Называют диэлектриками. Диэлектрик - что такое? Свойства диэлектриков
Электроизоляционный материал – это диэлектрический материал, предназначенный для электрической изоляции. Величина электрического сопротивления находится в диапазоне от 10 6 Ом∙м до 10 17 Ом∙м, для неионизированных газов еще выше.
Электроизоляционные материалы в зависимости от агрегатного состояния подразделяют на газообразные, жидкие и твердые. По химическому составу – на органические (полиэтилен, полистирол и др.) и неорганические (слюда, мрамор и т.д.).
Под действием приложенного электрического поля проявляется важнейшее свойство диэлектриков – способность к поляризации. Поляризация – это процесс ограниченного смещения или ориентации имеющих электрические заряды частиц диэлектрика, причем диэлектрик приобретает индуцированный электрический момент. По этому свойству диэлектрики делятся на «полярные», молекулы которых имеют постоянный, не равный нулю электрический момент, и «неполярные», молекулы которых приобретают электрический момент только при воздействии внешнего электрического поля.
Основные свойства диэлектриков:
- удельное объемное и поверхностное сопротивление (проводимость).
Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ определяет изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры, 0 С -1:
ТКρ=(1/ ρ 2)(dρ / dt ),
где ρ2 – удельное сопротивление при температуре t 2; dρ – изменение удельного сопротивления; dt – изменение температуры с начальной до t 2.
Диэлектрическая проницаемость диэлектрика ε. Различают относительную диэлектрическую проницаемость ε r , абсолютную ε и диэлектрическую проницаемость вакуума ε0 (электрическая постоянная e 0= 8,85 × 10 -12 Ф/м ) . Их связывает соотношение:
ε=ε r ∙ε0 или ε r =ε/ε0.
Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз диэлектрическая проницаемость среды больше диэлектрической проницаемости вакуума.
Диэлектрическая проницаемость газообразных диэлектриков составляет около 1, для неполярных жидких и твердых диэлектриков она обычно равна 2-2,5, для полярных – обычно в пределах 3-8, но может и достигать нескольких десятков и сотен.
Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКε r – позволяет оценить изменение диэлектрической проницаемости с изменением температуры:
ТКε r =(1/ ε r )(d ε r / dt ).
Диэлектрические потери - мощность,рассеиваемая в диэлектрике при действии на него переменного электромагнитного поля. Диэлектрические потери могут быть обусловлены как токами проводимости (потери проводимости), так и запаздыванием поляризации при изменении поля (релаксационные, миграционные и резонансные потери). Кроме того, в сильных электрических полях приналичии в диэлектрике воздушных включений наблюдаются дополнительные потери энергии (ионизационные потери). Диэлектрические потери зависят от приложенного напряжения U , В, частоты f , Гц, емкости C , Ф и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ , Вт:
P = U 2∙ C ∙2 πf ∙ tgδ .
Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ определяет рассеиваемую в диэлектрике мощность при переменном электромагнитном поле. Произведение tgδ на величину относительной диэлектрической проницаемости называется фактором потерь:
e" = e r ∙ tg δ .
Электрическая прочность диэлектрика E пр – напряженность электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой:
E пр= U пр/ h ,
где U пр – пробивное напряжение, наибольшее значение напряжения, которое было приложено к диэлектрику в момент пробоя, h – толщина диэлектрика. Размерность электрической прочности – В/м.
Нагревостойкость. ГОСТ 21515-76 определяет нагревостойкость как способность диэлектрика длительно выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств.
По нагревостойкости диэлектрики делятся на 7 классов. Температурные индексы, классы нагревостойкости приведены в табл. 1.
Таблица 1. Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов.
ТИКласс нагревостойкостиТемпература, 0 С
90 Y 90
105A105
120E120
130B130
155F155
180H180
180C Более 180
Указанные температуры являются предельно допустимыми при их длительном использовании.
Удельное объемное электрическое сопротивление, относительная диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, электрическая прочность основных электроизоляционных материалов приведены в табл. 2.
Таблица 2. Электрические свойства основных электроизоляционных материалов (при 20 0 С)
Названиеρ, Ом∙мε r tgδ E пр, кВ/мм
При 50 Гц При 50 Гц
Полистирол 10 13 - 10 15 2,4-2,7(2-4)∙10 -4 25-30
Полиэтилен 10 13 - 10 15 2,3(2-3)∙10 -4 40-42
низкой плотности
Полиэтилен 10 13 - 10 15 2,45∙10 -4 40-42
высокой плотности
Полипропилен10 13 - 10 15 2,1(2-3)∙10 -4 30-35
Поли-10 12 - 10 13 3,7(3-5)∙10 -4 24
формальдегид
Полиуретан 10 12 - 10 13 4,612∙10 -3 20-25
Полиметил-10 10 - 10 12 3,66∙10 -2 15-18
Метакрилат
ПВХ10 10 - 10 12 4,7(3-8)∙10 -2 15-20
ПЭТФ10 12 - 10 13 3,5(2-6)∙10 -4 30
(лавсан)
Фторопласт-410 16 - 10 18 2,0(1-3)∙10 -4 27-40
Обозначения: ρ - удельное объемное электрическое сопротивление, ε r - относительная диэлектрическая проницаемость, tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь, E пр - электрическая прочность.
ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «диэлектрик» введён М. Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электростатическое поле. При помещении в электрическое поле любого вещества электроны и атомные ядра испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, создавая электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются относительно друг друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов (поляризация или электрическая проводимость) преобладает, вещества делят на диэлектрики (все неионизованные газы, некоторые жидкости и твёрдые тела) и проводники (металлы, электролиты, плазма).
Электрическая проводимость диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков 10 8 -10 17 Ом·см, металлов - 10 -6 -10 -4 Ом·см.
Количественное различие в электрической проводимости диэлектриков и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, в то время как в диэлектриках все электроны связаны (принадлежат отдельным атомам) и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их.
Квантовая теория твёрдого тела объясняет различие электрических свойств металлов и диэлектриков различным распределением электронов по энергетическим уровням. В диэлектриках верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (в металлах он лежит внутри разрешённой зоны), а ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной, преодолеть которую под действием не слишком сильных электрических полей электроны не могут (смотри Зонная теория). Действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, которое приводит к поляризации диэлектрика.
Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации диэлектриков зависят от характера химической связи, т. е. распределения электронной плотности в диэлектриках. В ионных кристаллах (например, NaCl) поляризация является результатом сдвига ионов относительно друг друга (ионная поляризация), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация), т. е. суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, алмаз), где электронная плотность равномерно распределена между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь. В так называемых полярных диэлектриках (например, твёрдый Н 2 S) группы атомов представляют собой электрические диполи, которые ориентированы хаотически в отсутствии электрического поля, а в поле приобретают преимущественную ориентацию. Такая ориентационная поляризация типична для многих жидкостей и газов. Похожий механизм поляризации связан с «перескоком» под действием электрического поля отдельных ионов из одних положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм наблюдается в веществах с водородной связью (например, лёд), где атомы водорода имеют несколько положений равновесия.
Поляризация диэлектриков характеризуется вектором поляризации Р, который представляет собой электрический дипольный момент единицы объёма диэлектрика:
где p i - дипольные моменты частиц (атомов, ионов, молекул), N - число частиц в единице объёма. Вектор Р зависит от напряжённости электрического поля Е. В слабых полях Ρ = ε 0 ϰΕ. Коэффициент пропорциональности ϰ называется диэлектрической восприимчивостью. Часто вместо вектора Р используют вектор электрической индукции (1)
где ε - диэлектрическая проницаемость, ε 0 - электрическая постоянная. Величины ϰ и ε - основные характеристики диэлектрика. В анизотропных диэлектриках (например, в некубических кристаллах) направление Р определяется не только направлением поля Е, но и направлением осей симметрии кристалла. Поэтому вектор Р будет составлять различные углы с вектором Е в зависимости от ориентации Е по отношению к осям симметрии кристалла. В этом случае вектор D будет определяться через вектор Е с помощью не одной величины ε, а нескольких (в общем случае шести), образующих тензор диэлектрической проницаемости.
Диэлектрики в переменном поле. Если поле Е изменяется во времени t, то поляризация диэлектрика не успевает следовать за ним, так как смещения зарядов не могут происходить мгновенно. Поскольку любое переменное поле можно представить в виде совокупности полей, меняющихся по гармоническому закону, то достаточно изучить поведение диэлектрика в поле Е = Е 0 sinωt, где ω - частота переменного поля, Е 0 - амплитуда напряжённости поля. Под действием этого поля D и Р будут колебаться тоже гармонически и с той же частотой. Однако между колебаниями Р и Е появляется разность фаз δ, что вызвано отставанием поляризации Р от поля Е. Гармонический закон можно представить в комплексном виде Е = Е 0 e iωt , тогда D = D 0 e iωt , причём D 0 = ε(ω)Ε 0 . Диэлектрическая проницаемость в этом случае является комплексной величиной: ε(ω) = ε’ + iε’’, ε’ и ε’’ зависят от частоты переменного электрического поля ω. Абсолютная величина
определяет амплитуду колебания D, а отношение ε’/ε" = tgδ - разность фаз между колебаниями D и Е. Величина δ называется углом диэлектрических потерь. В постоянном электрическом поле ω = 0, ε" = 0, ε’ = ε.
В переменных электрических полях высоких частот свойства диэлектрика характеризуются показателями преломления n и поглощения k (вместо ε’ и ε"). Первый равен отношению скоростей распространения электромагнитных волн в диэлектрике и в вакууме. Показатель поглощения k характеризует затухание электромагнитных волн в диэлектрике. Величины n, k, ε’ и ε" связаны соотношением (2)
Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля. В ряде твёрдых диэлектриков (пироэлектриках, сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, электретах) поляризация может существовать и без электрического поля, т. е. может быть вызвана другими причинами. Так, в пироэлектриках заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. диэлектрик спонтанно поляризован. Однако поляризация в пироэлектриках проявляется только при изменении температуры, когда компенсирующие поляризацию электрические заряды не успевают перестроиться. Разновидностью пироэлектриков являются сегнетоэлектрики, спонтанная поляризация которых может существенно изменяться под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического поля). В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформации кристалла, что связано с особенностями их кристаллической структуры. Поляризация в отсутствии поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами.
Электрическая проводимость диэлектриков мала, но всегда отлична от нуля. Подвижными носителями заряда в диэлектриках могут быть электроны и ионы. В обычных условиях электронная проводимость диэлектриков мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость может быть обусловлена перемещением как собственных ионов, так и примесных. Возможность перемещения ионов по кристаллу связана с наличием дефектов в кристаллах. Если, например, в кристалле есть вакансия, то под действием поля соседний ион может занять её, во вновь образовавшуюся вакансию может перейти следующий ион и т. д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов происходит и в результате их перескоков по междоузлиям. С ростом температуры ионная проводимость возрастает. Заметный вклад в электрическую проводимость диэлектрика может вносить поверхностная проводимость (смотри Поверхностные явления).
Пробой диэлектриков. Плотность электрического тока j через диэлектрик пропорциональна напряжённости электрического поля Е (закон Ома): j = ςЕ, где ς - электрическая проводимость диэлектрика. Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом значении Е пр наступает электрический пробой диэлектрика. Величина Е пр называется электрической прочностью диэлектрика. При пробое почти весь ток течёт по узкому каналу (смотри Шнурование тока). В этом канале j достигает больших величин, что может привести к разрушению диэлектрика: образуется сквозное отверстие или диэлектрик проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции; например, в органических диэлектриках осаждается углерод, в ионных кристаллах - металл (металлизация канала) и т. п. Пробою способствуют всегда присутствующие в диэлектрике неоднородности, поскольку в местах неоднородностей поле Е может локально возрастать.
В твёрдых диэлектриках различают тепловой и электрический пробои. При тепловом пробое с ростом j растёт количество теплоты, выделяемое в диэлектрике, и, следовательно, температура диэлектрика, что приводит к увеличению числа носителей заряда n и уменьшению удельного электрического сопротивления ρ. При электрическом пробое с ростом поля возрастает генерация носителей заряда под действием поля и ρ тоже уменьшается.
Электрическая прочность жидких диэлектриков в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает Е пр. Для чистых однородных жидких диэлектриков Е пр близка к Е пр твёрдых диэлектриков. Пробой в газе связан с ударной ионизацией и проявляется в виде электрического разряда.
Нелинейные свойства диэлектриков. Линейная зависимость Р = ε 0 ϰЕ справедлива только для полей Е, значительно меньших внутрикристаллических полей Е кр (Е кр порядка 10 8 В/см). Т.к. Е пр << Е кр, то в большинстве диэлектриков не удаётся наблюдать нелинейную зависимость Р(Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, в которых в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость Р(Е). При высоких частотах электрическая прочность диэлектрика повышается, поэтому нелинейные свойства любых диэлектриков проявляются в ВЧ-полях больших амплитуд. В частности, в луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённостью порядка 10 8 В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства диэлектрика, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная оптика).
Применение диэлектриков. Диэлектрики используются главным образом как электроизоляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразования механических сигналов (перемещений, деформаций, звуковых колебаний) в электрические и наоборот (смотри Пьезоэлектрический преобразователь); пироэлектрики - как тепловые детекторы различных излучений, особенно ИК-излучения; сегнетоэлектрики, будучи также пьезоэлектриками и пироэлектриками, применяются, кроме того, как конденсаторные материалы (из-за высокой диэлектрической проницаемости), а также как нелинейные элементы и элементы памяти в разнообразных устройствах. Большинство оптических материалов является диэлектриками.
Лит.: Фрелих Г. Теория диэлектриков. М., 1960; Хиппель А. Р. Диэлектрики и волны. М., 1960; Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М., 1966. Вып. 5: Электричество и магнетизм; Калашников С. Г. Электричество. 5-е изд. М., 1985.
А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.
Классификация по строению молекул
Классификация по химическому составу
Классификация по способу получения
Классификация по агрегатному состоянию
Активные и пассивные диэлектрики
Определение диэлектрических материалов
Классификация и области использования диэлектрических материалов
Диэлектриками называются вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле.
Электроизоляционными материалами называют диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей электротехнических установок.
Изолятором называется изделие из электроизоляционного материала, задачами которого являются крепление и изоляция друг от друга проводников, находящихся под различными потенциалами (например, изоляторы воздушной ЛЭП).
Электрической изоляцией называется электроизоляционная система определенного конкретного электротехнического изделия, выполненная из одного или нескольких электроизоляционных материалов.
Используемые в качестве электроизоляционных материалов диэлектрики называются пассивными диэлектриками. В настоящее время широко применяются, так называемые, активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения и другие параметры воздействующих на них факторов.
Например, конденсатор, диэлектрическим материалом в котором служит пьезоэлектрик, под действием приложенного переменного напряжения изменяет свои линейные размеры и становится генератором ультразвуковых колебаний. Емкость электрического конденсатора, выполненного из нелинейного диэлектрика – сегнетоэлектрика, изменяется в зависимости от напряженности электрического поля; если такая емкость включена в колебательный LC-контур, то изменяется и его частота настройки.
Диэлектрические материалы классифицируют:
По агрегатному состоянию: газообразные, жидкие и твердые;
По способу получения: естественные и синтетические;
По химическому составу: органические и неорганические;
По строению молекул: нейтральные и полярные.
ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
К газообразным диэлектрикам относятся: воздух, азот, водород, углекислый газ, элегаз, хладон (фреон), аргон, неон, гелий и др. Они используются при изготовлении электрических аппаратов (воздушные и элегазовые выключатели, разрядники)
Наиболее широко в качестве электроизолирующего материала используется воздух. Воздух содержит: пары воды и газы: азот(78%), кислород (20,99%), углекислый газ (0,03%), водород(0,01%), аргон (0,9325%), неон (0,0018%), а также гелий, криптон, и ксенон, которые по объему в сумме составляют десятитысячные доли процента.
Важными свойствами газов являются их способность восстанавливать электрическую прочность, малая диэлектрическая проницаемость, высокое значение удельного сопротивления, практически отсутствие старения, инертность ряда газов по отношению к твердым и жидким материалам, нетоксичность, способность их работать при низких температурах и высоком давлении, негорючесть.
ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Жидкие диэлектрики предназначены для отвода теплоты от обмоток и магнитопроводов в трансформаторах, гашение дуги в масляных выключателях, усиление твердой изоляции в трансформаторах, маслонаполненых вводах, конденсаторах, маслопропитанных и маслонаполненных кабелях.
Жидкие диэлектрики делят на две группы:
Нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное, кабельное);
Синтетические масла (совтол, жидкие кремнийорганические и фтороорганические соединения).
4.1.7 Области использования диэлектриков как ЭТМ
Применение в электроэнергетике:
- линейная и подстанционная изоляция - это фарфор, стекло и кремнийорганическая резина в подвесных изоляторах ВЛ, фарфор в опорных и проходных изоляторах, стеклопластики в качестве несущих элементов, полиэтилен, бумага в высоковольтных вводах, бумага, полимеры в силовых кабелях;
- изоляция электрических приборов - бумага, гетинакс, стеклотекстолит, полимеры, слюдяные материалы;
- машин, аппаратов - бумага, картон, лаки, компаунды, полимеры;
- конденсаторы разных видов - полимерные пленки, бумага, оксиды, нитриды.
С практической точки зрения в каждом случае выбора материала электрической изоляции следует анализировать условия работы и выбирать материал изоляции в соответствии с комплексом требований. Для ориентировки целесообразно разделить основные диэлектрические материалы на группы по условиям применения.
1. Нагревостойкая электрическая изоляция. Это в первую очередь изделия из слюдяных материалов, некоторые из которых способны работать до температуры 700 ° С. Стекла и материалы на их основе (стеклоткани, стеклослюдиниты). Органосиликатные и металлофосфатные покрытия. Керамические материалы, в частности нитрид бора. Композиции из кремнийорганики с термостойким связующим. Из полимеров высокой нагревостойкостью обладают полиимид, фторопласт.
2. Влагостойкая электрическая изоляция. Эти материалы должны быть гидрофобны (несмачивание водой) и негигроскопичны. Ярким представителем этого класса является фторопласт. В принципе возможна гидрофобизация путем создания защитных покрытий.
3. Радиационно стойкая изоляция. Это, в первую очередь, неорганические пленки, керамика, стеклотекстолит, слюдинитовые материалы, некоторые виды полимеров (полиимиды, полиэтилен).
4. Тропикостойкая изоляция. Материал должен быть гидрофобным, чтобы работать в условиях высокой влажности и температуры. Кроме того, он должен быть стойким против плесневых грибков. Лучшие материалы: фторопласт, некоторые другие полимеры, худшие - бумага, картон.
5. Морозостойкая изоляция. Это требование характерно, в основном для резин, т.к. при понижении температуры все резины теряют эластичность. Наиболее морозостойка кремнийорганическая резина с фенильными группами (до -90° С).
6. Изоляция для работы в вакууме (космос, вакуумные приборы). Для этих условий необходимо использовать вакуумно-плотные материалы. Пригодны некоторые, специально приготовленные керамические материалы, малопригодны полимеры.
Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п. Картон, как правило, используется после пропитки трансформаторным маслом. Электрическая прочность пропитанного картона достигает 40-50 кВ/мм. Поскольку она выше прочности трансформаторного масла, для увеличения электрической прочности трансформаторов зачастую устраивают в среде масла специальные барьеры из картона. Маслобарьерная изоляция обычно имеет прочность Е=300-400 кВ/см. Недостатком картона является гигроскопичность, в результате попадания влаги уменьшается механическая прочность и, резко уменьшается электрическая прочность (в 4 и более раз).
В последнее время бурно развивается производство изоляторов для ВЛ на основе кремнийорганической резины . Этот материал относится к каучукам, основное свойство которых - эластичность. Это позволяет изготовлять из каучуков не только изоляторы, но и гибкие кабели. В энергетике используются разные типы каучуков: натуральные каучуки, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, этиленпропиленовые и кремнийорганические.
Электротехнический фарфор является искусственным минералом, образованным из глинистых минералов, полевого шпата и кварца в результате термообработки по керамической технологии. К числу наиболее ценных его свойств относится высокая стойкость к атмосферным воздействиям, положительным и отрицательным температурам, к воздействию химических реагентов, высокие механическая и электрическая прочность, дешевизна исходных компонентов. Это определило широкое применение фарфора для производства изоляторов.
Электротехническое стекло в качестве материала для изоляторов имеет некоторые преимущества перед фарфором. В частности у него более стабильная сырьевая база, проще технология, допускающая большую автоматизацию, возможность визуального контроля неисправных изоляторов.
Слюда является основой большой группы электроизоляционных изделий. Главное достоинство слюды - высокая термостойкость наряду с достаточно высокими электроизоляционными характеристиками. Слюда является природным минералом сложного состава. В электротехнике используют два вида слюд: мусковит КАl 2 (АlSi 3 О 10)(ОН) 2 и флогопит КMg 3 (АlSi 3 О 10 (ОН) 2 . Высокие электроизоляционные характеристики слюды обязаны ее необычному строению, а именно - слоистости. Слюдяные пластинки можно расщеплять на плоские пластинки вплоть до субмикронных размеров. Разрушающие напряжения при отрыве одного слоя от другого слоя составляют примерно 0.1 МПа, тогда как при растяжении вдоль слоя - 200-300 МПа. Из других свойств слюды отметим невысокий tg , менее чем 10 -2 ; высокое удельное сопротивление, более 10 12 Ом·м; достаточно высокую электрическую прочность, более 100 кВ/мм; термостойкость, температура плавления более 1200° С.
Слюда используется в качестве электрической изоляции, как в виде щипаных тонких пластинок, в т.ч. склееных между собой (миканиты), так и в виде слюдяных бумаг, в т.ч. пропитанных различными связующими (слюдиниты или слюдопласты). Слюдяная бумага производится по технологии, близкой к технологии обычной бумаги. Слюду размельчают, готовят пульпу, на бумагоделательных машинах раскатывают листы бумаги.
Миканиты обладают лучшими механическими характеристиками и влагостойкостью, но они более дороги и менее технологичны. Применение - пазовая и витковая изоляция электрических машин.
Слюдиниты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе мусковита. Иногда их комбинируют с подложкой из стеклоткани (стеклослюдинит), или полимерной пленки (пленкослюдинит). Бумаги, пропитанные лаком, или другим связующим, обладают лучшими механическими и электрофизическими характеристиками, чем непропитанные бумаги, но их термостойкость обычно ниже, т.к. она определяется свойствами пропитывающего связующего.
Слюдопласты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе флогопита и пропитанные связующими. Как и слюдиниты, они также комбинируются с другими материалами. По сравнению со слюдинитами они обладают несколько худшими электрофизическими характеристиками, но обладают меньшей стоимостью. Применение слюдинитов и слюдопластов - изоляция электрических машин, нагревостойкая изоляция электрических приборов.
Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции - линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т.п.
Из электроотрицательных газов с высокой электрической прочностью наибольшее применение нашел элегаз SF6. . Свое название он получил от сокращения “электрический газ”. Уникальные свойства элегаза были открыты в России, его применение также началось в России. В 30х годах известный ученый Б.М. Гохберг исследовал электрические свойства ряда газов и обратил внимание на некоторые свойства шестифтористой серы SF6. Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е=89 кВ/см. Молекулярная масса составляет 146, характерным является очень большой коэффициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, т.к. при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло. Из теплофизических свойств: температура плавления= -50 ° С при 2 атм, температура кипения (возгонки)= -63° С, что означает возможность применения при низких температурах.
Из других полезных свойств отметим следующие: химическая инертность, нетоксичность, негорючесть, термостойкость (до 800° С), взрывобезопасность, слабое разложение в разрядах, низкая температура сжижения . В отсутствие примесей элегаз совершенно безвреден для человека. Однако продукты разложения элегаза в результате действия разрядов (например, в разряднике или выключателе) токсичны и химически активны. Комплекс свойств элегаза обеспечил достаточно широкое использование элегазовой изоляции. В устройствах элегаз обычно используется под давлением в несколько атмосфер для большей компактности энергоустановок, т.к. электрическая прочность увеличивается с ростом давления. На основе элегазовой изоляции созданы и эксплуатируются ряд электроустройств, из них кабели, конденсаторы, выключатели, компактные ЗРУ (закрытые распределительные устройства).
Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик - это трансформаторное масло.
Трансформаторное масло - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 ° С до 400 ° С. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. Оно имеет сложный углеводородный состав со средним весом молекул 220-340 а.е., и содержит следующие основные компоненты.
Из родственных трансформаторному маслу по свойствам и применению жидких диэлектриков стоит отметить конденсаторные и кабельные масла.
Конденсаторные масла. Под этим термином объединена группа различных диэлектриков, применяемая для пропитки бумажно-масляной и бумажно-пленочной изоляции конденсаторов. Наиболее распространенное конденсаторное масло
по ГОСТ 5775-68 производят из трансформаторного масла путем более глубокой очистки. Отличается от обычных масел большей прозрачностью, меньшим значением tg (более, чем в десять раз). Касторовое масло
растительного происхождения, оно получается из семян клещевины. Основная область использования - пропитка бумажных конденсаторов для работы в импульсных условиях.
Плотность касторового масла 0,95-0,97 т/м3, температура застывания от -10 ° С до -18 ° С. Его диэлектрическая проницаемость при 20° С составляет 4,0 - 4,5, а при 90° С - = 3,5 - 4,0; tg при 20° С равен 0,01- 0,03, а при 100° С tg = 0,2- 0,8; Епр при 20° С равно 15- 20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте. В отличие от нефтяных масел касторовое не вызывает набухания обычной резины. Этот диэлектрик относится к слабополярным жидким диэлектрикам, его удельное сопротивление при нормальных условиях составляет 108 - 1010 Oм·м.
Кабельные масла предназначены для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Основой их также является нефтяные масла. От трансформаторного масла отличаются повышенной вязкостью, увеличенной температурой вспышки и уменьшенными диэлектрическими потерями. Из марок масел отметим МН-4 (маловязкое, для заполнения кабелей низкого давления), С-220 (высоковязкое для заполнения кабелей высокого давления), КМ-25 (наиболее вязкое).
Второй тип жидких диэлектриков - трудногорючие и негорючие жидкости. Жидких диэлектриков с такими свойствами достаточно много. Наибольшее распространение в энергетике и электротехнике получили хлордифенилы . В зарубежной литературе они называются хлорбифенилами . Это вещества, имеющие в своем составе двойное бензольное кольцо, т.н. ди(би)фенильное кольцо и присоединенные к нему один или несколько атомов хлора. В России применяются диэлектрики этой группы в виде смесей, в основном смеси пентахлордифенила с трихлордифенилом. Коммерческие названия некоторых из них - “совол”, “совтол”, “калория-2”.
Диэлектрические материалы классифицируются и по ряду внутривидовых признаков, которые определяются их основными характеристиками: электрическими, механическими, физико-химическими, тепловыми.
4.2.1 К электрическим характеристикам диэлектрических материалов относятся:
Удельное объемное электрическое сопротивление ρ, Ом*м или удельная объемная проводимость σ, См/м;
Удельное поверхностное электрическое сопротивление ρ s , Ом, или удельная поверхностная проводимость σ s См;
Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТК ρ , ˚С -1 ;
Диэлектрическая проницаемость ε;
Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКε;
Тангенс угла диэлектрических потерь δ;
Электрическая прочность материала Е пр,МВ/м.
4.2.2 Тепловые характеристики определяют термические свойства диэлектриков.
К тепловым характеристикам относятся:
Теплоемкость;
Температура плавления;
Температура размягчения;
Температура каплепадения;
Теплостойкость;
Нагревостойкость;
Холодностойкость – способность диэлектриков противостоять низким температурам, сохраняя электроизоляционные свойства;
Тропикостойкость – стойкость диэлектриков к комплексу внешних воздействий в условиях тропического климата (резкий перепад температур, высокая влажность, солнечная радиация);
Термоэлатичность;
Температура вспышки паров электроизоляционных жидкостей.
Нагревостойкость – одна из важнейших характеристик диэлектриков. В соответствии с ГОСТ 21515-76 нагревостойкость – это способность диэлектрика длительно выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств.
Классы нагревостойкости. Всего семь. Характеризуются температурным индексом ТИ. Это температура, при которой срок службы материала составляет 20 тыс. Часов.
4.2.3 Влажностные свойства диэлектриков
Влагостойкость – это надежность эксплуатации изоляции при нахождении ее в атмосфере водяного пара близкого к насыщению. Влагостойкость оценивают по изменению электрических, механических и других физических свойств после нахождения материала в атмосфере с повышенной и высокой влажностью; по влаго- и водопроницаемости; по влаго- и водопоглощаемости.
Влагопроницаемость – способность материала пропускать пары влаги при наличии разности относительных влажностей воздуха с двух сторон материала.
Влагопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном нахождении во влажной атмосфере близкой к состоянию насыщения.
Водопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном погружении его в воду.
Тропикостойкость и тропикализация оборудования – защита электрооборудования от влаги, плесени, грызунов.
4.2.4 Механические свойства диэлектриков определяют следующие характеристики:
Разрушающее напряжение при статическом растяжении;
Разрушающее напряжение при статическом сжатии;
Разрушающее напряжение при статическом изгибе;
Твердость;
Ударная вязкость;
Сопротивление раскалывания;
Стойкость к надрыву (для гибких материалов);
Гибкость по числу двойных перегибов;
Пластоэластические свойства.
Механические характеристики диэлектриков определяют соответствующие ГОСТы.
4.2.5 Физико-химические характеристики:
Кислотное число, определяющее количество свободных кислот в диэлектрике, ухудшающих диэлектрические свойства жидких диэлектриков, компаундов и лаков;
Кинематическая и условная вязкость;
Водопоглощаемость;
Водостойкость;
Влагостойкость;
Дугостойкость;
Трекингстойкость;
Радиоционная стойкость и др.
Лекция 1.3.1. Поляризация диэлектриков
Диэлектрические материалы
Диэлектрики - вещества, способные поляризоваться и сохранять электростатическое поле. Это широкий класс электротехнических материалов: газообразных, жидких и твердых, природных и интетических, органических, неорганических и элементоорганических. По выполняемым функциям они делятся на пассивные и активные. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов. В активных диэлектриках (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики и др.), электрические свойства зависят от управляющих сигналов, способных изменять характеристики электротехнических устройств и приборов.
По электрическому строению молекул различают неполярные и полярные диэлектрики. Неполярные диэлектрики состоят из неполярных (симметричных) молекул, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Полярные диэлектрики состоят из несимметричных молекул (диполей). Дипольная молекула характеризуется дипольным моментом – р.
В процессе работы электротехнических устройств диэлектрик нагревается, так как часть электрической энергии в нем рассеивается в виде тепла. Диэлектрические потери сильно зависят от частоты тока, особенно у полярных диэлектриков, поэтому они являются низкочастотными. В качестве высокочастотных используются неполярные диэлектрики.
Основные электрические свойства диэлектриков и их характеристики приведены в табл. 3.
Таблица 3 - Электрические свойства диэлектриков и их характеристики
Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул в электрическом поле. Под влиянием силовых линий электрического поля заряды диэлектрика смещаются по направлению действующих сил в зависимости величины напряженности. При отсутствии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние.
Различают два вида поляризации: поляризация мгновенная, вполне упругая, без выделения энергии рассеяния, т.е. без выделения тепла, за время 10 -15 – 10 -13 с; поляризация не совершается мгновенно, а нарастает или убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревает - это релаксационная поляризация за время от 10 -8 до 10 2 с.
К первому виду относятся электронная и ионная поляризации.
Электронная поляризация (C э, Q э) – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов за время 10 -15 с. Наблюдается такая поляризация для всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, а диэлектрическая проницаемость вещества численно равна квадрату показателя преломления света n 2 .
Ионная поляризация (C и, Q и) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением (колебанием) упруго связанных ионов в узлах кристаллической решетки за время 10 -13 с. С повышением температуры смещение усиливается и в результате ослабления упругих сил между ионами, а температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных диэлектриков оказывается положительным.
Ко второму виду относят все релаксационные поляризации.
Дипольно-релаксационная поляризация (C др, r др, Q др) связана с тепловым движением диполей при полярной связи между молекулами. Поворот диполей в направлении электрического поля требует преодоления некоторого сопротивления, выделения энергии в виде тепла (r др). Время релаксации здесь порядка 10 -8 – 10 -6 с – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных электрическим полем диполей после снятия поля уменьшится вследствие наличия тепловых движений в 2,7 раза от первоначального значения.
Ионно-релаксационная поляризация (C ир, r ир, Q ир) наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых веществах с неплотной упаковкой ионов. Слабосвязанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых движений получают избыточные набросы в направлении поля и смещаются по силовой линии его. После снятия электрического поля ориентация ионов ослабевает по экспоненциальному закону. Время релаксации, энергия активации и частота собственных колебаний происходит в течение 10 -6 – 10 -4 с и связано законом
где f – частота собственных колебаний частиц; v - энергия активации; k –постоянная Больцмана (8,63 10 -5 ЭВ/град); T – абсолютная температура по К 0 .
Электронно - релаксационная поляризация (C эр, r эр, Q эр) возникает за счет возбужденных тепловых энергий избыточных, дефектных электронов или «дырок» за время 10 -8 – 10 -6 с. Она характерна для диэлектриков с высокими показателями преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью: двуокись титана с примесями, Са+2, Ва+2, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности – титана, ниобия, висмута. При этой поляризации имеет место высокая диэлектрическая проницаемость и при отрицательных температурах наличие максимума в температурной зависимости e (диэлектрической проницаемости). e для титаносодержащей керамики уменьшается с возрастанием частоты.
Структурные поляризации различают:
Миграционная поляризация (C м, r м, Q м) протекает в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях, слоях, границ раздела или наличии примесей за время порядка 10 2 с.Эта поляризация проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеянием энергии. Причинами такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических, сложных диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.д. На границах раздела между слоями в диэлектрике и в при электродных слоях идет накопление зарядов медленно движущихся ионов – это эффект межслоевой или структурной высоковольтной поляризации. Для сегнетоэлектриков различают спонтанную или самопроизвольную поляризацию,(C сп, r сп, Q сп), когда идет значительное рассеяние энергии или выделение тепла за счет доменов (отдельные области, вращающихся электронных оболочек) , смещающихся в электрическом поле, т. е. еще в отсутствии электрического поля в веществе есть электрические моменты, а при некоторой напряженности внешнего поля наступает насыщение и наблюдается возрастание поляризации.
Классификация диэлектриков по виду поляризации.
Первая группа – диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенной поляризациями. Структура таких материалов состоит из нейтральных молекул, может быть слабополярной и характерна для твердых кристаллических и аморфных материалов таких, как парафин, сера, полистирол, а также жидкие и газообразные материалы как бензол водород и др.
Вторая группа – диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями – это полярные органические жидкие, полужидкие, твердые вещества как маслоканифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза, хлорированные углеводороды и т.п. материалы.
Третья группа – диэлектрики твердые неорганические, которые делятся на две подгруппы, отличающиеся по электрическим характеристикам – а) диэлектрики, обладающие электронной и дипольно-релаксационной поляризациями, такие как кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил; б) диэлектрики с электронной и ионной релаксационными поляризациями – это стекла, материалы со стекловидной фазой (фарфор, микалекс и т.п.) и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов.
Четвертая группа – это диэлектрики, обладающие электронной и ионной мгновенными и структурной поляризациями, что свойственно многим позиционным, сложным, слоистым и сегнетоэлектрикам материалам.
Все жидкие и твердые вещества по характеру действия на них электростатического поля делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Диэлектрики (изоляторы) – вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток. К диэлектрикам относят воздух, некоторые газы, стекло, пластмассы, различные смолы, многие виды резины.
Если поместить в электрическое поле нейтральные тела из таких материалов, как стекло, эбонит, можно наблюдать их притяжение как к положительно заряженным, так и к отрицательно заряженным телам, но значительно более слабое. Однако при разделении таких тел в электрическом поле их части оказываются нейтральными, как и всё тело в целом.
Следовательно, в таких телах нет свободных электрически заряженных частиц, способных перемещаться в теле под действием внешнего электрического поля. Вещества, не содержащие свободных электрически заряженных частиц, называют диэлектриками или изоляторами .
Притяжение незаряженных тел из диэлектриков к заряженным телам объясняется их способностью к поляризации.
Поляризация
– явление смещения связанных электрических зарядов внутри атомов, молекул или внутри кристаллов под действием внешнего электрического поля. Самый простой пример поляризации
– действие внешнего электрического поля на нейтральный атом. Во внешнем электрическом поле сила, действующая на отрицательно заряженную оболочку, направлена противоположно силе, которая действует на положительное ядро. Под действием этих сил электронная оболочка несколько смещается относительно ядра и деформируется. Атом остаётся в целом нейтральным, но центры положительного и отрицательного заряда в нём уже не совпадают. Такой атом можно рассматривать как систему из двух равных по модулю точечных зарядов противоположного знака, которую называют диполем.
Если поместить пластину из диэлектрика между двумя металлическими пластинами с зарядами противоположного знака, все диполи в диэлектрике под действием внешнего электрического поля оказываются обращёнными положительными зарядами к отрицательной пластине и отрицательными зарядами к положительно заряженной пластине. Пластина диэлектрика остаётся в целом нейтральной, но её поверхности покрыты противоположными по знаку связанными зарядами.
В электрическом поле поляризационные заряды на поверхности диэлектрика создают электрическое поле, противоположно направленное внешнему электрическому полю. В результате этого напряжённость электрического поля в диэлектрике уменьшается, но не становиться равной нулю.
Отношение модуля напряжённости E 0 электрического поля в вакууме к модулю напряжённости Е электрического поля в однородном диэлектрике называется диэлектрической проницаемостью ɛ вещества:
ɛ = Е 0 / Е
При взаимодействии двух точечных электрических зарядов в среде с диэлектрической проницаемостью ɛ в результате уменьшения напряжённости поля в ɛ раз кулоновская сила также убывает в ɛ раз:
F э = k (q 1 · q 2 / ɛr 2)
Диэлектрики способны ослаблять внешнее электрическое поле. Это их свойство применяется в конденсаторах.
Конденсаторы – это электрические приборы для накопления электрических зарядов. Простейший конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин, разделённым слоем диэлектрика. При сообщении пластинам равных по модулю и противоположных по знаку зарядов +q и –q между пластинами создаётся электрическое поле с напряжённостью Е . Вне пластин действие электрических полей, направленное противоположно заряженных пластин, взаимно компенсируется, напряжённость поля равна нулю. Напряжение U между пластинами прямо пропорционально заряду на одной пластине, поэтому отношение заряда q к напряжению U
C = q / U
является для конденсатора величиной постоянной при любых значениях заряда q. Это отношение С называется электроёмкостью конденсатора.
Остались вопросы? Не знаете, что такое диэлектрики?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
