Поляризация диэлектриков

В рабочем режиме электрооборудования электроизоляционные конструкции являются средой электрического поля. В простейшем виде диэлектрик между двумя токоведущими деталями представ­ляет собой конденсатор.

Под воздействием электрического поля диэлектрик поляризу­ется – происходит смещение электрических зарядов в атомах, ионах и молекулах. Это смещение зарядов и, следовательно, появ­ление соответствующего тока возникает в направлении поля и сле­дует за каждым изменением приложенного напряжения. По при­роде электрических зарядов и структур молекул различают три ос­новных вида поляризации: электронную, ионную и дипольную.

Электронная поляризация обусловлена смещением электронов, упруго связанных в атомах или ионах, в направлении, обратном направлению электрического поля. Электронная поляризация на­блюдается у всех видов диэлектриков независимо от их физическо­го состояния и структуры и происходит почти мгновенно в течение 10^-15…10^-13 с. Эта поляризация, являясь вполне упругой, не сопро­вождается потерей энергии.

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обусловливается смещением упруго связанных ионов. Величина поляризуемой частицы с повышением температуры возра­стает в результате расширения тела, увеличения расстояния между частицами и ослабления упругих сил, действующих между ионами. Время установления ионной поляризации не превышает 10-¹³ с. В большинстве случаев ионная поляризация сопровождается весь­ма малым рассеянием энергии.

Дипольная поляризация отличается от электронной и ионной тем, что она связана с тепловым движением частиц. Во многих диэлектриках в различном агрегатном состоянии – и в газооб­разном, и в жидком, и в твердом – молекулы, если они имеют несимметричную структуру, обладают электрическим дипольным моментом при отсутствии внешнего электрического поля. У таких молекул центры положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга на некоторое расстояние. Дипольные, или, как их еще называют, полярные, молекулы поляризованы са­мопроизвольно, спонтанно, без воздействия электрического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом дви­жении, частично ориентируются под воздействием поля, что и яв­ляется причиной поляризации.

Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля.

С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать дипольную поляризацию, однако в это же время возрастает энергия теплового движения молекул, что умень­шает ориентирующее влияние поля. В связи с этим степень дипольной поляризации с увеличением температуры сначала возра­стает, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения. Затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, степень дипольной поляризации с ростом температуры начинает уменьшаться.

Поворот диполей в направлении поля требует определенного времени даже при газообразном состоянии вещества. В вязких жидкостях и твердых телах сопротивление поворотам молекул настолько велико, что при быстро переменных полях диполи не ус­певают ориентироваться и дипольная поляризация уменьшается с увеличением частоты приложенного напряжения. Кроме того, время дипольной поляризации определяется размером молекулы, оно тем больше, чем крупнее молекула.

Дипольная поляризация сопровождается рассеиванием энер­гии. В диэлектрике, находящемся в переменном электрическом поле промышленной частоты, электронная и ионная поляризация за полупериод тока успевает устанавливаться, а дипольная поля­ризация может не установиться. Для того чтобы она установилась, необходимо, чтобы время полупериода переменного тока было больше времени, за которое происходит поворот дипольных мо­лекул. Таким образом, от частоты переменного тока и температуры диэлектрика зависит только дипольная поляризация. Выше были рассмотрены три основных вида поляризации, характерных для диэлектриков простой структуры. В веществах более сложного строения обнаруживается еще один вид поляризации – структурная. Структурная поляризация наблюдается только в твердых дипольных телах (аморфных и кристаллических) и в ионных вещест­вах с аморфной структурой (неорганические стекла). Теория структурной поляризации основывается на неоднородном строении частиц и подчиняется тем же законам, что и теория дипольной по­ляризации.

Близка по существу протекающих явлений к структурной поля­ризации ионно-релаксационная поляризация. Она заключается в образовании пространственных поляризационных зарядов внутри диэлектрика за счет переброса электрическим полем неупруго связанных ионов, имеющих с соседними частицами данного тела ослабленные связи. В кристаллических телах эти явления могут происходить за счет различных примесей или нарушений законо­мерностей роста кристалла при его образовании. Под действием поля образуются пространственные заряды: положительные в зоне отрицательного заряда, отрицательные в зоне положительного. Из­менение зарядов во времени обусловливает появление добавочного тока ионно-релаксационной поляризации. Неупругий характер перемещения ионов при ионно-релаксационной поляризации свя­зан с необратимым поглощением энергии вследствие образования добавочных зарядов за счет переброса ионов, частиц со сравни­тельно большой массой, на довольно большие расстояния. Время установления ионно-релаксационной поляризации больше времени установления поляризации ионного смещения и различно для раз­ных диэлектриков.

Ионно-релаксационная поляризация так же, как и ионная, за­висит от температуры. Добавочная поляризация может наблюдать­ся в сложных диэлектриках. Например, в слоистой изоляции проис­ходит междуслойная поляризация, которая проявляется в случае, если диэлектрики слоев имеют различные значения электрических характеристик.

Помимо названных выше, у сегнетодиэлектриков наблюдается спонтанная (самопроизвольная) поляризация. В отличие от поляр­ных диэлектриков, у которых самопроизвольно поляризованы мо­лекулы, сегнетодиэлектрики имеют самопроизвольно поляризован­ные области (домены), элементарные ячейки кристаллической ре­шетки. Под влиянием приложенного напряжения происходит одно­образная ориентация дипольных моментов доменов (целых облас­тей) – спонтанная поляризация, которая приводит к созданию очень большого суммарного электрического момента и большому поляризационному заряду, а следовательно, большому емкостному току. Сегнетодиэлектрическими свойствами обладают некоторые неорганические кристаллы. Подробные характеристики некоторых сегнетодиэлектриков будут рассмотрены ниже.

При длительном воздействии сильного постоянного поля при соответствующих условиях у органических воскообразных сильно – полярных диэлектриков, а также неполярных органических и даже неорганических, в частности керамических, диэлектриков происхо­дит электретная поляризация. Диэлектрик приобретает электретное состояние – переходит в электрет, который способен очень длительно сохранять поляризованное состояние, иногда в течение нескольких лет, создавая в окружающем его пространстве элект­рическое поле.

Всякая поляризация, связанная с образованием зарядов, созда­ет некоторую противо-э.д.с. поляризации. В большинстве случа­ев эта противо-э.д.с. поляризации невелика. Однако в ряде случа­ев происходит образование сильно сосредоточенных пространств венных зарядов, вызывающих появление весьма больших разностей поляризационных потенциалов, направленных противоположно по­тенциалам, приложенным к электродам. Эта разновидность поля­ризации получила название высоковольтной. Она была достаточно подробно изучена А. Ф. Иоффе, который показал, что высоковольт­ная поляризация устанавливается довольно медленно, иногда ча­сами, что она практически не наблюдается при частотах, выше звуковых, и при достаточно высоких температурах.

Поляризационные явления, происходящие в диэлектриках под воздействием электрического поля, оцениваются диэлектрическими характеристиками материалов, к которым относятся:

- диэлект­рическая проницаемость;

- сопротивление изоляции;

- диэлект­рические потери;

- электрическая прочность.

Согласно вышеизложенного схема замещения изоляции представлена на рисунке 12.1

Рис.12.1 - Схема замещения изоляции электрооборудования

Дата добавления: 2014-11-08