ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ЭТО:
изоляторы газообразные, жидкие или твердые материалы, которые не проводят электрический ток.
Газообразные изоляторы. Коронный разряд. Одним из наиболее известных и распространенныхизоляторов является воздух при атмосферном давлении и нормальной температуре. Для низких напряженийудельное электрическое сопротивление такого воздуха составляет ок. 1018 ОмЧсм. Когда напряженностьэлектрического поля поперек однородной воздушной щели достигает 30 кВ/см, проводимость увеличивается, так как начинается фотоионизация воздуха и в конце концов между электродами проскакивает искра. Еслигеометрия электродов разнородна, как, например, в случае острия и плоскости или провода линииэлектропередачи над поверхностью земли, вокруг острия или провода при достаточно большойнапряженности электрического поля возникает светящаяся область ионизованного воздуха, называемаякоронным разрядом. Ток коронного разряда возрастает с увеличением напряжения, и в конце концоввозникает искра или дуга в зависимости от мощности источника и сопротивления внешней цепи.
Электрическая прочность. Повышение давления воздуха приводит к увеличению напряжения коронногоразряда и напряженности электрического поля, при которой происходит пробой для рассматриваемойсистемы электродов. Согласно закону Пашена, в однородном электрическом поле напряжение пробоя неизменится, если при уменьшении межэлектродного зазора во столько же раз увеличить давление газа взазоре. Такие распространенные газы, как азот, кислород и двуокись углерода, по своей изолирующейспособности близки к воздуху при атмосферном давлении. Некоторые пары, особенно те, что содержат серу, хлор или фтор, такие, как гексафторид серы (SF6), четыреххлористый углерод (CCl4) и фреон-12 (CCl2F2), имеют втрое большую электрическую прочность, чем воздух при том же давлении. Влияние давления нанапряжение пробоя для некоторых материалов показано на рисунке. Электроизолирующие свойства газовоказываются наихудшими при давлениях от 1 до 0, 01 кПа. Прохождение тока через газ при таких давленияхсопровождается ярким свечением (например, в ртутных или неоновых лампах). Это явление называетсятлеющим разрядом.
ЗАВИСИМОСТЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПРОБОЯ ОТ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО РАССТОЯНИЯ в однородномэлектрическом поле для некоторых изолирующих материалов. 1 - высокий вакуум; 2 - CCl2F2, давление5, 63 атм; 3 - CCl2F2, давление 2, 81 атм; 4 - CCl2F2, давление 2, 11 атм; 5 - CCl2F2, давление 1, 05 атм; 6 -фарфор; 7 - тяжелое трансформаторное масло; 8 - воздух при атмосферном давлении.
Жидкие диэлектрики. Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются вкачестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 1012 ОмЧсм). Посколькууглеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходятдля использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическуюнестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, какбензол (C6H6), или ациклические соединения типа гексана [[CH3(CH2)4CH3]]. Большинство углеводородоввстречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. Кним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски. Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl3) и четыреххлористый углерод (CCl4), являются диэлектриками. К жидкимнеорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор. Важнымпреимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств послеискрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.
Твердые диэлектрики. К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь оченьвысокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимойниже таблицы. Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого илижидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов иобразованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой являетсярезультатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрикиподвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит кпоявлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторыематериалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потеридаже в высокочастотных электрических полях.
Вакуум как изолятор. Когда металлические электроды помещены в газ с давлением меньше 10-2 Па, молекул газа недостаточно для образования заметного тока в межэлектродном зазоре, и в этом случаеговорят об изоляции высоким вакуумом. Ионизация молекул остаточного газа при соударении с электронамиили положительно заряженными ионами, вылетающими с электродов, при таких давлениях происходитредко. В условиях высокого вакуума при постоянном напряжении ниже 20 кВ на поверхности катода пробойможет не наступать при напряженности поля до 5 МВ/см, а на аноде - при напряженности в несколько разбольшей. Однако при более высоких напряжениях катодный градиент, при котором наступает пробой, быстро уменьшается. Пробой между металлическими электродами в вакууме происходит из-за обменазаряженными частицами между катодом и анодом. Электрон, вылетающий из катода, ускоряетсяэлектрическим полем и ударяет в анод, выбивая положительные ионы и фотоны. Положительные ионы ичасть фотонов попадают на катод; ионы ускоряются электрическим полем и вызывают эмиссию вторичныхэлектронов. При некотором критическом значении напряжения и градиента электрического поля для данногоматериала электродов этот процесс становится неустойчивым, и происходит искровой пробой. Изоляциявысоким вакуумом особенно широко применяется в электронике как для ускорения электронов низкойэнергии в обычных электровакуумных приборах, так и для высоковольтных приложений в рентгеновскихприборах и ускорителях для ядерных исследований.
Конденсаторы. Диэлектрики находят широкое применение в конденсаторах. Конденсаторы имеютмногообразные применения, среди которых накопление электрического заряда, нейтрализация эффектовиндуктивности в цепях переменного тока и получение импульсов тока для различных приложений. Емкостьконденсатора часто может быть рассчитана исходя из конфигурации системы или измерена путемопределения величины заряда на одной из обкладок конденсатора при приложении заданного напряжениямежду обкладками. Энергия заряженного конденсатора равна 1/2 CE2 и выражается в микроджоулях (мкДж), если С выражено в микрофарадах (мкФ), а Е - в вольтах (В).
Низковольтные конденсаторы. Для слаботочных и низковольтных приложений, таких, как радио- ителефонные сети и низковольтные выпрямители, конденсаторы изготавливаются обычно из слоевалюминиевой или другой металлической фольги, разделенных диэлектриком из одного или нескольких слоевпропарафиненной бумаги. Очень компактный низковольтный конденсатор - т.н. электролитический -изготавливается нанесением (посредством электролитического осаждения) тонкой изолирующей оксиднойпленки на поверхность металлической фольги; при этом достигается достаточно высокая емкость на единицуплощади поверхности конденсатора. Полученный материал наматывается в виде обмотки компактныхразмеров.
Высоковольтные конденсаторы. В конденсаторах для высоких напряжений, которые используются врадиопередающих устройствах, в качестве изолятора часто применяется слюда. Конденсаторы для оченьвысоких напряжений обычно изготавливаются из металлической фольги с большим числом слоевдиэлектрической бумаги, помещенных в заполненный маслом контейнер, или из металлических пластин, разделенных газообразным или жидким диэлектриком. В таких конструкциях для высокочастотныхконденсаторов, в которых важно иметь низкие диэлектрические потери, в качестве диэлектрика используетсяи вакуум.
УРОК № 11
Популярное:
