Классификация диэлектриков Электроизоляционными материалами или диэлектриками называются вещества, с помощью которых осуществляется изоляция элементов или частей электрооборудования, находящихся под разными электрическими потенциалами. По сравнению с проводнико-выми материалами (проводниками) диэлектрики обладают значительно большим элек-трическим сопротивлением. Характерным свойством диэлектриков является возможность создания в них сильных электрических полей и накопления электрической энергии. Это свойство диэлектриков используется в конденсаторах и других устройствах. Согласно агрегатному состоянию диэлектрики делятся на: газообразные, жидкие твердые. Особенно большой является группа твердых диэлектриков (высокополимеры, пластмассы, керамика и др.). Согласно химическому составу диэлектрики делятся на: органические неорганические. Основным элементом в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода не содержится. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).
Основным элементом в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода не содержится. Наибольшая нагревостойкость у неорганических диэлектриков (слюда, керамика и др.). По способу получения диэлектрики делятся на: естественные (природные ) синтетические. Наиболее многочисленной является группа синтетических электроизоляционных материалов. В результате органического синтеза могут быть созданы диэлектрики с заданным комплексом необходимых электрических и физико-химических свойств. Поэтому группа синтетических электроизоляционных материалов имеет очень широкую область применения в электротехнике. С точки зрения строения молекул диэлектрики обычно делят на нейтральные и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими моментами. Нейтральные атомы и молекулы приобретают электрические моменты только под действием электрического поля — в процессе деформационных поляризаций. Среди нейтральных диэлектриков иногда выделяют группу ионных кристаллических диэлектриков (слюда, кварц, отдельные виды керамики и др.).
Полярные или дипольные диэлектрики состоят преимущественно из полярных молекул — диполей, которые вследствие асимметрии своего строения обладают начальным электрическим моментом (до воздействия электрического поля). При воздействии электрического поля полярные молекулы ориентируются, стараясь расположить свои оси в направлении электрического поля. Полярные диэлектрики отличаются повышенными значениями диэлектрической проницаемости и несколько повышенной проводимостью и гигроскопичностью по сравнению с нейтральными диэлектриками. Нейтральными диэлектриками являются водород, бензол, четыреххлористый углерод, полиэтилен, полистирол, парафин и др. К полярным диэлектрикам относятся касторовое масло, совол, совтол, бакелиты, галовакс и др. Иногда выделяют еще группу слабо полярных диэлектриков, молекулы которых обладают относительно небольшим начальным электрическим моментом. К слабо полярным диэлектрикам можно отнести совтол, поливинилхлорид, многие кремнийорганические электроизоляционные материалы и др.
Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б) и проводников (в). Диэлектриками будут такие материалы у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной проводимости не наблюдается. Электрические свойства определяются условиями взаимодействия атомов вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углерод в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита обладает большой проводимостью. Дефекты и примеси в кристалл. решетке очень сильно влияют на электрические свойства твердых тел. 1- зона заполнения электронами 2- запрещенная зона 3- свободная зона.
Рис. 5-9. Зависимость величины тока в диэлектрике от времени. Рис. 5-10. Зависимость проводимости жидкого диэлектрика от температуры. Рис. 5-11. Зависимость величины тока от напряжения в жидком диэлектрике.
Основными электрическими харaктepиcтикaми, которые позволяют оценить электрические свойства электроизоляционных материалов, являются следующие: - удельное объемное сопротивление р v ; - удельная объёмная проводимость γ v ; - удельное поверхностное сопротивление р ы - удельная поверхностная проводимость т s ; - диэлектрическая проницаемость ε; - тангенс угла диэлектрических потерь tgδ ; - электрическая прочность материала Е п.
Электрическая поляризация при воздействии электрического поля проявляется в ограниченном упругом смещении связанных зарядов, ориентации дипольных молекул, в результате чего некоторый объем или поверхность диэлектрика приобретают электричес -кий момент. После снятия электрического поля связанные заряды возвращаются в первоначальное состояние. Для сравнения диэлектриков, имеющих различную степень поляризации, пользуются понятием относительной диэлектрической проницаемости. Величина ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха в нормальных условиях близка к единице. Фундаментальное явление, определяющее возможность использования диэлектрика для создания емкости конденсаторов электронной аппаратуры – поляризация.
Диэлектрические потери. Удельными диэлектрическими потерями называется энергия, рассеиваемая в виде тепла в единице объема и в единицу времени в диэлектрике, находящемся в электрическом поле и вызывающая его нагрев. При постоянном поле потери обусловливаются током сквозной проводимости – движением ионов, иногда – свободных электронов. Потери на сквозную электропроводность присущи в большей или меньшей мере всем диэлектрикам без исключения. Величина потерь на сквозную электропроводность определяется удельным сопротивлением, а в твердых диэлектриках также и удельным поверхностным сопротивлением. Для вывода выражения мощности потерь пользуются эквивалентной схемой диэлектрика, состоящей из последовательно или параллельно включенных активного сопротивления R и емкости C. Эквивалентная схема выбирается так, чтобы расходуемая активная мощность была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а вектор тока был сдвинут относит-но вектора напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе. В идеальном вакуумном конденсаторе без потерь угол между векторами тока I c и напряжения U c равен 90 0. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь δ и его функция tg δ. Тангенс угла диэлектрических потерь равен отношению
Для неоднородных и композиционных диэлектриков tg δ зависит от природы и распределения включений, специальных наполнителей. Значение tg δ cлоистых пластмасс может изменяться в широких пределах в зависимости от количественных соотношений компонентов, достигая нескольких единиц. Наименьшие потери имеют однородные диэлектрики плотной структуры с минимальным содержанием примесей, имеющие мгновенную поляризацию. К таким материалам относятся полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, трансформаторное масло, слюда, высокочастотный стеатит и др. Особенно высокие требования предъявляются к диэлектрикам, применяемым на высоких частотах и в высоковольтной аппаратуре.
Тангенс угла диэлектрических потерь (δ) характеризует потери энергии электрического поля рассеиваемой в электроизоляционном материале. Он определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты. Если изоляция была бы изготовлена из идеального диэлектрика, то в ней не было бы потерь и при включении на переменное напряжение она не потребляла бы активной мощности. При приложении переменного напряжения к такой идеальной изоляции происходят поочередно повторяющиеся заряд и разряд и в цепи появляется переменный емкостный ток. При этом вся энергия, полученная изоляцией за время заряда, возвращается в сеть во время разряда. Произведение емкостного тока на напряжение дает величину реактивной или емкостной мощности; она пропорциональна емкости изоляции (кроме того, частоте и квадрату приложенного напряжения). Таким образом, изоляция из идеальных диэлектриков потребляла бы из сети только реактивную (емкостную) мощность.
Однако практически идеальных диэлектриков не существует. В реальной изоляции всегда имеется потеря энергии, поэтому при приложении к ней напряжения из сети потребляется не только реактивная, но и активная мощность, обусловленная потреблением энергии изоляцией. Отношение активной мощности, потребляемой изоляцией, к реактивной мощности и называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Так как активная мощность, потребляемая изоляцией, значительно меньше реактивной и отношение их обычно измеряется сотыми долями, то удобнее тангенс угла диэлектрических потерь выражать в процентах. Потребление энергии изоляцией вызывается разными причинами. Во многих твердых диэлектриках под воздействием приложенного переменного напряжения происходят колебания частиц, имеющих электрические заряды (атомов, молекул), что сопровождается затратой энергии. Кроме того, все диэлектрики в какой-то степени проводят ток не только путем заряда и разряда, а непосредственно, и протекание этого тока (тока проводимости), так же как в проводниках, сопряжено с потерями. Особенно большие потери возникают в неоднородных изолирующих материалах, в которых наряду с хорошими диэлектриками имеются вещества с пониженными диэлектрическими свойствами. Емкостные токи, протекая через вкрапления этих веществ в толще материала, создают значительные потери; достаточно сравнительно небольших примесей таких веществ, распределенных по всему объему материала, чтобы потери в таком материале существенно возросли.
Особенно заметно действие вкраплений такого сравнительно хорошо проводящего вещества, как вода, которая, проникая в поры волокнистых материалов, существенно увеличивает диэлектрические потери. Так, увеличение влагосодержания электрокартона с 0,5 до 3,0% вызывает рост диэлектрических потерь примерно в 25 раз. Поскольку реактивная мощность при этом меняется сравнительно мало (она, как указывалось выше, зависит от емкости), тангенс угла диэлектрических потерь также существенно возрастает. В указанном случае он возрастает с 0,8 до 11,0%. Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь является чувствительным показателем увлажнения изоляции, особенно если она состоит из волокнистых материалов и увлажняется во всем объеме (как, например, в трансформаторах). При этом существенно, что величина тангенс угла диэлектрических потерь не зависит от размеров изоляции: если вся изоляция однородна по своим свойствам, то активная и реактивная мощности будут зависеть от них в одинаковой степени.
Пробой диэлектриков При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя. Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика Для равномерного электрического поля электрическая прочность (пробивная напряженность) диэлектрика определяется по формуле где d — толщина диэлектрика в месте пробоя, м. Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс ( электрическая форма пробоя ), или тепловой процесс ( тепловая форма пробоя ). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока, подобно тому как это наблюдается в процессе ударной ионизации в газообразных диэлектриках.
Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются: 1. Независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения. 2. Электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика. 3. Электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах, причем она больше, чем при тепловой форме пробоя. 4. Перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока. 5. При наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект ). Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вследствие неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщину диэлектрика.
Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительные количества тепла. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине — по ослабленному месту. Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются: 1.Пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду. 2. Пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды. 3. Пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения. 4. Электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика. 5. Электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения. При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем в связи с дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового пробоя диэлектрика
По области применения все диэлектрические материалы можно разделить на: э лектроизоляционные, диэлектрики в электрических конденсаторах. Первые используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами. Вторые используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов. По возможности управления электрическими свойствами диэлектрические материалы можно разделить на: пассивные с постоянными свойствами, активные, свойствами которых можно управлять (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики,электреты и др.). Диэлектрические материалы подразделяются по агрегатному состоянию на газо-образные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют собой твердые тела (лаки и компаунды ).
