-за того, что активная составляющая тока,обусловленная ионизацией не будет возрастать, а реактивный ток,пропорциональный напряжению, растет.

В процессеионизации пор часть кислорода, содержащегося в них, переходит в озон О3,ускоряющий разрушение органической изоляции. В неорганической изоляции вбольшинстве случаев наличие пор также нежелательно. Например, частичные разрядыв керамике, если она содержит поры и используется в качестве диэлектрикаконденсатора, приведут к нестабильности tgδ конденсатора (эффект«мерцания» см. рисунок).

Зависимость tgδ от влажности

Зависимость tgδот влажности проявляется для гигроскопических диэлектриков, материаловволокнистых и с открытой пористостью, стекол, некоторых керамическихматериалов, ряда полярных диэлектриков. Увеличение влажности приводит у такихматериалов к росту активных составляющих абсорбционных токов и токов сквозной проводимости,что приводит к увеличению tgδ и вызывает нагрев электрической изоляции.

Диэлектрические потери полимеров

Диэлектрическиепотери неполярных полимеров при тщательной очистке их от остатков мономеров,катализаторов, стабилизаторов невелики, поэтому они находят применение вкачестве высокочастотных диэлектриков. В этом случае часто tgδ =2∙10-4.В полимерах, недостаточно хорошо очищенных от примесей, наряду с потерямисквозной проводимости, как и в полярных диэлектриках, возможны потери надипольную поляризацию (см. рисунок). Диэлектрические потери полярных полимеровопределяются дипольной ориентационной и резонансной поляризациями. Времяустановления дипольной поляризации с ростом температуры изменяется на несколькопорядков, поэтому в зависимости от строения макромолекул полимеров tgδ оттемпературы и частоты изменяется сложным образом. В температурной зависимостиtgδ полярных полимеров может наблюдаться несколько максимумов tgδ — α, β, γ, δ(см. рисунок) тогда, когда у полимера имеютсяполярные группы, обладающие различной подвижностью (дипольно-групповые потери).При температуре выше температуры стеклования Тс. у полимероввозможна ориентация крупных блоков макромолекулы — сегментов(дипольно-сегментальная поляризация).

Дипольно-сегментальнаяполяризация приводит к появлению «высокотемпературного» максимума (α).Этот вид поляризации может не наблюдаться у полимеров с очень жесткимимакромолекулами. Характерная зависимость tgδ от Т для полимерногодиэлектрика с дипольно-групповыми (δ, γ, β) идипольно-сегментальными потерями (α) показана на рисунке.

Диэлектрические потеринеорганических диэлектриков

Обзорэкспериментальных частотных и температурных зависимостей тангенса угладиэлектрических потерь в стеклах, керамике, ситаллах был проведен в монографииМ. Д. Машкович, главным образом для диапазона СВЧ, что исключительно актуально.Установлено, что на частотах выше 107 — 108 Гцдиэлектрические потери монотонно растут, как показано на рисунке.

Наиболеепологая зависимость tgδ (см. рисунок) у боросиликатного стекла 1 с малымсодержанием ионов модификаторов, наиболее резкое изменение tgδ усвинцовосиликатного стекла 6 (кривая 4). Составы указанных стекол приведены втаблице. Изменение tgδ от частоты для исходного стекла и ситаллов системыLi2O-Al2O3-SiO2 показано нарисунке. Рост tgδ при СВЧ у ситаллов обусловлен релаксационными процессамив кристаллических фазах.

В области СВЧнаиболее слабо поглощают лишь чисто кварцевое и боросиликатное стекла.Стеклообразная фаза в керамике или ситалле служит, по мнению М. Д. Машкович,единственной причиной роста tgδ с частотой при СВЧ.

Дефекты вкристаллах, например в корунде, могут быть причиной релаксационных потерь,проявляющихся в диапазоне СВЧ при температурах, близких к комнатной. Повышенныедиэлектрические потери в диапазоне СВЧ могут быть даже у высокоглиноземистойкерамики, как показано на рисунке.

Диэлектрические потери внеоднородных диэлектриках

Во многихустройствах электроизоляционной, кабельной, электронной техники применяемыедиэлектрические материалы являются макроскопически дефектными средами. Примеромтаких диэлектриков является многослойная бумажная изоляция электрическихвводов, кабелей диэлектрика силовых бумажных конденсаторов, объемно-пористыхдиэлектриков электролитических конденсаторов и др. Такие материалы относятся кмакроскопически неоднородным диэлектрикам.

www.ronl.ru

Диэлектрические материалы. Тангенс угла диэлектрических потерь

ускоряющий разрушение органической изоляции. В неорганической изоляции в большинстве случаев наличие пор также нежелательно. Например, частичные разряды в керамике, если она содержит поры и используется в качестве диэлектрика конденсатора, приведут к нестабильности tgδ конденсатора (эффект "мерцания" см. рисунок) .

Зависимость tgδ от влажности

Диэлектрические потери полимеров

Диэлектрические потери неорганических диэлектриков

Диэлектрические потери в неоднородных диэлектриках

www.studsell.com

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках — Мегаобучалка

В связи с тем, что твердые вещества обладают разнообразным составом и строением, в них возможны все виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери в диэлектриках молекулярной структуры зависят от вида молекул. Диэлектрики с неполярными молекулами и не имеющие примесей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями. К таким диэлектрикам относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (фторопласт - 4), церезин и др. Указанные диэлектрики в связи с малыми потерями целесообразно использовать при высоких частотах.

Диэлектрики с полярными молекулами, для которых характерна дипольно-релаксационная поляризация, обладают большими потерями, которые существенно зависят от температуры. К ним относятся: полиметилметакрилат ( органическое стекло), бумага, картон, полиамиды ( капрон и др.), полиуретан, бакелит, каучуковые материалы и др. Кривая зависимости от температуры для бумаги показана на рис.3.6.

Рис.3.6.Зависимость для бумаги.

Возрастание после перехода через минимум объясняется увеличением потерь от электропроводности.

Диэлектрические потери в твёрдых веществах с ионной структурой зависят от особенностей расположения ионов в решётке. В веществах с кристаллической структурой с плотной упаковкой ионов диэлектрические потери при отсутствии примесей незначительны. Наличие примесей, искажающих кристаллическую решётку, приводит к резкому увеличению диэлектрических потерь. При высоких температурах в этих диэлектриках появляются потери, обусловленные сквозной электропроводностью. Данные вещества нашли широкое применение при производстве электротехнической керамики, например, корунд

Для кристаллических диэлектриков с неплотной упаковкой ионов характерна релаксационная поляризация, вызывающая увеличение диэлектрических потерь. При увеличении температуры число ионов, участвующих в релаксационной поляризации, постоянно увеличивается и поэтому в зависимости отсутствует максимум. Применяются данные вещества в основном при производстве изоляторного фарфора, огнеупорной керамики. Примером таких веществ служат циркон (компонент огнеупорной керамики), муллит( компонент изоляторного фарфора), - глинозём и др.

Диэлектрические потери в аморфных веществах с ионной структурой имеют характерные особенности. Примером таких веществ являются неорганические стекла. Вследствие локальных неоднородностей структуры стекол релаксационные потери характеризуются широким набором времени релаксации. Это приводит к расширению и некоторому сглаживанию максимумов в температурной и частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь. На величину диэлектрических потерь в данных веществах существенно влияют любые нарушения структуры (отжиг, закалка, введение добавок и т.д.). Кроме потерь, обусловленных поляризацией, в стеклах могут возникать потери, связанные с электропроводностью, которые вызываются передвижением слабосвязанных ионов. Проявляются они, как правило, при температурах

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем в обычных диэлектриках. Они мало изменяются при изменении температуры в области самопроизвольной поляризации и резко уменьшаются при температуре выше точки Кюри, когда самопроизвольная поляризация исчезает.

К твердым веществам неоднородной структуры принадлежат материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов. Характерным представителем таких диэлектриков является керамика. В составе керамики различают кристаллическую фазу, стекловидную фазу и газовую фазу. Количественное соотношение между кристаллической и стекловидной фазами, фактически и определяет диэлектрические потери в керамике. Наличие газовой фазы приводит к увеличению диэлектрических потерь в керамике, когда при высоких напряжен-ностях поля возникает ионизация.

Диэлектрические потери в пропитанной бумаге зависят от электрических свойств её компонентов ( волокон целлюлозы и пропитывающего состава), а также от наличия воздушных включений. Зависимость tgS от температуры для бумаги, пропитанной маслоканифольным компаундом, приведена на рис.3.7.

Первый максимум при отрицательных температурах связан с дипольно-релаксационными потерями в целлюлозе, а второй - с дипольно-релаксационными потерями в пропитывающем компаунде.

К неоднородным диэлектрикам относятся также широко применяемые в электроизоляционной технике различные пластмассы с наполнителями, слюдяные изделия (миканиты, микалексы), каучуковые изделия с наполнителями и т.д.

Рис.3.7. Зависимость от температуры для бумаги, пропитанной маслока-

нифольным компаундом.

Рассмотрим изменение активных потерь в диэлектрике от внешних факторов на конкретном примере.

Задача. При комнатной температуре тангенс угла диэлектрических потерь ультрафарфора ,. а при возрастании температуры до С он уве-

личивается в два раза. Чему равен этого материала при температуре 200

?. Во сколько раз увеличится активная мощность, выделяющаяся в высокочастотном проходном изоляторе из этого материала, при изменении температуры от 20 до С? Изменением диэлектрической проницаемости керамики можно пренебречь.

Потери в ультрафарфоре обусловлены сквозной электропроводностью, поэтому тангенс угла диэлектрических потерь увеличивается с температурой по экспоненциальному закону

где - значение при С; а - температурный коэффициент, кото-

рый может быть найден из выражения

Тогда

В связи с тем, что активная мощность в изоляторе растет с температурой пропорционально , запишем

Литература: [1 с.43 -57.]

Контрольные вопросы:

1.Опишите процессы, обуславливающие диэлектрические потери в диэлектриках.

2.Перечислите параметры, характеризующие диэлектрические потери в материалах.

3.Приведите схемы замещения диэлектрика с потерями и укажите условия их эквивалентности. Постройте векторные диаграммы для каждой схемы.

4. Опишите виды диэлектрических потерь и дайте им краткую характеристику.

5. Укажите факторы , которые оказывают влияние на величину диэлектрических потерь.

6. Дайте характеристику диэлектрических потерь в газах.

7.Дайте характеристику диэлектрических потерь в жидких диэлектриках. 8. Дайте характеристику диэлектрических потерь в твёрдых диэлектриках.

Пробой диэлектриков.

При превышении приложенного к диэлектрику напряжения выше некоторого критического значения изоляционные свойства нарушаются, и происходит образование проводящего канала. При этом ток утечки через диэлектрик резко возрастёт, а сопротивление соответственно уменьшится. Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем. Зависимостьтока от приложенного напряжения показана на рис.4.1.

Рис.4.1.Вольт-амперная характеристика электрической изоляции.

Точка А, для которой соответствует пробою. Значение напряжения ,

при котором происходит пробой называется пробивным напряжением , а соответствующее значение напряжённости электрического поля - электрической прочностью Для простейшего случая однородного электрического поля в диэлектрике где - толщина диэлектрика. В большинстве случаев при увеличении h значение Епр уменьшается нелинейно.

Электрическая прочность высококачественных твёрдых диэлектриков, как правило, выше жидких и тем более газообразных диэлектриков. Однако, газообразные и жидкие диэлектрики, в отличии от твердых, после пробоя могут через некоторый промежуток времени восстановить свои свойства при отсутствии напряжения.

Для надёжной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение его изоляции должно быть значительно меньше пробивного напряжения.

Физическая сущность развития пробоя различна. Различают следующие виды пробоя: чисто электрический, электротепловой, электромеханический, электрохимический, ионизационный.

Чисто электрический пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля, воздействующими на электрически заряженные частицы в диэлектрике. Этот вид пробоя развивается практически мгновенно. Если сразу после приложения напряжения не произошел электрический пробой, то теоретически это напряжение диэлектрик должен выдерживать длительное время. Это положение не относится к пробою диэлектрика кратковременными импульсами.

Электротепловой пробой связан с нагревом диэлектрика в электрическом поле в результате диэлектрических потерь. Процесс нагрева диэлектрика протекает постоянно усиливаясь. Это приводит к существенному изменению структуры диэлектрика (расплавлению, обугливанию, растрескиванию) и уменьшению его электрической прочности. При этом достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь место диэлектрика, в котором теплоотдача хуже или повышены удельные потери, а средняя температура всего диэлектрика может практически не отличаться от первоначальной. При хорошем теплоотводе может наступить равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую среду. В этом случае диэлек трик может длительное время работать под напряжением. Если отвод тепла затруднен, то даже незначительное напряжение, приложенное к диэлектрику, через некоторое время может вызвать пробой. При электротепловом пробое Unp зависит как от частоты приложенного напряжения, так и от температуры окружающей среды, уменьшаясь при их увеличении.

Электромеханический пробой возникает в результате механического разрушения диэлектрика (образования макроскопических трещин) силами электрического поля. В ряде случаев механические разрушения в диэлектриках возникают в результате давления электродов.

Электрохимический пробой - вид медленно развивающегося пробоя, связанного с химическим изменением материала в электрическом поле. Этот вид пробоя наблюдается как при постоянном, так и при переменном напряжении вследствие развития в материалах электролитических процессов.

Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частичных разрядах, а также эрозией диэлектрика на границе пор ионами газа.

Пробой газов

Воздух является самой распространённой изоляционной средой, которая используется в различных электротехнических системах. Пробой воздуха и других газов следует рассматривать как следствие развития процессов ударной ионизации и фотоионизации.

При воздействии поля, содержащиеся в газе положительные и отрицательные ионы и электроны, находящиеся в беспорядочном тепловом движении, начинают перемещаться в направлении поля. При этом они получают дополнительную энергию где - заряд,-разность потенциалов на длине свободного пробега.

При однородном поле можно считать, что , где - напряженность поля,

- длина свободного пробега заряженной частицы. Тогда

(4.1)

Эта энергия сообщается атомам или молекулам газа в момент столкновения. Если эта энергия достаточно велика, то при столкновении происходит возбуждение атомов и молекул или даже ионизация молекул.

Энергию ионизации обычно характеризуют ионизационным потенциалом

. Ионизационный потенциал различных газов находится в пределах от 4 до 25В, что соответствует энергии ионизации от 4 до 25эВ.(табл.4.1)

Таблица 4.1

Ионизационный потенциал некоторых газов

Скорость и соответственно энергия электронов, которую они приобретают при движении в электрическом поле, определяются в основном характером их столкновений с молекулами и атомами данного газа. Если электроны в газе при столкнове нии с молекулами или атомами испытывают относительно большое число неупругих столкновений, что характерно для сложных молекул газа, то для достижения ими энергии, необходимой для ионизации, требуется большая напряженность электрического поля. Электрическая прочность такого газа будет высокой. Поэтому часто газу с малым ионизационным потенциалом соответствует большая электрическая прочность и наоборот. Так, одноатомные газы Ne, He, хотя и обладают высоким ионизационным потенциалом, но имеют низкую электрическую прочность. Соударения положительных и отрицательных ионов с частицами газа даже при энергиях порядка тысячи электрон-вольт не приводит к ионизации газа. Объясняется это тем, что:

-электроны имеют в Г00-Г0Ш раз большую подвижность, чем ноны, -электроны имеют на порядок большую длину свободного пробега, чем ионы; -энергия, передаваемая ионом периферическому электрону нейтральной частицы мала, поэтому условия для отщепления электрона неблагоприятны.

В то же время, положительные ионы могут высвобождать электроны из металла, бомбардируя поверхность катода.

В ряде случаев, электрон, разогнанный электрическим полем, не ионизирует молекулу, а переводит её в возбужденное состояние. При переходе в уравновешенное состояние эта молекула отдаёт свою избыточную энергию в виде излучения -испускает фотон. Если этот фотон будет поглощен какой-либо молекулой, то это может привести к её ионизации. Скорость движения фотона больше, чем скорость движения электронной лавины. Она составляет м/с. Фотоны обгоняют электронную лавину и ионизируют частицы газа впереди основной лавины. Освобождённые при этом электроны порождают новые лавины далеко впереди первой. В последующих стадиях отдельные лавины, нагоняя друг друга, образуют сплошной канал ионизированного газа с повышенной проводимостью, так называемого стримера.

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Образуется разрядный канал в виде плазмы с избыточным положительным зарядом.

Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны.

В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Чем больше приложенное напряжение к газовому промежутку, тем быстрее происходит пробой.

Если напряжение подается в виде импульса, то чем меньше длительность импульса, тем больше пробивное напряжение. Это изменение пробивного напряжения

характеризуется коэффициентом импульса , где - напряжение пробоя при импульсном напряжении, - напряжение пробоя при постоянном напряжении или переменном напряжении с частотой 50 Гц.

Регламентируются две формы испытательных импульсов: 1) грозовой импульс с длительностью переднего фронта 1,2 мкс и длительностью импульса 50 мкс;

2) коммутационный импульс с длительностью переднего фронта импульса 250 мкс и длительностью импульса 2500 мкс.

Грозовой импульс условно обозначают символом 1,2/50, а коммутационный -250/2500.

Для газовых промежутков с однородным или слабо неоднородным полями коэффициент импульса для стандартных импульсов практически равен единице. В случае сильно неоднородного поля в газовом промежутке коэффициент импульса зависит от полярности импульса, степени неоднородности, длины промежутка и для грозового импульса может существенно превышать единицу. 4.1.1 Пробой газа в однородном поле

Однородное электрическое поле может быть получено между плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами, если расстояние между ними не превышает их диаметра. Время развития пробоя в однородном поле составляет с, причём величина напряжения пробоя зависит от температуры и давления наполняющего газа. При нормальном давлении (0,1 Мпа) и температуре С электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами в 1 см составляет около 3,2 МВ/м. С уменьшением расстояния между электродами электрическая прочность увеличивается, что объясняется трудностью формирования разряда.

В соответствии с законом Пашена в однородном электрическом поле при неизменной температуре напряжение пробоя является функцией давления наполняющего газа и расстояния между электродами |. Данная зависимость приведена на рис.4.2. Минимальное значение пробивных напряжений для различных газов составляет 280-420 В. Для воздуха-около 300В.

Рис.4.2 Зависимость для воздуха и водорода.

При повышении давления свыше 1 ООкПа расстояние между молекулами уменьшается, в результате чего уменьшается длина свободного пробега электронов и соответственно увеличивается электрическая прочность. Падение напряжения наблюдается при уменьшении давления ниже атмосферного до определённой величины. Дальнейшее уменьшение давления приводит к возрастанию электрической прочности, что объясняется уменьшением числа молекул в единице объёма газа и уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами. При высоком вакууме электрическая прочность достигает больших значений (порядка МВ/м). В этом случае на величину электрической прочности оказывает влияние материал и состояние поверхности электродов, так как возможно возникновение "холодной" эмиссии электронов из поверхности электродов.

Электрическая прочность зависит от химического состава газа. Меньшей электрической прочностью по сравнению с воздухом обладают инертные газы, которые используются для заполнения источников света и электровакуумных приборов. Высокой электрической прочностью отличаются некоторые тяжелые газы с высокой молекулярной массой. Примером может служить элегаз , фреон . Их

электрическая прочность практически в 2,5 раза выше, чем у воздуха.

megaobuchalka.ru

Реферат - Диэлектрические материалы. Тангенс угла диэлектрических потерь