ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПРИ НАПРЯЖЕНИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ.

Цель работы

Освоить метод экспериментального определения электрической прочности диэлектриков.

Теоретическая часть

Электрической прочностью диэлектрика называют ту напряженность поля, при которой диэлектрик теряет изоляционные свойства. Поскольку напряженность определяют как градиент потенциала, то электрическую прочность (Епр) можно оценить как отношение напряжения, приводящего к пробою (Uпр), к толщине диэлектрика (d).

Епр=Uпр/d (1)

Boзможно развитие трех механизмов пробоя: электрического, электротеплового и электрохимического. Механизм пробоя зависит от напряженности поля, температуры материала, его толщины, условий охлаждения, воздействия с окружающей среды. В газах обычно развивается электрический пробой.

Рассмотрим пробой воздуха. В воздухе всегда содержится небольшое количество ионов, образующихся за счет действия космических лучей, естественной радиоактивности земли и других факторов. Под воздействием электрического поля ионы ускоряются и на длине свободного пробега набирают кинетическую энергию (Wк):

Wк= qlE (2)

где q - заряд частицы;

l - длина свободного пробега в направлении поля (расстояние между двумя столкновениями с молекулами);

Е - напряженность электрического поля.

Сталкиваясь с молекулой, ион передает ей энергию. Если эта энергия превышает энергию ионизации (Wи), то происходит ударная ионизация с образованием свободного электрона и положительно заряженного иона. Условие возникновения ударной ионизации можно записать в виде: Wк> Wи. Отсюда можно оценить минимальную напряженность поля, при которой начинается ударная ионизация:

Еи= Wи/ql (3)

Помимо ударной ионизации, возможна фотонная ионизация газов при существенно меньших значениях напряженности поля. В этом случае взаимодействие иона с молекулой не приводит к ее ионизации, поскольку кинетическая энергия иона меньше энергии ионизации. Однако, поглотив кинетическую энер­гию иона, молекула переходит в возбужденное состояние. При переходе молекулы в равновесное состояние она испускает квант электромагнитного поля - фотон. В случае, если несколько фотонов одновременно попадет на какую-либо молекулу, суммарная энергия поглощенная молекулой, окажется больше энергии ионизации, что станет причиной образования дополнительной пары ионов. Очевидно, что повышение объема газа приведет к увеличению вероятности попадания нескольких фотонов в одну и ту же молекулу, поскольку возрастает общее количество ионов и, соответственно, увеличивается генерация фотонов.

В газах длина свободного пробега ионов существенно больше длины свободного пробега в твердых телах и жидкостях, поэтому электропрочность газов минимальна. В тех случаях, когда в диэлектрике появляется газовая или паровая фаза, электропрочность жидкого или твердого диэлектрика снижается.

Помимо электрического, возможно развитие электротеплового и электрохимического пробоя. Электротепловой пробой связан с локальным повышением температуры диэлектрика вследствие того, что энергия поля, рассеиваемая в диэлектрике, превышает отводимую тепловую энергию. При увеличении температуры диэлектрика возрастают потери на сквозную электропроводность и поляризацию, и, как следствие, снижается электропрочность диэлектрика. Электрохимический пробой вызван необратимыми изменениями химического состава материала при его нахождении в электрическом поле.

Экспериментальная часть

Испытание электрической прочности изоляции переменным напряжением промышленной частоты до 5 кВ проводится на универсальной пробойной уста­новке GPI-735.

ВНИМАНИЕ: высокое напряжение, развиваемое установкой, опасно для жизни.

В настоящей работе экспериментально определяется электрическая прочность различных диэлектриков как функция состава, толщины и времени. По характеру повышения напряжения стандартом предусмотрен кратковременный вид испытаний.

Экспериментальное определение электрической прочности при напряжении про­мышленной частоты заключается в фиксации величины напряжения на образце в момент, непосредственно предшествующий резкому увеличению тока и резкому спаду напряжения на диэлектрике.

Для изучения влияния толщины диэлектрика на его электропрочность следует для каждого испытания набирать пакет из 1, 2, 3, 5, 7 слоев листового материала (целлофана). В этом эксперименте закладывается искусственная неоднородность диэлектрика в виде воздушных промежутков между листами.

 

Испытания производятся в следующей последовательности:

1. При отключенной сети устанавливаем образец в камеру:

Снимаем колпак, вынимаем провод, держа его только за изоляцию,

снимаем цилиндр. Помещаем образец. Устанавливаем цилиндр обратно, в цилиндр вставляем кабель и закрываем колпаком.

2. Включение прибора:

Включить рубильник на столе.

Затем нажимаем кнопку " Power" для включения самого прибора (напряжение на индикаторе измеряется в кВ, ток в мА).

3. Подготовка прибора к измерениям:

Нажимаем кнопку " Reset". Высветившаяся на индикаторе прибора надпись " Ready" говорит о готовности прибора к измерениям.

4. Проведение измерений:

Нажимаем кнопку Start.

Прибор производит регулирование выходного напряжения автоматически, плавно увеличивая его до пробоя диэлектрика. При пробое загорается красная сигнальная лампа " Fail" , раздаётся звуковой сигнал и фиксируется напряжение пробоя. Для выключения звукового сигнала нажимаем кнопку " Reset" один раз. Повторное нажатие приводит к сбросу результатов измерения.

ВНИМАНИЕ: после нажатия кнопки " Start" нельзя поднимать колпак и касаться проводов. Манипуляции с прибором выполняет ТОЛЬКО один человек. Другой записывает показания. Для получения правильных результатов для каждого опыта берётся новая, непробитая плёнка.

5. Для последующих измерений:

Выключаем прибор нажатием кнопки Power, заменяем образец.

Далее измерения производятся в соответствии с последовательностью, описанной выше.

6. Данные испытаний занести в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Номер испытания	Толщина d, мм	Пробивное напряже­ние U, кВ	Электрическая прочность, Епр, В/м

 

7. Построить график зависимости E_пр от d.

8. Сделать выводы.

Требования к отчету

Отчет должен содержать: наименование работы, цель работы, краткую теоретическую часть, результаты в виде таблиц и графиков, выводы.

5 Контрольные вопросы

1. Как повлияет на электропрочность воздуха повышение давления с 1 атмосферы до 10 атмосфер?

2. У какого материала выше электропрочность полистирола или воздуха?

3. При изготовлении конденсаторов бумагу пропитывают конденсаторным маслом. Для чего?

 

 

Лабораторная работа №5

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК КРЕМНИЯ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА

 

1. Цель работы:

Изучение основных магнитных характеристик электротехнических сталей осциллографическим методом; получение петли гистерезиса изучаемого образца; построение основной кривой намагничивания; определение магнитной проницаемости; коэрцитивной силы и остаточной индукции.

Принадлежности: лабораторный автотрансформатор, эталон-ное сопротивление, соленоид, измерительная катушка, интегрирующая RC-цепочка, осциллограф, набор исследуемых образцов.

Краткая теория

По характеру взаимодействия с магнитным полем все материалы принято делить на слабо взаимодействующие и сильно взаимодействующие материалы. Мерой взаимодействия материалов с магнитным полем является магнитная индукция ( В ), то есть средняя напряженность магнитного поля внутри материала при нахождении во внешнем магнитном поле напряженностью Н. Магнитная индукция является суперпозицией напряженности внешнего магнитного поля и намагниченности:

В = Н + 4p М (3.1)

где М - намагниченность материала, то есть отношение векторной суммы элементарных магнитных моментов к объему материала.

У веществ слабо взаимодействующих с полем намагниченность невелика В » Н. К таким веществам относятся диамагнетики и парамагнетики. В диамагнетиках индукция ниже напряженности внешнего поля, а в парамагнетиках индукция выше напряженности внешнего поля. У веществ сильно взаимодействующих с полем намагниченность велика. К таким веществам относятся ферромагнетики, антиферримагнетики (ферриты), суперпарамагнетики, спиновые стекла. Для краткости изложения рассмотрим наиболее промышленно важные материалы - ферромагнетики и ферриты.

 

Природа ферромагнетизма.

Согласно гипотезе Ампера внутри атомов и молекул текут молекулярные токи, а следовательно, имеются магнитные диполи. По сути дела гипотеза Ампера блестяще подтвердилась, когда была понята электронная структура атома. Движение электронов вокруг ядер атомов является элементарными токами, создающими магнитные моменты.

Более строгое рассмотрение элементарных магнитных моментов свидетельствует о том, что у атома имеются магнитные моменты ядер, орбитальные магнитные моменты электронов и спиновые магнитные моменты электронов. Магнитные моменты ядер атомов ничтожно малы по сравнению с магнитными моментами электронов, поэтому их влиянием на магнитные свойства материалов можно пренебречь. Орбитальные магнитные моменты электронов также заметно меньше спиновых магнитных моментов. Поэтому магнитные свойства материалов в основном определяются спиновыми магнитными моментами электронов.

Согласно правилу Хунда заполнение электронных орбиталей производится таким образом, чтобы магнитный и механический моменты электронов были максимальны. У переходных металлов внутренние электронные орбитали (3d или 5f) заполнены не полностью. Поэтому у атомов таких элементом имеется значительный магнитный момент.

В том случае, когда внутренние орбитали атомов заполнены, не полностью происходит обмен электронами незаполненных орбиталей соседних атомов. При этом энергия атомов понижается на величину обменной энергии (U_обм). Величина обменной энергии зависит от квантовомеханической функции - обменного интеграла (А) и взаимной ориентации суммарных спиновых моментов соседних атомов:

U_обм = -А ( s ₁ s ₂) (3.2)

Обменное взаимодействие может привести к взаимной ориентации магнитных моментов соседних атомов. В зависимости от ориентации магнитных моментов соседних атомов все вещества делят на ферромагнетики, антиферромагнетики и парамагнетики. Рассмотрим влияние обменного взаимодействия на ориентацию магнитных моментов соседних атомов подробнее.

Обменный интеграл зависит от расстояния между соседними атомами (а) и от радиуса незаполненных орбиталей (r) или в обобщенном виде от отношения (а/r). Зависимость обменного интеграла от отношения а/r показана на рисунке 54.

Рис. 54. Зависимость обменного интеграла (А) от расстояния между атомами, отнесенного к радиусу незаполненной электронной оболочки (a/r).

При отношении расстояния между атомами к радиусу незаполненных оболочек большем 3 обменный интеграл положителен и для того чтобы обменная энергия вычиталась из общей энергии системы необходимо параллельная ориентация спиновых магнитных моментов соседних атомов. Такие вещества являются ферромагнетиками. При отношении а/r меньшем 3 обменный интеграл отрицателен и для того чтобы энергия системы была минимальной скалярное произведение магнитных моментов соседних атомов должно быть отрицательным. В этом случае магнитные моменты соседних атомов антипараллельны и такие вещества принято называть антиферромагнетиками. При равенстве отношения а/r 3 обменная энергия нулевая и взаимная ориентация магнитных моментов произвольна. Такие вещЕства являются парамагнетиками.

Таким образом, для того чтобы вещество было ферромагнитным необходимо выполнение двух условий:

1). В состав материала должны входить атомы переходных металлов, обладающих большими магнитными моментами;

2). Отношение расстояния между атомами к радиусу незаполненных электронных оболочек должно превышать 3.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: