Основы механики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конспект лекции №1

Введение. Общие сведения о строении вещества. Виды связи

Основными элементарными частицами, из которых состоят все известные нам вещества, являются протоны, нейтроны, электроны. Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, электроны заполняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд ядра. Строение ядра атома, периодичность заполнения оболочек электронами можно находить с помощью таблицы Д.И.Менделеева.

Газы, жидкие и твердые тела состоят из атомов, молекул или ионов. Размеры атомов - порядка ангстрема, размеры положительных ионов, получившихся из атомов, лишившихся части электронов, меньше чем размеры атомов, а размеры отрицательных ионов, присоединивших дополнительные электроны больше, чем размеры соответствующих атомов. Ионами могут быть и группы атомов, потерявших или присоединивших электроны. электрический магнитный пробой диэлектрик

Молекулы газов содержат различное число атомов. Так, например, гелий, неон и аргон - одноатомные газы; водород, азот, кислород состоят из двухатомных молекул; углекислый газ, водяной пар - из трехатомных молекул; молекула аммиака - из четырех; метана - из пяти. В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов, могут образовываться различные виды связи.

Наиболее часто встречаются молекулы, в которых существуют ковалентные и ионные химические связи. Ковалентная связь возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами. Химическая связь такого типа осуществляется в молекулах H2 ,O2, CO и другие.

Молекулы, в которых центры одинаковых по величине, положительных и отрицательных зарядов совпадают, являются неполярными. Если же в отдельных молекулах центры противоположных по знаку зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными.

Полярная молекула характеризуется дипольным моментом, который определяется произведением заряда и расстояния между центрами положительного и отрицательного зарядов.

Классификация веществ по электрическим свойствам

Электротехническими материалами называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. Практически различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупностью.

По поведению в магнитном поле материалы подразделяются на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли широкое применение в технике с учетом их магнитных свойств. По поведению в электрическом поле материалы подразделяются на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Рисунок 1 - Энергетические диаграммы диэлектриков (а), полупроводников (б) и проводников (в) при абсолютном нуле с точки зрения зонной теории твердого тела: 1 - заполненная электронами зона, 2 - запрещенная зона, 3 - зона свободных энергетических уровней

Зона, содержащая энергетические уровни с электронами, имеющими связь с атомами, называется валентная зона (заполненная электронами зона).

Зона, содержащая энергетические уровни, на которых нет и не могут находиться электроны, называется запрещенной зоной.

Зона, содержащая энергетические уровни со свободными электронами (не имеющих связи с атомом), называется свободная зона (зона свободных энергетических уровней).

Диэлектриками будут такие материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронной электропроводности в обычных условиях не наблюдается.

Полупроводниками будут вещества с более узкой запрещенной зоной, которая может быть преодолена за счет внешних энергетических воздействий.

Проводниками будут материалы, у которых заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывается ею.

С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолютного нуля - убывает вплоть до нуля.

Таким образом, электропроводность веществ при различных температурах может быть существенно различной. Процесс термогенерации - это рост числа электронов, с повышением температуры переходящих из валентной зоны в свободную.

Процесс перехода электрона в свободное состояние сопровождается обратным явлением, т.е. возвратом электронов в валентную зону. Этот процесс называется рекомбинация. В результате при постоянной температуре в веществе наступает равновесие, т.е. число электронов переходящих в свободную зону равно числу электронов возвращающихся в валентную зону.

Энергию, необходимую для перехода электронов в свободное состояние или для образования дырок (освободившееся после ухода электрона из валентной зоны вакантное место), может доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии: свет, поток электронов и ядерных частиц, электронные и магнитные поля, механические воздействия и т.д.

Электронные свойства определяются условиями взаимодействия атома вещества и не являются непременной особенностью данного атома. Например, углеводород в виде алмаза является диэлектриком, а в виде графита обладает большой проводимостью.

Примеси и дефекты кристаллической решетки сильно влияют на электрические свойства твердых тел.

Классификация веществ по магнитным свойствам

По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики). Диамагнетиками являются вещества с магнитной проницаемостью r<1, значение которой не зависит от напряжения внешнего магнитного поля.

К ним относятся: водород, инертные газы, большинство органических соединений, каменная соль и некоторые металлы (медь, цинк, серебро, золото, ртуть), а также висмут, галлий, сурьма.

К парамагнетикам относятся вещества с магнитной проницаемостью r >1, также не зависящая от напряжения внешнего магнитного поля. К ним относятся: кислород, оксид азота, соль железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий и платина.

Диамагнетики и парамагнетики имеют магнитную проницаемость близкую к 1, и по магнитным свойствам нашли себе ограниченное применение в технике.

У сильномагнитных материалов магнитная проницаемость r>>1 и зависит от напряженности магнитного поля. К ним относятся: железо, никель, кобальт, их сплавы, сплавы хрома и марганца, гадолиний и ферриты различного состава.

Физические процессы в диэлектрических материалах. Диэлектрик в электрическом поле

Основным характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация - ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызывающего нагрев диэлектрика.

В нагреве технического диэлектрика могут участвовать содержащиеся в нем немногочисленные свободные заряды, обуславливающие возникновение под воздействием электрического напряжения малого сквозного тока, проходящего через толщу диэлектрика и по его поверхности.

Наличие сквозного тока, объясняется явлением электропроводности технического диэлектрика, численно характеризуемое значениями удельное объемное электрической проводимости и удельно-поверхностной электрической проводимости, являющимися обратными соответствующим значениям удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений.

Любой диэлектрик может быть использован только при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях. При напряжениях выше этих предельных значений наступает пробой диэлектрика - полная потеря им электроизоляционных свойств.

Значения напряжения при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующие значения напряженности внешнего однородного электрического поля - электрической прочностью диэлектрика.

Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость

Под влиянием электрического поля связанные электронные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля. При снятии электрического поля заряды возвращаются в прежнее состояние. В полярных диэлектриках содержащие дипольные молекулы, воздействие электрического поля вызывает ещё и ориентацию диполей в направлении поля; при отсутствии поля диполи дезориентируются вследствие теплового движения.

Большинство диэлектриков характеризуются линейной зависимостью электрического смещения от напряженного электрического поля, созданного в диэлектрике.

Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно, обнаруживая насыщение при некотором значении напряженности поля. Нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли, поэтому такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками.

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами включенный в электрическую цепь может рассматриваться как конденсатор определенной емкости. И заряд этого конденсатора будет равен:

(1.1)

где С - емкость конденсатора, U - приложенное напряжение.

Заряд Q при заданном значении приложенного напряжения слагается из заряда Qo , который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и заряда Qд, который обусловлен поляризацией диэлектрика фактически разделяющего электроды:

(1.2)

Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость .

а) б)

Рисунок 2 Диэлектрик сложного состава, с различными механизмами поляризации в электрическом поле (а) и его эквивалентная схема (б)

Эта величина представляет собой отношение заряда Q, полученного на конденсаторе содержащий данный диэлектрик, к заряду Qo , который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении если бы между электродами находился вакуум.

(1.3)

Из этого следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума. Относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества не зависит от выбора системы единиц.

Для характеристики качества диэлектрика используется именно эта величина.

Соотношение (1.1) может быть представлено в виде:

, (1.4)

где Со - ёмкость, которую имел бы конденсатор, если бы его разделял вакуум.

Из формулы (**) видно, что диэлектрическая проницаемость вещества е можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум.

Основные виды поляризации диэлектриков

Существует два основных вида поляризации диэлектриков:

1) поляризация под воздействием электрического поля практически мгновенная, вполне упругая, без рассеяния энергии, т.е. без выделения теплоты;

2) поляризация, совершаемая не мгновенно, а нарастающая и убывающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревание. Такой вид поляризации называют релаксационной поляризацией.

К первому виду поляризации относится электронная и ионная, остальные механизмы принадлежат к релаксационной поляризации. Особым механизмом поляризации является резонансная, наблюдаемая в диэлектриках при весьма высоких частотах, потому малосущественная для практической электротехники. Емкость конденсатора с диэлектриком и накопленным в нем электрическом заряде обуславливается суммарным воздействием различных механизмов поляризации. Разные виды поляризации могут наблюдаться в разных диэлектриках, а так же могут быть одновременно у одного и того же материала.

Электронная поляризация (Qэ, Cэ) представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Время установления около 10 -15 сек. Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света n. Смещение и деформация электронных орбит атомов и ионов не зависит от температуры, однако электронная поляризация уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связано с потерей энергий.

Ионная поляризация (Qи, Cи) характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго связанных ионов. С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширений. Время установления - порядка 10 -13 сек.

Дипольно-релаксационная поляризация ( С д-р, Q д-р, r д-р ) отличается от электронной и ионной тем, что связано с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении частично ориентируются под действием поля, что и вызывает поляризацию (если молекулярные силы не препятствуют диполям ориентироваться вдоль поля).

С увеличением температуры дипольная поляризация сначала возрастает, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание энергии теплового движения молекул, а затем, когда возрастание энергии теплового движения молекул становится интенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать.

Ионно-релаксационная поляризация (С и-р, Q и-р, r и-р) наблюдается в неорганических стеклах и в неких ионных кристаллических неорганических веществах. В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля. После снятия электрического поля смещение ионов ослабевает по экспоненциальному закон. С повышением температуры ионно-релаксационная поляризация усиливается.

Электронно-релаксационная поляризация (Q э-р, С э-р, r э-р) возникает вследствие возбуждения тепловой энергии избыточных (дефектных) электронов или дырок, характерна главным образом для диэлектриков с высоким показателем преломления, большим внутренним полем и электронной электропроводностью.

Миграционная поляризация (Q м, С м, r м) понимается как дополнительный механизм поляризации, проявляющийся в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Причинами такой поляризации является проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев различной проводимости и т.д., связана со значительным рассеянием электрической энергии.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация (Q сп, С сп, r сп) встречаются у сегнетоэлектриков. В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдельные области (домены), обладающие определенный электрическим моментом в отсутствие внешнего поля. В отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля не вызывает возрастания интенсивности поляризации. Диэлектрическая проницаемость при спонтанной поляризации зависит от напряженности электрического поля, такие материалы характеризуются значительным рассеиванием энергии.

Контрольные вопросы:

1. Основные сведения о материалах. Виды связи.

2. Классификация веществ по электрическим свойствам. Классификация веществ по магнитным свойствам.

3. Что такое диэлектрики? Поляризация диэлектриков.

6. Основные виды поляризации диэлектриков.



Конспект лекции №2

Электропроводность диэлектрика. Основные понятия

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая токи смещения в диэлектриках. Токи смещения упруго связанных зарядов при ионной и электронной поляризаций столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором.

Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжений абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в момент включения и выключения напряжения; при переменном напряжений они протекают в течений всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого количества свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов, или токов утечки. Ток утечки в технических диэлектриках представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции. Для плотностей токов можно записать:

Jут=Jск+Jаб (1.5)

Как видно из рисунка, после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Токи смещения необходимо принимать во внимание при измерениях проводимости диэлектриков в виду того, что при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может создаться неправильное представление о большой проводимости.

Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным, но и активными составляющими абсорбционных токов.

Рисунок 3 Зависимость тока утечки от времени

Особенностью электропроводности диэлектриков в большинстве случаев является ее неэлектронный (ионный) характер. Истинное сопротивление диэлектрика Rиз, определяющее величину сквозного тока может быть вычислена по следующей формуле:

Rиз=U/(i-? i аб), (1.6)

где i ут. - наблюдаемый ток, U-напряжение, i аб - суммарный ток абсорбции.

Поскольку определение абсорбционных токов даже замедленных видов поляризации представляет некоторые трудности, сопротивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включения напряжения и принимаемый за сквозной ток

Rиз=U/ i ск (1.7)

Газы при небольших значениях напряженности электрического поля обладают малой проводимостью. Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Электропроводность газа, под действием внешних ионизаторов (рентгеновы лучи, ультрафиолетовые лучи, космические лучи, термическое воздействие (сильный нагрев газа)) называется несамостоятельной.

Электропроводность газа, обусловленная ударной ионизацией (возникает, когда кинетическая энергия заряженных частиц, приобретаемая под действием электрического поля, достигает больших значений) называется самостоятельной. В слабых полях ударная ионизация отсутствует.

Процесс воссоединения положительных ионов с отрицательными частицами называется рекомбинацией (образование нейтральных молекул).

Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги; в полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Невозможность полного удаления диссоциацией примесей из жидкого диэлектрика затрудняет получение электроизоляционных жидкостей с малыми значениями удельной проводимости.

Полярные жидкости всегда имеют повышенную проводимость по сравнению с неполярными, причем возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости. Сильно полярные жидкости отличаются настолько высокой проводимостью, что их рассматривают как проводники с ионной электропроводностью.

При длительном пропускании электрического тока через нейтральный жидкий диэлектрик наблюдается рост сопротивления за счёт электрической отчистки. С увеличением toС растёт подвижность ионов в связи с уменьшением вязкости, что повышает электропроводность.

Электропроводность твёрдых тел обуславливается передвижением, как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов.

При сильных электрических полях - электронная электропроводность преобладает. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. При электронной - этого явления нет. Наблюдается частичная электрическая очистка ионов примеси.В твёрдых диэлектриках ионного строения электропроводность возникает за счёт перемещения ионов, освобождаемых тепловым движением.

В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей, удельная проводимость их мала.

Для твердых электроизоляционных материалов необходимо различать объемную и поверхностную проводимость. Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием влаги или загрязнений на поверхности диэлектрика. Вода отличается, как указывалось выше, значительной удельной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная проводимость, определяемая в основном толщиной этого слоя. Однако, поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, поверхностную электропроводность обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем я лучше она отполирована.

Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери в диэлектриках наблюдается как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига ц между током и напряжением в емкостной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлектрических потерь д будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига ц и тем больше угол д и его функция tg д

Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия, и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором использован данный диэлектрик, а следовательно, и величину затухания.

При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно характеризовать это явление поляризации кривыми. представляющими зависимость электрического заряда на электродах конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения.

Рисунок 4 Зависимость заряда от напряжения для линейного диэлектрика без потерь (а), с потерями (б).

При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения (рис. а) и такой диэлектрик называется линейным. Если в линейном диэлектрике наблюдается замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рис.6), Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения напряжения.

Для нелинейного диэлектрика - сегнетоэлектрика - кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид петли гистерезиса, характерной для магнитных материалов и в этом случае площадь петли пропорциональна потерям энергии за один период.

При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указывалось выше, значениями объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Контрольные вопросы:

1. Электропроводность диэлектрика.

2. Основные понятия.

3. Диэлектрические потери.



Конспект лекции №3

Пробой диэлектриков. Общая характеристика явления пробоя. Виды пробоев

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, при превышении напряжения некоторого критического значения, теряет свойства электроизоляционного материала. Это явление называется пробоем диэлектрика или нарушение его электрической прочности. Соответствующее значение напряжения (критического) называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля - электрической прочностью диэлектрика.

(1.8)

где h - толщина диэлектрика.

Пробой газа обусловлен явлением ударной и фотонной ионизации. Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных и тепловых процессов. Пробой твердых тел может вызываться как электрическим, так и тепловым процессами, возникающими под действием поля.

Тепловой пробой возникает из-за уменьшения активного сопротивления диэлектрика под влиянием нагрева в электрическом поле вплоть до его термического разрушения. Электрический пробой связан с электронными процессами в диэлектрике, возникающими в сильном электрическом поле.

Пробой газов явление электрическое. Все численные результаты экспериментов относятся к амплитудным значениям напряжений. Тепловые процессы разрушают жидкие и твердые диэлектрики и численные значения Uпр относятся к действующим. Внешней изоляцией во многих видах электротехнической конструкции служит воздух. Электрическая прочность воздуха мала. Жидкие диэлектрики имеют более высокую, чем у газов, электрическую прочность в нормальных условиях.

Различают 4 вида пробоев твердых диэлектриков:

1. Электрический пробой однородных макроскопических диэлектриков (вид пробоя характеризуется быстрым развитием за время меньше 10-7 - 10-8 сек., не обусловлены тепловой энергией, хотя электрическая прочность зависит от температуры).

2. Электрический пробой неоднородных диэлектриков (тоже быстро развивается, характерен для технических диэлектриков, содержащие газовые включения).

3. Тепловой пробой (нарушается тепловое равновесие, когда количество теплоты, выделяемое за счет диэлектрических потерь, больше количества теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях, приводит к расплавлению и обугливанию).

4. Электрохимический пробой (возникает при электрохимическом старении: имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха, наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале происходит процесс старения диэлектрика). Это приводит к пробою при напряженности значительно ниже пробивной напряженности. Этот вид пробоя требует для развития длительное время.

Физико - химические и механические свойства диэлектриков

При выборе электроизоляционного материала для конкретного применения приходится обращать внимание не только на его электрические свойства в нормальных условиях, но рассматривать также их стабильность при воздействии влажности окружающего воздуха повышенных температур, мороза и радиоактивных излучений.

Нормальное использования изделия в большой степени зависит от механических свойств материалов: их прочности на растяжение, сжатие, изгиб, удар, твердости или эластичности.

В ряде случаев к изделиям, а, следовательно, в известной степени и к материалам предъявляются требования вибропрочности при различных амплитудах и частотах колебаний. Для деталей, в которых имеется сопряжение разных материалов, большое значение имеют температурные коэффициенты линейного расширения.

Разработка технологических процессов изготовления электрических машин и аппаратов также требует знания физических, механических и химических свойств (например, окисляемость, растворимость, склеиваемость) материалов.

Срок службы изделий в тропических условиях зависит от надежности химической защиты материалов против гнилостных бактерий, насекомых и образования плесени.

Влажностные свойства диэлектриков

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени гигроскопичны, т. е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т. е. способны пропускать сквозь себя пары воды.

Абсолютная влажность воздуха оценивают массой (m) водяного пара, содержащейся в единице объема воздуха (м3). Большого количества воды воздух содержать не может, и она выпадает в виде росы.

Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т. е. растет и давление водяных паров.

Относительной влажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение

(1.9)

Вода является сильно дипольным диэлектриком с низким удельным сопротивлением, порядка 103 - 104 Ом · м, а поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению их электрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенных температурах (30 - 400 С) и высоких значениях ц, близких к 98 - 100 %.

Подобные условия наблюдаются в странах с влажным тропическим климатом, причем в период дождей они могут сохраняться в течение длительного периода времени, что тяжело сказывается при эксплуатации электрических машин и аппаратов. В первую очередь воздействие повышенной влажности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении диэлектриков. Для предохранения поверхности электроизоляционных деталей из полярных твердых диэлектриков от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

При наличии в диэлектрике объемной открытой пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь материала.

Образец электроизоляционного материала, помещенный в условия определенной влажности и температуры окружающей среды, через неограниченно большое время достигает некоторого равновесного состояния влажности.

Определение влажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий, при которых производится испытание электрических свойств данного материала. Для текстильных и тому подобных материалов устанавливаются так называемое кондиционная влажность, соответствующая равновесной влажности материала при нахождении его в воздухе в нормальных условиях; так, для кабельной бумаги кондиционная влажность применяется равной 8 %. Большую роль играет наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения.

Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т. е. способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов (шланги кабелей, опрессовка конденсаторов, компаундные заливки, лаковые покрытия деталей).

Механические свойства диэлектриков

Поскольку детали из электроизоляционных материалов подвергаются воздействию механических нагрузок, большое практическое значение имеют механическая прочность этих материалов и способность их не деформироваться от механических напряжений.

Прочность на разрыв, сжатие и изгиб. Простейшие виды статических механических нагрузок - растягивающих, сжимающих и изгибающих - изучаются на основании элементарных закономерностей, известных из курса сопротивления материалов.

Для электроизоляционных материалов анизотропного строения (слоистых, волокнистых и т. п.) значения механической прочности сильно зависят от направления приложения нагрузки. Важно отметить, что для ряда диэлектриков (стекол, керамических материалов, многих пластмасс и др.) предел прочности при сжатии значительно больше, чем при разрыве и изгибе (в то время как у металлов величины ур, ус и уи имеют один и тот же порядок).

Определения предела прочности и относительной деформации при разрушении дает некоторое представление о механической прочности материала и его способности деформироваться под нагрузкой (о пластических свойствах материала). Так, для некоторых материалов (в особенности термопластичных) характерна способность при длительном воздействии сравнительно малых нагрузок давать заметные деформации. Это так называемое пластическое, или холодное, течение материала. Пластическое течение весьма нежелательно, если изделие в эксплуатации должно длительно сохранять неизменными форму и размеры.

В ряде случаев большое практическое значение имеют хрупкость, твердость и некоторые другие механические характеристики электроизоляционных материалов.

Хрупкость. Многие материалы хрупки, т. е., обладая сравнительно высокой прочностью по отношению к статическим нагрузкам, в то же время легко разрушаются динамическими (внезапно прилагаемыми) усилиями.

В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций, т. е. повторяющихся колебаний определенной частоты и амплитуды. Такая проверка чаще всего производится на готовых изделиях, которые для этой цели крепятся на платформах (вибростендах), подвергающихся вибрациям по заданному режиму от соответствующего приводного механизма.

Твердость. Твердость, т. е. способность поверхностного слоя материала противостоять деформации от сжимающего усилия, передаваемого посредством предмета малых размеров, имеет для диэлектриков менее существенное значение и определяется различными методами: для неорганических материалов - по минералогической шкале Мооса, для органических диэлектриков - по способу Бринелля или с помощью маятника Кузнецова.

Вязкость. Для жидких и полужидких электроизоляционных материалов, масел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов и т. п. важной механической характеристикой является вязкость.

Динамическая вязкость, или коэффициент внутреннего трения, жидкости представляет собой величину, входящую в целый ряд законов гидродинамики вязких сред, а именно в закон Пуазейля - истечения вязких жидкостей через капиллярные трубки, в закон стокса - движения шарика в вязкой среде под действием небольшой постоянной силы. Динамическая вязкость з в системе СИ измеряется в паскалях, умноженных на секунды. В системе единиц СГС динамическая вязкость выражается чаще всего в сантипуазах (сП):

1 Па · с = 10 П = 1000 сП. (1.10)

Кинематическая вязкость х равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности:

(1.11)

Как правило, закон изменения вязкости с температурой соответствует уравнению экспоненты

(1.12)

где А - постоянная, характеризующая данную жидкость; щ - энергия активации, равная работе перехода молекулы из одного устойчивого положения в другое.

Контрольные вопросы:

1. Пробой диэлектриков.

2. Общая характеристика явления пробоя. Виды пробоев.

3. Влажностные свойства диэлектриков. Влагопроницаемость.

4. Механические свойства диэлектриков. Прочность на разрыв, сжатие и изгиб. Хрупкость. Твердость. Вязкость.



Конспект лекции №4

Тепловые свойства диэлектриков

Нагревостойкость. Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры называют нагревостойкость. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве (определение «теплостойкости»).

Температурой вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения - еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается.

Если ухудшение качества изоляции может обнаружиться лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие медленно протекающих химических процессов, это явление называют тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и т. п.

Холодостойкость. Во многих случаях эксплуатации изоляции, скажем, изоляции оборудования открытых подстанции полевой аппаратуры связи, важна холодостойкость, т. е. способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах, например от - 60 до - 700 С. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.

Теплопроводность. Практическое значение теплопроводности объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляцией проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводность влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкости материала к тепловым импульсам. Теплопроводность материалов характеризуется теплопроводностью гТ, входящей в уравнения Фурье

(1.13)

где ДРт - мощность теплового потока сквозь площадку ДS, нормальную к потоку, dT/dl - градиент температуры.

Химические свойства диэлектриков и воздействие на материалы излучений высокой энергии

Химические свойства. Знание химических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации и для разработки технологии. Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химико-технологическими способами: склеивается, растворяется в растворителях с образованием лаков и т. д.

Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материла, соприкасающейся с растворителем. Легче всего растворяются вещества близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные - в нейтральных. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой - весьма трудно.

Воздействие излучений высокой энергии. В современной технике возможны такие условия использования электроаппаратуры, при которых она оказывается под кратковременным или длительным воздействием корпускулярных либо волновых радиоактивных излучений высокой энергии.

К корпускулярным излучениям относятся быстрые и медленные нейтроны, осколки ядер, б-частицы и в-лучи (электроны различных скоростей).

К волновым излучениям принадлежат г-лучи, жесткое и мягкое рентгеновские излучения. Интенсивность излучения измеряют в Вт/м2, а для нейтронов часто указывают плотность потока быстрых или медленных нейтронов сквозь 1 м2.

Энергия излучения, попадая на поверхность материала, убывает по мере проникновения в глубину по закону:

(1.14)

где Р0 - мощность дозы в воздухе у поверхности материала, х - глубина, м - эффективный коэффициент ослабления изучения в материале.

Эффективный коэффициент ослабления для простых веществ:

(1.15)

где л - длина волны излучения, Z - номер элемента в таблице Менделеева, с - плотность, К - коэффициент пропорциональности.

Классификация диэлектриков

Диэлектрические материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. К ним принадлежат электроизоляционные материалы; они используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Назначение электрической изоляции - не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использования электроизоляционных материалов.

Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры или иных факторов.

Электроизоляционные материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходной состоянии, во время введения их в изготовляемую изоляцию, является жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды).

Существуют и материалы со свойствами, промежуточными между свойствами органических и неорганических материалов: это элементоорганические материалы, в молекулы которых, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов, обычно не входящих в состав органических веществ и более характерных для неорганических материалов: Si, Al, P и др.

Необходимо иметь в виду, что электроизоляционные, механические, тепловые, влажностные и другие свойства диэлектриков заметно изменяются в зависимости от технологии получения и обработки материалов, наличия примесей, условий испытания и т. д. поэтому численные значения параметров материалов, приводимые в данной главе, во многих случаях следует рассматривать лишь как ориентировочные.

Газообразные диэлектрики

В числе газообразных диэлектриков прежде всего должен быть упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности даже помимо нашей воли, часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам.

В отдельных частях электрических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очагами образования ионизации.

При прочих равных условиях (при одинаковых давлении и температуре, форме электродов, расстоянии между ними и т. д.) различные газы могут иметь заметно различающиеся значения электрической прочности. Азот имеет практически одинаковую с воздухом электрическую прочность; он нередко применяется вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов и для других целей, поскольку, будучи близок по электрическим свойствам к воздуху, он не содержит кислорода, который оказывает окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы. Однако некоторые газы, имеющие высокую молекулярную массу и соединения, содержащие галогены (фтор, хлор и пр.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют заметно повышенную по сравнению с воздухом электрическую прочность. Так, гексафторид серы (шестифтористая сера) SF6 имеет электрическую прочность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха; в связи с этим гексафторид серы был назван впервые исследовавшим этот газ советским ученым Б. М. Гохбергом элегазом (сокращение от слов «электричество» и «газ»).

Особо большое значение в качестве низкотемпературного хладагента, в частности для устройств, использующих явление сверхпроводимости, имеет сниженный гелий. Гелий вообще представляет собой исключительно интересный материал, обладающий уникальными свойствами. Так, у него самая низкая по сравнению с другими газами (если не считать легкого изотопа того же элемента) температура сжижения (4,216 К при атмосферном давлений). Жидкий гелий имеет очень малую плотность (примерно в 8 раз меньше плотности воды при нормальной температуре; однако еще меньшей плотностью обладает жидкий водород).

Нефтяные электроизоляционные масла

Трансформаторное масло, которым заливают силовые трансформаторы, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике. Его назначение двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счет потерь в обмотках и сердечнике трансформатора.

Трансформаторные, а также другие нефтяные («минеральные») электроизоляционные масла получают из нефти посредством ее ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определенной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химически нестойких примесей путем обработки серной кислотой, затем щелочью, промывки водой и сушки.

Трансформаторное масло - это жидкость от почти бесцветной до темно-желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Нефти разных месторождений отличаются по своим параметрам и зависимостям этих параметров от температуры. Способность не выделять газов при старении в электрическом поле или даже поглощать ранее выделившиеся газы называется газостойкостью масла.

Регенерация начавшего стареть масла, т. е. удаления из него продуктов старения и восстановление исходных свойств, достигается обработкой масла адсорбентами (как говорилось выше, адсорбенты поглощают не только воду, но и другие полярные вещества; продукты старения масла является полярными примесями в неполярном масле).

Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых, предназначенных для компенсации индуктивного сдвига фаз. При пропитке бумажного диэлектрика повышается как его диэлектрическая проницаемость, так и электрическая прочность; то и другое дает возможность уменьшить габариты, массу и стоимость конденсатора при заданных рабочем напряжении, частоте и емкости. Конденсаторное масло сходно с трансформаторным, но не требует особо тщательной очистки адсорбентами.

Кабельное масло используется в производстве силовых электрических кабелей; пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают ее электрическую прочность, а также способствуют отводу тепла потерь. Кабельное масло бывает различных типов.

Для пропитки бумажной изоляции обычных силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках (кабели с вязкой пропиткой) чаще всего применяется масло марки МН-4 относительно малой вязкости (кинематическая вязкость не более 37 · 10-6 м2/с при +200 С и не более 9,6 · 10-6 м2/с при +500 С), в которой для повышения вязкости добавляется канифоль или синтетический загуститель.

Контрольные вопросы:

1. Тепловые свойства диэлектриков. Нагревостойкость. Холодостойкость. Теплопроводность.

2. Химические свойства диэлектриков и воздействие на материалы излучений высокой энергии.

3. Классификация электроизоляционных материалов.



Конспект лекции № 5

Растительные масла - вязкие жидкости, получаемые из семян различных растений. Их этих масел особо важны высыхающие масла, способные под воздействием нагрева, освещения, соприкосновение с кислородом воздуха и других факторов переходить в твердое состояние. Тонкий слой масла, налитый на поверхность какого-либо материала, высыхает и образует твердую блестящую, прочно пристающую к подложке электроизоляционную пленку.

Льняное масло золотисто-желтого цвета, получается из семян льна. Его плотность 0,93 - 0,94 Мг/м3, температура застывания - около минут 200 С.

Тунговое (древесное) масло получают из семян тунгового дерева, которое разводится на Дальнем Востоке и на Кавказе. Тунговое масло не является пищевым (как льняное) и даже токсично.

Касторовое масло получается из семян клещевины; иногда используется для пропитки бумажных конденсаторов. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте. В отличие от нефтяных масел касторовое не вызывает набухания обычной резины.

Электроизоляционные лаки и компаунды. В процессе изготовления изоляции их используют в жидком виде, но в готовой, работающей изоляции они находятся уже в твердом состоянии. Таким образом, лаки и компаунды являются твердеющими материалами.

Лаки - это коллоидные растворы смол, битумов, высыхающих масел, составляющие так называемую лаковую основу в летучих растворителях. При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуя (в тонком слое) лаковую пленку.

Пропиточные лаки служат для пропитки пористой, и в частности волокнистой, изоляции (бумага, картон, пряжа, ткань, изоляция обмоток электрических машин и аппаратов). После пропитки поры в изоляции оказываются заполненными уже не воздухом, а высохшим лаком, имеющим значительно более высокую электрическую прочность и теплопроводность, чем воздух. Поэтому в результате пропитки повышается пробивное напряжение, увеличивается теплопроводность (это важно для отвода тепла потерь), уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции.

Покровные лаки служат для образования механически прочной, гладкой, блестящей, влагостойкой пленки на поверхности твердой изоляции (часто - на поверхности предварительно пропитанной пористой изоляции). Такая пленка повышает напряжение поверхностного разряда и поверхностное сопротивление изоляции, создает защиту лакируемого изделия от действия влаги, растворителей химически активных веществ, а также улучшает внешний вид изделия и затрудняет приставание к нему загрязнений.

К покровным лакам принадлежат также пигментированные эмали; это - лаки, в состав которых входит пигмент, т. е. порошок неорганического состава (обычно - оксиды металлов), принадлежащий пленке определенную окраску, улучшающий ее механическую прочность, теплопроводность и адгезию к поверхности, на которую нанесен лак.

Масляные лаки. Основу этих лаков составляют высыхающие масла. В их состав входят также сиккативы, ускоряющие процесс отверждения пленки, и растворители (бензин или керосин, иногда с примесью ароматических углеводородов).

...