Диэлектрики

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Поляризация – процесс смещения и упорядочения зарядов в диэлектрике под действием электрического поля.
Диэлектрик – вещество, основным свойством которого является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля.
Поляризация – состояние вещества, при котором электрический момент некоторого его объема имеет ненулевое значение.

Неполярные диэлектрики
Полярные диэлектрики
Молекулы, имеющие симметричное строение и центр симметрии:
Одноатомные молекулы инертных газов (Не, Ne и др.);
Молекулы из 2 одинаковых атомов (Н2, N2, Cl2 и др.);
Углеводороды и электроизоляционные материалы УГВ-состава (масла, полиэтилен, полипропилен и др.)
Пространственное расположение зарядов

Полимерные материалы → полярность отдельных звеньев полимолекулы
Ионные кристаллы → неполярны, хотя отдельная молекула является диполем (в кристалле они уложены антипараллельно, а переориентация невозможна из-за кристаллической решетки)
Полиэтилен
Поливинилхлорид

Ионная поляризация
Это смещение относительно друг друга разноименно заряженных ионов в твердых веществах с ионными связями, т.е. для кристаллических диэлектриков (например, NaCl).
Под действием электрического поля разноименные заряженные ионы смещаются в противоположных направлениях → появляется плечо диполя Х → возникает момент поляризации PИ = q*x
Время установления 10-13 – 10-14 с
Степень поляризации пропорциональна валентности ионов
Дипольная поляризация
Характерна для полярных диэлектриков (жидкостей, аморфных вязких веществ). Заключается в повороте (ориентации) в направлении поля молекул, имеющих постоянный электрический момент
Непосредственный поворот молекул не совершается, внешнее поле вносит упорядоченность в положения полярных молекул
Время установления 10-6 – 10-10 с
С течением времени поляризованность убывает по закону
τ – время релаксации дипольной поляризации
Если период внешнего поля Т < τ, диполи не успевают переориентироваться

Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия теплового движения в 2,7 раза от первоначального значения
Влияние температуры: Т↑ → силы молекулярного сопротивления повороту диполей↓→ τ↓

КЛАССИФИКАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПО МЕХАНИЗМАМ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Поляризованность численно равна поверхностной плотности связанных зарядов, появившихся в результате поляризации диэлектрика
Значение ε определяет интенсивность процесса поляризации

ε – число, показывающее, во сколько раз возрастает емкость вакуумного конденсатора при его заполнении диэлектриком, т.е. характеристика способности вещества накапливать электростатическую энергию
Для отдельной молекулы РИ = αЕ (α – поляризуемость частицы) → P = N*PИ = N*α*E (N – количество молекул в единице объема) →

Диэлектрическая проницаемость газов

Диэлектрическая проницаемость жидкостей

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Особенности
Из-за большого удельного сопротивления объемный ток очень мал и сравним со сквозным
После подачи постоянного напряжения ток со временем постепенно уменьшается
Ток абсорбции – ловушечный ток (поглощение свободных носителей ловушками захвата)
При постоянном напряжении проходит только в периоды включения и выключения (меняя направление)
Ток утечки

Дрейф ионов происходит путем «перескока» с ловушки на ловушку, разделенные барьером W; вероятность перескока ~
Характер проводимости – ионный. Носители заряда – ионы малых размеров (H+, Na+).

Ионная проводимость ↔ перенос вещества: «+» - ионы уходят к катоду, а «-» - ионы – к аноду ↔ Электролиз
А – атомная масса; n – валентность; A/n – химический эквивалент
Особенности:
(k – электрохимический эквивалент вещества)
В кристаллах проводимость неодинакова по разным осям (например, у кристалла кварца ρ = 1012 Ом*м вдоль главной (оптической) оси и ρ > 2*1014 Ом*м перпендикулярно ей)
В аморфных телах проводимость одинакова во всех направлениях и зависит от состава материала и наличия примесей; для высокомолекулярных полимеров также зависит от степени полимеризации
Наличие поверхностной электропроводности

Поверхностная электропроводность
Is
Поверхностное сопротивление участка поверхности твердого диэлектрика между 2 параллельными друг другу кромками электродов длиной b, отстоящими друг от друга на расстояние а
Удельное поверхностное сопротивление – это сопротивление квадрата любого размера на поверхности диэлектрика, ток через который идет от одной стороны до противоположной (при a = b ρS = RS )
Характер зависимости ρs диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения ρ. Однако при изменениях влажности окружающей среды значения ρs изменяются быстрее, чем ρ.
Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых – влаги. Кроме того, ρs падает при загрязнении поверхности диэлектрика.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Носители заряда
Ионы или крупные заряженные коллоидные частицы
Влияющие факторы
Температура
С увеличением Т степень диссоциации и концентрация ионов возрастают
lnγ
1/T
Полярные жидкости (дистиллированная вода, ацетон, этиловый спирт)
Слабо полярные (касторовое масло)
Неполярные (бензол, трансформаторное масло)
103 … 105
ρ, Ом*м 108 … 1010
1010 … 1014

Коллоидная система – это смесь двух веществ (фаз), причем 1 фаза в виде мелких частиц (капель, зерен, пылинок) равномерно взвешена в другой
Эмульсии (обе фазы жидкости)
Суспензии (твердые частицы в жидкости)
Аэрозоли (твердые и жидкие частицы в газе)
Среда, в которой находятся мелкие частицы, - дисперсная (внешняя) среда (ДС)
Сами частицы – дисперсная (внутренняя) фаза (ДФ)
Молион – частица ДФ, имеющая на поверхности электрический заряд → проводимость в коллоидных системах называется молионной
Электрофорез → движение молионов во внешнем поле (новые вещества не образуются, меняется относительная концентрация ДФ в различных частях объема ДС

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ГАЗОВ
Причина
возникновения
Ионизация нейтральных
молекул
Действие внешних факторов (рентгеновское, ультрафиоле-товое, радиоактивное излуче-ние, сильный нагрев)
Соударения заряженных частиц самого газа с молекулами (ударная ионизация)
Несамостоятельная электропроводность
Самостоятельная электропроводность
Исчезает после исчезновения внешнего фактора

Несамостоятель-ная электропро-водимость
Самостоятельная электропроводи-мость
Создаваемые ионы частично рекомбинируют, частично нейтрализу-ются на электродах
Все ионы разряжаются на электродах без рекомбинации
Возникновение ударной ионизации
Ен = 0,6 В/м;
Еи = 105 …106 В/м
(10 мм)

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Диэлектрические потери – это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.
Угол δ между векторами плотностей переменного тока диэлектрика J и тока смещения Jсм на комплексной плоскости → угол диэлектрических потерь (характеризует степень отличия реального электрика от идеального)
tgδ – основной параметр оценки качества диэлектрика. Он не зависит от формы и размеров участка изоляции и определяется только материалом
Коэффициент диэлектрических потерь ε’’ = ε*tgδ

Виды диэлектрических потерь
Потери на электропроводность
Создаются сквозным током в хорошо проводящих диэлектриках (Рскв =γЕ2)
Практически не зависят от частоты, но их влияние больше на низких частотах (50 –
1000 Гц) из-за уменьшения с частотой tgδ
С ростом температуры возрастают по экспоненциальному закону

Единственный вид потерь в однородном неполярном диэлектрике
Зависимости tgδ от температуры и частоты приложенного напряжения для неполярных диэлектриков
Релаксационные потери
Обусловлены активными составляющими поляризационных токов
Характерны для диэлектриков с замедленными видами поляризации (дипольной и миграционной), преимущественно жидких (τ ~ 10-6 … 10-11 с)
Проявляются в области высоких частот (радиочастот), когда поляризация отстает от изменения поля

Диэлектрические потери максимальны при τ ~ 1/ω; частота ωр = 1/τ → частота релаксации
С увеличением температуры ωр возрастает по зависимости
Величина потерь зависит от соотношения времени установления поляризации τ и периода изменения электрического поля Т = 1/f:
τ << T - энергия на поляризацию не затрачивается
τ ~ T - часть энергии уходит на поляризацию
τ >> T - поляризация вообще не успевает произойти
Зависимость tgδ полярного диэлектрика от частоты и температуры
1 – потери за счет дипольной поляризации; 2 – потери за счет сквозной проводимости; 3 – суммарные потери

Резонансные потери
Проявляются в оптическом диапазоне (1014 … 1017 Гц) в некоторых газах
Выражаются в интенсивном поглощении светового излучения веществом
Резонансная частота очень стабильна, не зависит от температуры → спектральные линии служат эталонами
Ионизационные потери
Представляют собой потери на частичные разряды и наблюдаются в пористых диэлектриках с газовыми включениями при повышении напряжения сверх порога ионизации Uион

ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Пробой - явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля и потеря электроизоляционных свойств

Характеристики пробоя
Uпр – напряжение пробоя, [кВ]
Епр = Uпр/h – электрическая прочность (напряженность электрического поля, при которой происходит пробой), [кВ/м]
h – толщина диэлектрика (для случая однородного поля), [м]
Вольт-амперная характеристика участка изоляции
После снятия напряжения
В газовых и жидких диэлектриках пробитый участок восстанавливает первоначальные свойства
В твердых диэлектриках остается след в виде пробитого отверстия неправильной формы; при вторичной подаче напряжения пробой происходит в том же месте при гораздо меньшем напряжении
Коэффициент запаса электрической прочности
Коэффициент импульса

Пробой газов
Причина – ударная ионизация
W = ē*λ*E ≥ WИ
Коэффициент ударной ионизации α → число ионизаций, производимых движущимся электроном на единицу длины пути.
Количество электронов при движении от катода к аноду возрастает в eαh раз (h – разрядный промежуток)
Механизмы пробоя
Лавинный → ударная ионизация электронов сопровождается вторичными процессами на катоде → заряды в газовом промежутке восполняются → образуется серия лавин → пробой
Лавинно-стримерный → фотоионизация под действием поля пространственного заряда лавины → возникновение положительных и отрицательных стримеров (скоплений ионизированных частиц с высокой степенью ионизации) → пробой
АВ – распространение лавины
CD – распространение стримера

Закон Пашена: если длина разрядного промежутка h и давление газа Р изменяется так, что P*h = const, то Uпр не меняется, Uпр = f(P*h)
Физический смысл: одинаковые частицы в газовых промежутках получают на одном и том же длине пути λ одинаковую энергию от поля

Пробой газа в однородном электрическом поле

Пробой газа в неоднородном электрическом поле
Неоднородное поле возникает
Особенность пробоя газа в неоднородном поле - возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.
В случае несимметричных электродов игла – плоскость и положительной полярности на игле пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности. Ионизация газа при любой полярности на электродах происходит в районе иглы, где существуют наибольшие напряженности электрического поля. В результате ионизации образуются электроны и ионы, причем электроны быстро нейтрализуются на аноде, а вблизи иглы остаются малоподвижные положительно заряженные ионы. «Облако» объемного заряда изменяет первоначальное распределение потенциала. При положительной полярности на игле объемный заряд ослабляет напряженность поля вблизи иглы и, наоборот, усиливает ее в неионизированной области. Создаются благоприятные условия для дальнейшей ионизации газа, т. е. дальнейшего прорастания объемного заряда в направлении к катоду. В рассматриваемом случае объемный заряд фактически является продолжением иглы и сокращает эффективную длину разрядного промежутка.
При отрицательной полярности на игле облако положительного заряда уменьшает напряженность поля в неионизированной области. Поэтому дальнейшая ионизация газа возможна лишь при более высоком напряжении на электродах. Таким образом, в данном случае объемный положительный заряд играет роль экрана, сглаживающего максимальные неоднородности поля в разрядном промежутке.

Пробой жидкостей
Механизм пробоя, значение электрической прочности ↔ чистота жидкости
Суперчистые
Загрязненные
Причины пробоя: ударная ионизация электронами и холодная эмиссия с катода
Электрическая прочность ~ 100 МВ/м (электроны движутся в плотной среде, длина свободного пробега меньше)
Причины пробоя: образование проводящих мостиков из пузырьков газа, твердых частиц, капелек влаги
Примеси в виде органических волокон: если мостик соприкасается с одним из электродов, то он служит его игловидным продолжением → межэлектродное расстояние ↓ → электрическая прочность ↓
Примеси в виде капелек влаги: если влага находится в виде эмульсии, прочность ↓ гораздо сильнее, чем если в растворенном состоянии
Электрическая прочность зависит от времени воздействия напряжения ↔ если диэлектрик протекает между электродами, его прочность выше, чем у неподвижного

Зависимость механизма пробоя от вида примеси

Пробой твердых диэлектриков
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ
Причина – ударная ионизация или разрыв связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля
ЕПР = 100 – 1000 МВ/м; зависит от внутреннего строения диэлектрика (плотность упаковки атомов, прочность их связей и т.п.)
Внешние факторы (температура, форма и размеры образца) почти не влияют
Время пробоя – микросекунды и меньше
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ
Причина – химические процессы, происходящие в диэлектрике под действием электрического поля (электрохимическое старение)
Имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха
Для развития электрохимического пробоя требуется длительное время

ТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ
Причина – нарушение теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь
Мощность, выделяемая в образце РВ = U2*ω*C*tgδ
Мощность, отводимая от образца РО = k*S*(T-T0)
(k – коэффициент теплоотдачи; S – площадь теплоотвода; Т, Т0 – температуры образца и окружающей среды)
Условие теплового равновесия РВ = РО
Т ↑ → tgδ ↑ → РВ > РО (при Ткритич ) → диэлектрик лавинообразно разогревается → плавление, сгорание
Влияние внешних факторов: частота и температура (при их увеличении напряжение пробоя уменьшается)