Электропроводность газов, жидкостей и твердых диэлектриков

Газы при небольших напряженностях электрического поля обладают очень малой электропроводностью (рис.1.8, кривая 1). Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация молекул газа возникает по двум причинам: либо вследствие влияния каких-либо внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц (свободных электронов) газа с нейтральными молекулами. Кривую 1 можно разбить на три участка. На участке до напряжения насыщения  происходит несамостоятельная ионизация, когда с увеличением концентрации электрического заряда сила тока изменяется пропорционально напряжению до его насыщения. Затем выделяется область насыщения электрического тока (от  до ), когда явление рекомбинации электрических зарядов не приводит к росту тока.

Участок кривой 1 за пределами – это самостоятельный процесс ионизации, когда внешние факторы: ультрафиолетовое и световое излучение, а также энергия первичных процессов значительно увеличивают электропроводность газа. Иногда, особенно в сильно разреженных газах, возможно появление электропроводности из-за ионов, образовавшихся в результате соударения заряженных  частиц  (электронов)  с  молекулами  газа.   Такая ионизация называется ударной. Она может возникнуть в газе, если кинетическая энергия частицы за время свободного  пробега под действием электрического поля окажется  достаточно большой и превысит энергию ионизации нейтральной  молекулы. В этом случае электропроводность газа, вызванная ударной ионизацией, называется самостоятельной. В слабых электрических полях ударной ионизации нет и самостоятельная электропроводность отсутствует.

Электропроводность жидкостей зависит от строения их молекул (рис. 1.8, кривая 2). В неполярных жидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе и от воды. В полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но и диссоциацией молекул самой жидкости (кривая 2, участок от до ). Чем больше примесей, тем уже этот участок, а ток в жидкостях вызывается движением ионов или перемещением более крупных коллоид. Невозможность полного удаления из жидких диэлектриков примесей, способных к диссоциации, усложняет получение высококачественных электроизоляционных жидкостей с малой удельной электропроводностью. Уменьшить удельную проводимость можно путем очистки жидкого диэлектрика. При длительном пропускании электрического тока через неполярную жидкость наблюдается уменьшение электропроводности из-за переноса свободных ионов примесей к электродам. Этот процесс носит название электрической очистки диэлектрика.

Удельная проводимость любой жидкости зависит от температуры. С ее увеличением возрастает подвижность ионов из-за уменьшения вязкости жидкости, а также из-за увеличения степени тепловой диссоциации, что приводит к увеличению электропроводности жидкого диэлектрика. Наиболее часто используемое выражение для определения удельной проводимости при изменении температуры имеет вид:

                     ,                              (1.5.1)

где a и g₀ – постоянные величины для данной жидкости; t – температура,  ^ОС.

Удельная проводимость жидкости зависит от ее вязкости. Это можно доказать, воспользовавшись законом Стокса для движения шара в вязкой среде под действием постоянной силы. Установившаяся    скорость иона   под действием электрического поля:

                          ,                                   (1.5.2)

где h – динамическая вязкость жидкости r – эффективный радиус иона; q – заряд иона; Е – напряженность электрического поля. Используя выражение для удельной проводимости из закона Ома, получим:

 ,                          (1.5.3)

где n₀ – концентрация носителей заряда.

Отсюда следует, что при неизменных значениях n₀, q и r, т.е. пренебрегая тепловой диссоциацией, можно утверждать, что произведение удельной проводимости и вязкости жидкости есть величина постоянная при разных температурах (правило Писаржевского и Вальдена ). Таким образом, электропроводимость жидкостей возрастает при уменьшении вязкости.

При очень больших напряженностях электрического поля, величиной порядка 10 – 100 МВ/м, ток в жидкости не подчиняется закону Ома, что связано с увеличением числа движущихся под влиянием поля ионов. У жидкостей на кривой зависимости силы тока от напряжения отсутствует горизонтальный участок. Хотя для жидкостей очень высокой степени очистки он может и быть, что соответствует току насыщения (кривая 2, участок от до ).

В коллоидных системах может быть так называемая электрофоретическая проводимость. Носителями заряда в этом случае являются группы молекул. Электрофоретическая проводимость может наблюдаться в трансформаторном масле, содержащем эмульгированную воду (пленку воды).

Электропроводность твердых диэлектриков складывается из электронной и ионной проводимостей, причем первая наблюдается в сильных электрических полях. Ток проводимости обуславливается перемещением ионов примесей и ионов самой структуры, поэтому определяется кривой 3 (рис. 1.8) с узкой областью насыщения от до . В диэлектриках с атомными и молекулярными решетками ток проводимости создается только ионами различной примеси. В ионных кристаллических диэлектриках ток проводимости определяется перемещением ионов только одного знака. При высоких температурах в токе проводимости могут принимать участие ионы другого знака. Таким образом, при высоких температурах ток проводимости в твердых диэлектриках создается ионами обоих знаков, а при сильном электрическом поле наблюдается электронная проводимость, которая определяется по формуле Пуля:

                    .                          (1.5.4)   

Здесь β – числовой коэффициент, характеризующий материал;  – удельная проводимость в области независимости g от напряженности электрического поля E.

.
1.6. Диэлектрические потери.  Основные понятия

Диэлектрическими потерями называется мощность, рассеиваемая в диэлектрике под действием приложенного к нему электрического поля и вызывающая его нагрев. Рассматривают полные диэлектрические потери, вызываемые как при постоянном, так и при переменном напряжениях за счет абсорбционных и сквозных токов, обусловленных проводимостью.

Природа диэлектрических потерь в изоляционных материалах различна и зависит от агрегатного состояния вещества: газообразного, жидкого и твердого. При изучении диэлектрических потерь из-за поляризации диэлектрик можно отобразить в виде кривых зависимостей заряда Q на обкладках конденсатора с заданным диэлектриком от напряжения электрического поля (рис. 1.9 – 1.11). Потери, вызванные мгновенными поляризациями, не разогревают диэлектрик и их графическое отображение представляет линейную зависимость (рис. 1.9). Потери, вызванные любой замедленной поляризацией, выражаются площадью овала, пропорциональной энергии рассеяния на тепло за один период напряжения (рис. 1.10). Для диэлектриков со спонтанной поляризацией потери энергии за один период определяются площадью, ограниченной петлей гистерезиса (рис. 1.11).

 

При постоянном напряжении U на участке изоляции сопротивлением   значение активных потерь определяется по закону Джоуля-Ленца:

                 ,                     (1.6.1)

где I – сквозной ток утечки через диэлектрик или изоляцию.

Для вычисления активных диэлектрических потерь необходимо из векторных диаграмм последовательной и параллельной схем замещения изоляции необходимо найти угол сдвига фаз j между общим током и общим напряжением. Затем, дополнив этот угол до 90⁰, находят угол d – угол диэлектрических потерь по рисункам 1.12 и 1.13. Причем, чем больше рассеяние мощности в диэлектрике, переходящей в тепло, тем  меньше  угол  сдвига  фаз j и тем больше угол d, и, следовательно, его функция – тангенс угла диэлектрических потерь.   

Для последовательной схемы замещения (рис. 1.12):

                                              (1.6.2)

Из треугольника сопротивлений , поэтому

                  (1.6.3)

Для параллельной схемы замещения (рис.1.13):

                                                            (1.6.4)

Из векторной диаграммы токов находим:

                                                       (1.6.5)

Поэтому

                                                                    (1.6.6)

Для высококачественных диэлектрических материалов значения  составляют тысячные и даже десятитысячные доли единицы, но могут быть и больше для электротехнических материалов более низкого качества (нескольких сотых долей единицы). Пренебрегая  по сравнению с единицей в формуле (1.6.3) и учитывая, что емкостное сопротивление:

                                ,                               (1.6.7)

находим выражение для мощности диэлектрических потерь:

                                                          (1.6.8)

Для расчета диэлектрических потерь в единице объема, где напряженность электрического поля равна , обычно используется эмпирическая формула:

           ,                  (1.6.9)

где     называется коэффициентом диэлектрических потерь материала.

При переменном напряжении потери обычно больше, чем при постоянном напряжении. В газообразных диэлектриках при малых напряженностях электрического поля , в неполярных жидкостях, таких как трансформаторное масло, в неполярных твердых диэлектриках потери при постоянном и переменном напряжениях одинаковы.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: