Ele-prof.ru

Электро отопление
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электрическое поле в диэлектриках с неоднородной структурой

Электрическое поле в диэлектриках с неоднородной структурой

Кислякова, Е. В. Электрическое поле в диэлектриках с неоднородной структурой / Е. В. Кислякова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2012. — № 12 (47). — С. 6-10. — URL: https://moluch.ru/archive/47/5762/ (дата обращения: 22.12.2021).

Поляризационные процессы в неоднородных диэлектриках лежат в основе многих явлений, происходящих в изоляционной системе высоковольтных трансформаторов и позволяющих оценивать их состояние и срок службы. Вследствие применения электроизоляционных материалов с различными диэлектрическим свойствами и наличия включений изоляция высоковольтного оборудования имеет неоднородную структуру. У силовых трансформаторов неоднородность образуется за счет чередующихся слоев твердой (электротехнический картон) и жидкой (трансформаторное масло) изоляции, газонаполненных сферических включений и др. [1, с. 17].

Рассмотрим более подробно, как изменяется внешнее электрическое поле в диэлектриках с неоднородной структурой.

1. Электрическое поле в двухслойном диэлектрике в случае отсутствия токов проводимости.

Поместим двухслойный диэлектрик между обкладками плоского конденсатора. Введем обозначения: толщина первого слоя диэлектрика , диэлектрическая проницаемость , второго слоя соответственно и . Будем рассматривать идеальный случай, когда ток проводимости отсутствует и проводимости слоев диэлектрика равны нулю .

Зарядим конденсатор, подключив к его обкладкам источник постоянного напряжения . На обкладках конденсатора появятся заряды противоположных знаков (рис.1), которые создадут электрическое поле , где – расстояние между обкладками конденсатора.

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, созданном обкладками конденсатора, поляризуется и на его границах появляются связанные заряды. Эти заряды создают собственное электрическое поле, которое направлено противоположно внешнему полю и поэтому должно его ослаблять. Вычислим электрические поля и в слоях диэлектрика.

Так как разность потенциалов на границах первого слоя диэлектрика , второго слоя диэлектрика , а разность потенциалов между обкладками конденсатора , то

Величина вектора электрического смещения не зависит от среды, в которой создается электрическое поле, поэтому , следовательно:

Решая систему уравнений (1) и (2), получим выражения для электрических полей в слоях диэлектрика:

Таким образом, электрические поля в слоях диэлектрика зависят от толщины слоев и их диэлектрических проницаемостей.

Рассмотрим частный случай, когда и уравнения (3) переходят в (4):

Если между слоями электротехнического картона ( ) находится тонкий слой трансформаторного масла ( ) [1, с.18], то напряженность электрического поля в масле , то есть в тонкой прослойке масла электрическое поле увеличивается в 1,45 раза. Если же слои электротехнического картона разделены тонкой воздушной прослойкой ( ), то напряженность электрического поля в воздухе , то есть увеличивается в 4 раза.

2. Электрическое поле в двухслойном диэлектрике при наличии токов проводимости.

Перейдем от идеального случая к реальному, когда слои диэлектрика обладают удельными проводимостями и соответственно.

Плотность тока в диэлектрике может быть определена как сумма плотности тока проводимости и плотности тока смещения . Тогда для первого и второго диэлектриков получим соответственно: и .

Так как слои диэлектрика можно рассматривать как соединенные последовательно, то , и, следовательно

Для нахождения электрических полей в слоях диэлектрика решим систему уравнений (1) и (5), в результате получим:

Коэффициент определим из начальных условий: при . Тогда и для электрического поля внутри первого слоя диэлектрика получим формулу:

Аналогичная формула получается для электрического поля внутри второго слоя диэлектрика:

По прошествии большого промежутка времени , когда конденсатор полностью зарядится, для электрических полей в слоях диэлектрика получим следующие формулы [2, с. 13]:

Рассмотрим частный случай, когда и уравнения (8) переходят в уравнения (9):

Если между слоями электротехнического картона ( ) находится тонкий слой трансформаторного масла ( ) [3, с. 169], то напряженность электрического поля в масле . Таким образом, в соответствии с теоретическим расчетом, электрическое поле в масле может в 10 раз превышать внешнее электрическое поле.

3. Электрическое поле в трехслойном диэлектрике в случае отсутствия токов проводимости.

Перейдем от конденсатора с двухслойным диэлектриком к более сложной ситуации – конденсатору с трехслойным диэлектриком. Толщина третьего слоя диэлектрика , диэлектрическая проницаемость . Сначала рассмотрим простой случай, когда проводимость слоев диэлектрика и ток проводимости отсутствует. Тогда уравнения (1) и (2) преобразуются соответственно в уравнения (10) и (11):

Решая систему уравнений (10) и (11) получим систему уравнений (12):

Аналогично ситуации с двухслойным диэлектриком рассмотрим частный случай, когда и , тогда уравнения (12) переходят в уравнения (13):

Пусть слой электротехнического картона ( ) находится между тонкими слоями трансформаторного масла ( ), тогда напряженность электрического поля в слоях масла будет равна . Полученный результат согласуется со значением электрического поля в одиночном тонком слое масла, примыкающем к электротехническому картону.

4. Электрическое поле в трехслойном диэлектрике при наличии токов проводимости.

Перейдем от идеального случая к реальному, когда слои диэлектрика обладают удельными проводимостями , и соответственно. Тогда вместо уравнения (5) получим систему из двух уравнений:

Решая систему уравнений (10) и (14) можно получить выражения для электрических полей в трехслойном диэлектрике. Однако решение системы уравнений для трехслойного диэлектрика достаточно сложно и громоздко, поэтому ограничимся рассмотрением частного случая.

Пусть слой электротехнического картона, предназначенный для трансформаторов с масляным наполнением, толщиной [4], диэлектрической проницаемостью и средней проводимостью окружен с двух сторон тонкими слоями трансформаторного масла толщиной , диэлектрической проницаемостью , удельной проводимостью . Решая систему дифференциальных уравнений (10), (14) численно для данного частного случая получим, что напряженность электрического поля в тонких слоях трансформаторного масла , то есть в 10 раз превышает напряженность внешнего электрического поля.

5. Электрическое поле в газонаполненных сферических включениях.

Рассмотрим, как изменяется внешнее электрическое поле внутри газонаполненных сферических включении, например воздушных пора в масляном или бумажном слоях изоляции. На внешних границах поры, вследствие поляризации и ориентации дипольных моментов молекул диэлектрика по направлению внешнего поля, появляются связанные заряды. Эти заряды создают электрическое поле, нормальная составляющая напряженности которого внутри поры будет равна и сонаправлена с внешним полем (рис. 2). Поэтому внутри полости будет существовать электрическое поле .

Так как газ, которым заполнена пора, является диэлектриком, то он тоже будет поляризоваться и на внутренней границе полости появятся связанные заряды (рис. 2). Эти связанные заряды создадут электрическое поле , нормальная составляющая которого направлена против поля . Таким образом, внутри газовой поры будет существовать электрическое поле .

Для нахождения напряженности электрического поля внутри газонаполненного сферического включения воспользуемся формулой (15) [5, с. 151]:

где – диэлектрическая проницаемость газа, заполняющего пору, – диэлектрическая проницаемость внешнего диэлектрика.

Пусть сферическая пора, заполненная воздухом с , находится в трансформаторном масле с , тогда напряженность электрического поля в поре составит . Если сферическая пора, заполненная воздухом ( ), находится в бумажном слое изоляции ( ), то напряженность электрического поля в воздухе . Таким образом, напряженность электрического поля внутри газонаполненного сферического включения будет больше, чем напряженность внешнего электрического поля.

Вывод. Вопреки распространенному мнению, в соответствии с которым внешнее электрическое поле в диэлектрике ослабляется, в диэлектриках с неоднородной структурой внешнее электрическое поле может усиливаться. В тонких слоях неоднородного диэлектрика, расположенных перпендикулярно к направлению поля, а также в газонаполненных сферических включениях электрическое поле может в несколько раз превышать внешнее. Данное явление негативно сказывается на качестве электроизоляционной системы высоковольтных трансформаторов и может приводить к возникновению таких нежелательных дефектов, как частичные разряды и пробой электроизоляционных промежутков. Образование воздушных пор в бумажной составляющей изоляции может приводить к возникновению частичных разрядов в воздушных промежутках, и, как следствие, разрушению структуры целлюлозы и повреждению изоляции.

Вдовико В.П. Частичные разряды в диагностировании высоковольтного оборудования. – Новосибирск: Наука, 2007. – 155 с.

Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область слабых полей) Т. 1. –М.: Государственное изд-во Технико-технической литературы, 1949. – 500 с.

Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. – М.: Высшая школа, 2004. – 519 с.

Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают?

Мы привыкли считать, что потери электрической энергии происходят в проводниках из-за сопротивления. Это верно, но существуют ещё диэлектрические потери. Они хоть и незначительны, но при определённых условиях их влияние может оказаться ощутимым. О потерях энергии в диэлектрической среде первыми обеспокоились энергетики, применявшие в качестве диэлектрика трансформаторное масло.

Что такое диэлектрические потери?

Применение электроизоляционных материалов основано на том, что они препятствуют электрическому току преодолевать некоторое пространство, ограниченное изолятором. Идеальный изолятор должен абсолютно исключить условия для проводимости электрического тока. К сожалению, в природе не существует таких материалов. Таких диэлектриков также не сумели создать в лабораторных условиях.

Теоретически можно обосновать существование идеальных изоляторов, но синтезировать на практике такие вещества не реально, так как даже ничтожно малая доля примесей образует диэлектрическую проницаемость. Иначе говоря, рассеяния энергии в диэлектрической среде будут наблюдаться всегда. Речь может идти об усилиях, направленных на уменьшение таких потерь.

Исходя из того, что часть электроэнергии неизбежно теряется в изоляторе, был введён термин «диэлектрические потери» – необратимый процесс преобразования в теплоту энергии электрического поля, пронизывающего диэлектрическую среду, То есть, это электрическая мощность, направленная на нагревание изоляционного материала, пребывающего в зоне действия электрического поля.

Значение потерь определяется как отношение активной мощности к реактивной. Обычно активная мощность, потребляемая диэлектриком очень мала, по сравнению с реактивной мощностью. Это значит, что искомая величина тоже будет мизерной – сотые доли от единицы. Для вычислений используют величину «тангенс угла», выраженную в процентах.

Электрическую характеристику, выражающую рассеивающее свойство диэлектрика, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. При расчётах принято считать, что диэлектрик является изоляционным материалом конденсатора, меняющего ёмкость и дополняющий до 90º угол сдвига фаз φ, образованный векторами напряжения и тока в цепи. Данный угол обозначают символом δ и называют углом рассеивания, то есть, диэлектрических потерь. Величина, численно равна тангенсу данного угла ( tgδ ), это и есть та самая характеристика диэлектрического нагрева.

tgδ применяется в расчётах для определения величины рассеиваемой мощности по соответствующей формуле. Поэтому его вычисление имеет практическое значение. Введение понятия тангенса угла позволяет вычислять относительные значения диэлектрических потерь. А это позволяет сравнивать по качеству различные изоляторы.

Именно этот показатель или просто угол δ производители трансформаторных масел указывают на упаковке своей продукции. По величине угла ( tg δ ) можно судить о качестве изолятора: чем меньше угол δ, тем высшие диэлектрические свойства проявляет изоляционный материал.

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.

Эквивалентные схемы диэлектрика Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрика Формулы для расчетаРис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Заметим, что в качественных диэлектриках величина tg 2 δ очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул для вычисления диэлектрических потерь приобретёт вид: Pa = U 2 *ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту ( ω ) в с -1 , а ёмкость C в фарадах, то получим мощность ( Pa ) в ваттах.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются. Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.

При таких диэлектрических потерях мощность стремительно растёт: Ри = А1 f (U – Uи) 3 , где А1 постоянная, зависящая от вида вещества, f — частота поля, а символами U, Uи обозначено приложенное напряжение и напряжение ионизации, зависящее от давления газа.

Если величина напряжения Uи не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.

Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.

Зависимость тангенса угла изоляторов с воздушными включениями от напряжения

Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью. При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным. Это связано с повышением электропроводности, в результате дипольно-релаксационной поляризации.

Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:

  • сера;
  • полимеры;
  • парафин и некоторые другие.

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

  • органические стёкла;
  • эбонит и другие каучуковые вещества;
  • полиамиды;
  • целлюлозосодержащие материалы;
  • фенолоформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную ионно-решётчатую структуру. У них высокое удельное сопротивление. а значение tg δ таких материалов не превышает величины 10 -3 .

Вещества с неплотным расположением ионов обладают ионной поляризацией. У них наблюдается также электронно-поляризационная поляризация. tg δ этих диэлектриков ещё выше – от 10 -2 .

Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют tg δ > 0,1.

Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.

Виды диэлектрических потерь

В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектриков различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:

  • ионизационные потери, наблюдаемые в газах;
  • релаксационные потери в жидких (вязких) диэлектриках, в результате релаксационной поляризации;
  • рассеяние в веществах, имеющих дипольную поляризацию;
  • поляризационное рассеивание в веществах, имеющих сквозную электропроводность;
  • высокочастотные резонансные потери;
  • диэлектрические потери, вызванные неоднородностью структуры твердых диэлектриков.

Диэлектрические вещества по-разному ведут себя при различных температурах, при постоянном или переменном токе. Максимумы потерь происходят при достижении определённого порога температуры. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ зависит также от приложенного напряжения (рис. 4).

Зависимость тангенса угла от напряжения

Рис. 4. Зависимость тангенса угла от напряжения

Чем измерить?

Рассчитывать потери диэлектриков по формуле не очень удобно. Часто величину tg производители определяют опытным путём и указывают на упаковках или в справочниках.

Существуют специальные измерительные приборы, такие как «ИПИ – 10» (производитель Tettex), «Тангенс – 3М» или измеритель «Ш2», позволяющие с высокой точностью определить уровень рассеивания в диэлектриках либо найти тангенс угла рассеяния. Устройства довольно компактны и просты в работе. С их помощью можно исследовать свойства твёрдых и жидких веществ на предмет диэлектрических потерь.

Электропроводность диэлектриков. Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. Электрический ток – направленное движение заряженных. — презентация

Презентация на тему: » Электропроводность диэлектриков. Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. Электрический ток – направленное движение заряженных.» — Транскрипт:

2 Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. Электрический ток – направленное движение заряженных частиц. В диэлектриках возможно присутствие: свободных зарядов; связанных зарядов. Направленное перемещение связанных зарядов называется током смещения ( i см ) или абсорбционным током ( i аб ). Направленное движение свободных зарядов называется сквозным током ( i скв ).

3 Наличие абсорбционного тока в диэлектрике обусловлено происходящими в нем поляризационными процессами: либо мгновенно протекающими ( ÷ с), либо замедленно ( релаксационные виды поляризации). i см =i аб =i мгн +i р При приложении к диэлектрику электрического поля постоянного напряжения абсорбционный ток протекает только в момент приложения и снятия напряжения. При переменном напряжении i аб протекает постоянно.

4 Ток, протекающий в диэлектрике, называется током утечки ( i ут ). Ток утечки представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции: i ут =i скв +i аб

5 Электропроводность диэлектриков носит, в основном, ионный характер. Ионы переносят с собой часть вещества. Сопротивление изоляции определяется величиной сквозного тока: Ток, измеренный через 1 минуту после приложения к диэлектрику постоянного напряжения, принимается за сквозной ток.

6 Для твердых диэлектриков различают объемную и поверхностную проводимость. Для количественной оценки способности материала проводить электрический ток используются: у дельное объемное сопротивление (ρ) или удельная объемная проводимость (γ) ; R – объемное сопротивление образца, Ом ; S – площадь электрода, м 2 ; h – площадь образца, м.

8 В процессе эксплуатации диэлектрика сквозной ток через него либо увеличивается, либо уменьшается. Увеличение сквозного тока говорит об участии в электропроводности зарядов, являющихся структурными элементами самого материала, т. е. об изменении химического состава материала – старении изоляции (необратимом ухудшении изоляционных свойств). Уменьшение сквозного тока говорит об электрической очистке материала за счет удаления примесей (ионы примесей переносят с собой часть вещества). Электропроводность диэлектриков зависит от : агрегатного состояния вещества; влажности; температуры.

9 Электропроводность газов Электропроводность газов очень мала при небольших значениях напряженности электрического поля. Ток в газах возникает при появлении в них ионов или свободных электронов за счет ионизации молекул. Ионизация молекулы – это распад молекулы на электрон и положительно заряженный ион.

10 Ионизация нейтральных молекул газа возникает : Под действием внешних факторов: рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, нагрев, радиоактивные излучения и т. п. Вследствие соударения разогнанных электрическим полем заряженных частиц с молекулами.

11 Электропроводность газов, обусловленная воздействием внешних факторов, называется несамостоятельной. В 1 см 3 газа при нормальных условиях ежесекундно образуется от 3 до 5 пар заряженных частиц. Часть из них исчезает – рекомбинирует ( положительно заряженный ион и свободный электрон при столкновении образуют нейтральную молекулу). Электропроводность газов, обусловленная ионизацией молекул под действием электрического поля, называется самостоятельной. Самостоятельная электропроводность проявляется только в сильных электрических полях.

12 Виды ионизации молекул Ударная ионизация – распад молекулы при соударении с электроном, если энергия приобретенная им под действием электрического поля достаточна для ионизации молекулы. Фотонная ионизация – ионизация молекулы за счет захвата фотонов. За счет захвата молекулой электрона при их столкновении образуются отрицательные ионы (только для электроотрицательных газов).

13 Зависимость тока в газах от напряжения

14 Пояснение графика зависимости тока от напряжения I участок кривой ( до напряжен ия насыщения — U н ) выполняется закон Ома – ток пропорционален напряжению; II участок (горизонтальный): при напряжении U н скорость дрейфа ионов настолько возрастает, что вероятность их рекомбинации уменьшается, и, в основном, все ионы устремляются к электродам. Плотность тока насыщения

А/м 2, достигается ток насыщения в воздухе при h=10 мм и E=0,6 В/м. III участок: при напряжении, большем напряжения ионизации ( U и ) возникает ударная ионизация и проявляется самостоятельная электропроводность. Для воздуха Е и =10 5 ÷10 6 В/м.

15 Электропроводность жидкостей Характер электропроводности зависит от строения жидкого диэлектрика: В неполярных – электропроводность обусловлена наличием примесей, особенно влаги: В полярных – наличием примесей и диссоциацией молекул самой жидкости Жидкий диэлектрик Особенности строения ρ, Ом м Ɛ трансформаторное масло неполярный ÷ ,2 соволполярный 10 8 ÷ ,5 дистиллированная вода сильнополярный 10 3 ÷ ,0

16 Возрастание диэлектрической проницаемости приводит к росту проводимости жидких диэлектриков ( Ɛγρ). Сильнополярные жидкости отличаются настолько высокой проводимостью, что являются уже не диэлектриками, а проводниками с ионной электропроводностью. Очистка жидких диэлектриков от содержащихся в них примесей значительно повышает их ρ. При длительном протекании тока через неполярный жидкий диэлектрик возможно увеличение сопротивления за счет переноса свободных ионов примесей к электродам (электрическая очистка).

17 При повышении температуры проводимость жидких диэлектриков увеличивается по экспоненте: γ=γ 0 exp αt, где — проводимость жидкого диэлектрика при 0 градусов Цельсия; a – постоянная ; t – температура нагрева диэлектрика. Зависимость тока от приложенного напряжения для жидких диэлектриков

18 Коллоидные системы Эмульсии (оба компонента — жидкости); Суспензии (твердые частицы в жидкости); Аэрозоли (твердые и жидкие частицы в газе). В коллоидных системах частицы одного из компонентов очень малы и распылены в объеме основного элемента. Частицы распыленного компонента спонтанно приобретают заряд и ведут себя как свободные носители заряда – миллионы. Направленное перемещение миллионов называется молионной или электрофоретической электропроводностью.

19 Электропроводность твердых диэлектриков Электропроводность твердых диэлектриков обусловлена: Перемещением ионов самого диэлектрика; Перемещением ионов примесей; Перемещением свободных электронов – электронная электропроводность проявляется только в сильных электрических полях. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества. В процессе прохождения тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примеси могут частично удаляться, оседая на электродах.

20 Электропроводность твердых диэлектриков зависит от их строения: В диэлектриках ионной структуры электропроводность обусловлена перемещением ионов, которые освобождаются в результате теплового движения: при низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы примесей; при высоких температурах освобождаются ионы из узлов кристаллической решетки – электрохимическое старение вещества. В диэлектриках атомарной или молекулярной структуры электропроводность обусловлена только наличием примесей (примесная электропроводность)

21 Особенности электропроводности твердых диэлектриков Проводимость аморфных твердых диэлектриков одинакова во всех направлениях (парафин, полистирол, ФФС – фенолформальдегидная смола); Проводимость твердых диэлектриков неодинакова по разным осям кристалла (для кварца различается более, чем в 1000 раз); Наличие влаги в пористых диэлектриках приводит к резкому увеличению проводимости.

22 Зависимость тока в твердых диэлектриках от напряженности поля I участок – соблюдается закон Ома ; II участок – проявляется электронная электропроводность ( Е кр =10÷100 мВ/м )

23 Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги или загрязнением диэлектрика. Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика зависит от относительной влажности воздуха и структуры материала.

24 Выводы по теме «Электропроводность» Диэлектрики, используемые в качестве изоляционных материалов, обладают высокими значениями ρ, т. е. практически не проводят электрический ток. Малые токи, протекающие в диэлектрике, называются токами утечки. Электропроводность в диэлектриках носит преимущественно ионный характер и только в сильных электрических полях становится электронной. В слабых электрических полях в диэлектриках проявляется несобственная (примесная) электропроводность.

25 В сильных электрических полях при U>Uи проявляется собственная электропроводность, обусловленная развитием ударной и фотонной ионизацией. В сильных электрических полях при U>Uи проявляется собственная электропроводность, обусловленная развитием ударной и фотонной ионизацией. Электропроводность диэлектриков зависит от их строения и агрегатного состояния. Электропроводность диэлектриков зависит от их строения и агрегатного состояния. В жидких диэлектриках, представляющих собой коллоидные системы (лаки, компаунды, увлажненное масло), проявляется миллионная или электрофоретическая электропроводность В жидких диэлектриках, представляющих собой коллоидные системы (лаки, компаунды, увлажненное масло), проявляется миллионная или электрофоретическая электропроводность Свободные ионы переносят с собой часть вещества Свободные ионы переносят с собой часть вещества Для твердых диэлектриков характерна поверхностная проводимость, зависящая от строения диэлектрика и условий его эксплуатации Для твердых диэлектриков характерна поверхностная проводимость, зависящая от строения диэлектрика и условий его эксплуатации

26 γ зависит от температуры: с увеличением t проводимость возрастает по экспоненциальному закону, т. к. увеличивается число свободных носителей зарядов Закон Ома справедлив для жидких и твердых диэлектриков только в слабых электрических полях, а для газов – в очень слабых Сквозной ток характеризует состояние изоляции (ее сопротивление) Увеличение i скв «говорит» об уменьшении R из

27 Уменьшение iскв «говорит» об увеличении Rиз за счет электрической очистки диэлектрика Уменьшение iскв «говорит» об увеличении Rиз за счет электрической очистки диэлектрика Необратимое уменьшение Rиз является признаком старения изоляции (необратимого ухудшения ее изоляционных свойств) Необратимое уменьшение Rиз является признаком старения изоляции (необратимого ухудшения ее изоляционных свойств)

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под воздействием тепловой энергии комнатной температуры. Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами.

Проводники и диэлектрики

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень маленькую свободу передвижения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои атомы и перейти к атомам другого материала, они не так легко перемещаются между атомами внутри самого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость (электропроводность). Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками. Ниже приведено несколько распространенных примеров проводников и диэлектриков:

  • серебро
  • медь
  • золото
  • алюминий
  • железо
  • сталь
  • латунь
  • бронза
  • ртуть
  • графит
  • недистилированная вода
  • бетон
  • стекло
  • резина
  • масло
  • асфальт
  • оптоволокно
  • фарфор
  • керамика
  • кварц
  • (сухой) хлопок
  • (сухая) бумага
  • (сухое) дерево
  • пластмасса
  • воздух
  • алмаз
  • дистилированная вода

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково устойчивы к движению электронов. Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, – «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал. Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Также следует понимать, что некоторые материалы в зависимости от условий изменяют свои электрические свойства. Стекло, например, является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов при нагревании становятся худшими проводниками, а при охлаждении – лучшими. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью) при чрезвычайно низких температурах.

Поток электронов / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут двигаться через проводящий материал и согласованным образом. Это движение электронов в заданном направлении мы называем электричеством или электрическим током. Точнее, это можно назвать динамическим электричеством в противоположность статическому электричеству, которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Подобно воде, протекающей через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон планомерно движется через проводник, он толкает электрон впереди, и поэтому все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по всей длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника до другого, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия – трубка, полностью заполненная шариками:

Рисунок 1 – Трубка с шариками, как аналогия потока электронов Рисунок 1 – Трубка с шариками, как аналогия потока электронов

Трубка наполнена шариками, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под действием внешнего воздействия. Если один шарик вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 300 000 километров (

186 000 миль) в секунду. Однако каждый отдельный электрон движется через проводник гораздо медленнее.

Поток электронов через провод

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь, точно так же, как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, куда он хочет. Чтобы облегчить это, изготавливаются провода самых разных размеров из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с трубкой, шарики могут втекать в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны для вытекания шариков. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «накапливаться» внутри трубки, и «потока» шариков не будет. То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, разрешающего этот поток. Давайте посмотрим на рисунок, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Рисунок 2 Провод Рисунок 2 – Провод

Тонкая сплошная линия (показанная выше) является условным обозначением непрерывного отрезка провода. Поскольку провод сделан из проводящего материала, такого как медь, составляющие его атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда идти. Давайте добавим гипотетические «источник» и «пункт назначения» электронов:

Рисунок 3 Источник и пункт назначения электронов Рисунок 3 – Источник и пункт назначения электронов

Теперь, когда источник электронов заталкивает новые электроны в провод слева, может возникать поток электронов через провод (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, будет нарушен:

Рисунок 4 Нарушение потока электронов через провод Рисунок 4 – Нарушение потока электронов через провод

Электрическая непрерывность

Поскольку воздух является изолирующим материалом, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь был разорван, и электроны теперь не могут течь от источника к пункту назначения. Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее концов в месте разрыва: вода не может течь, если нет выхода из трубы. С точки зрения электричества, у нас было состояние электрической непрерывности, когда провод был целым, а теперь эта непрерывность нарушаена из-за того, что провод разрезан и разделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к пункту назначения, и просто создадим физический контакт с проводом, ведущим к источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов. Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками проводов:

Рисунок 5 Соединение металла с металлом Рисунок 5 – Соединение металла с металлом

Теперь у нас снова есть непрерывность от источника до нового созданного соединения, вниз, вправо и вверх до пункта назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый отрезок трубы к месту назначения. Обратите внимание на то, что через нарушенный отрезок провода с правой стороны не проходят электроны, потому что он больше не является частью полного пути от источника к пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за продолжительных потоков. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать в проводнике тепло. Эту тему мы рассмотрим более подробно позже.

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Sma розетка uhf вилка
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector