Краткие теоретические сведения. Тема: Исследование сопротивления электроизоляционных материалов

Лабораторная работа №2

Тема: Исследование сопротивления электроизоляционных материалов.

Цель: Научиться Исследование сопротивления электроизоляционных материалов с помощью измерительного прибора Е6-3.

Согласно зонной теории твердого тела диэлектрики – это вещества, у которых запрещенная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует.

По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики.

Электроизоляционными называют материалы, применяемые для создания электрической изоляции между токоведущими частями радиоэлектронной аппаратуры.

Активными диэлектриками называют материалы, применяемые для усиления генерации и преобразования электрических сигналов.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяют на твердые, жидкие, газообразные. В особую группу можно выделить твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями (лаки, компаунды).

По химической основе диэлектрические материалы подразделяют на органические, неорганические и элементоорганические – промежуточные по своему составу между первыми двумя.

Органическими называют материалы, содержащие в своем составе углерод. Материалы, в состав которых углерод не входит, называют неорганическими. Однако есть ряд соединений, имеющих в своем составе углерод и относящихся к неорганическим веществам: оксиды углерода, сероуглерод, угольная кислота и ее соли.

Органические диэлектрики более гибки и эластичны по сравнению с неорганическими, но они, за небольшим исключением, менее нагревостойки.

Для оценки эксплуатационных свойств диэлектриков и возможных областей их применения необходимо изучить физические явления, которые имеют место в материалах при воздействии на них электромагнитного поля, и определить параметры:

- поляризацию;

- электропроводимость;

- диэлектрические потери;

- электрическую прочность.

Поляризация диэлектриков. Поляризация – это процесс, состоящий в ограниченном смещении, или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него внешнего электрического поля.

Положительны е заряды смещаются в направлении вектора напряженности поля Е, отрицательные – в обратном направлении.

S – площадь обкладки (электрода)

h – расстояние между обкладками (толщина слоя диэлектрика).

Поляризация приводит к образованию в объеме индуцированного электрического момента, равного векторной сумме дипольных электрических моментов молекул диэлектрика

M=g∙l (Кл∙м).

Интенсивность поляризации определяется поляризованностью Р, измеряемой в Кл/м. В однородном поле, когда дипольные электрические моменты всех п молекул ориентированы параллельно .

Поскольку в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, нескомпенсированные электрические заряды останутся только на поверхности диэлектрика, если поверхностная плотность этих зарядов равна G, то величина этого нескомпенсированного электрического заряда поверхности равна G∙Ѕ. Тогда величина суммарного электрического момента всех п молекул диэлектрика вычисляют по формуле или P=G.

Таким образом, в случае однородного поля поляризованность диэлектрика равна поверхностной плотности его зарядов.

Если увеличивать напряженность электрического поля, то поверхностная плотность электрических зарядов будет также возрастать, следовательно, будет увеличиваться и поляризованность диэлектрика.

Для большинства диэлектриков поляризованность прямо пропорциональна напряженности электрического поля. Такие диэлектрики называют линейными. К ним относят все применяемые в современной электротехнике электроизоляционные материалы. У диэлектриков, в частности, сегнетоэлектриков, прямой пропорциональности между поляризованностью и напряженностью электрического поля нет. Такие диэлектрики называют нелинейными. Они в последнее время находят все более широкое применение, поскольку позволяют управлять электрическими и оптическими свойствами материалов путем изменения напряженности электрического поля, температуры и т.д.

Одной из важнейших характеристик диэлектрика является его относительная диэлектрическая проницаемость Е.

Диэлектрик, включенный в электрическую цепь можно рассматривать как конденсатор определенной емкости. Представим заряд Q конденсатора с данным диэлектриком как сумму зарядов Q₀ конденсатора, между обкладками которого вакуум и Q_д, который обусловлен поляризацией диэлектрика:

Q= Q₀+ Q_д

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение заряда Q конденсатора с данным диэлектриком к заряду Q₀ конденсатора тех же размеров, той же конфигурации электродов, при том же напряжении:

Отсюда следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы (равна единице только в вакууме).

Диэлектрическая проницаемость безразмерная величина, которая количественно определяет способность диэлектриков поляризоваться и образовывать электрическую емкость.

Диэлектрические проницаемости различных веществ значительно отличаются. Величина Е газов близка к единице. Для большинства практически применяемых жидких и твердых электроизоляционных материалов Е – величина порядка нескольких единиц, реже – порядка нескольких десятков и весьма редко более 100. Наибольшую диэлектрическую проницаемость имеют некоторые сегнетокерамические материалы, Е которых в определенных условиях может иметь величину – порядка десятка тысяч.

Основные виды поляризации. В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектриков различают следующие виды поляризации: электронную, ионную, дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, миграционную. Самопроизвольную (спонтанную).

Электропроводность диэлектриков. В диэлектрике, находящемся под напряжением происходят поляризационные процессы, связанные с перемещением электрических зарядов. Следовательно, поляризационные процессы создают электрические токи в диэлектрике. Ток, соответствующий электронной и ионной поляризации называют током смещения и его мгновенное значение обозначают i_см. Он проходит в очень малые промежутки времени (10^-13 – 10^-14с) и является чисто реактивным.

Релаксационные виды поляризации вызывают прохождение в диэлектрике тока абсорбции i_аб. Наличие в диэлектрике небольшого числа свободных зарядов обуславливает возникновение небольшого по величине сквозного тока i_ск. Таким образом, ток, проходящий через диэлектрик, представляет собой сумму токов смещения, абсорбции и сквозного:

i=i_см. + i_аб + i_{ск .}

В первый момент приложения постоянного напряжения ток значительно больше, чем спустя некоторое время, когда в диэлектрике проходит лишь сквозной ток. Это объясняется тем, что токи смещения и абсорбции вскоре прекращаются, поскольку они обусловлены быстропротекающими процессами поляризации.

В случае переменного напряжения все три вида токов имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Удельная проводимость диэлектриков γ в нормальных условиях составляет 10^-10–10^-16 см/м.

Диэлектрические потери. Под диэлектрическими потерями понимают электрическую мощность, поглощаемую диэлектриком при воздействии на него электрического поля. Эта мощность рассеивается в диэлектрике, превращаясь в тепло.

Электроизоляционные материалы (диэлектрики). Каждый из материалов, будь то проводник, полупроводник или диэлектрик, проводят электрический ток, то есть в нем наблюдается явление электропроводности. В диэлектриках протекают очень малые токи, если даже проводить к ним высокое напряжение (от 500В и выше).

У диэлектриков различают два вида электропроводности: объемную, которая определяется током объемной утечки I и поверхностную, обусловленную током поверхностной утечки I_S. Поэтому в диэлектриках различают два вида удельных сопротивлений – удельное объемное сопротивление ρ_v и удельное поверхностное сопротивление ρ_s.. Удельное объемное сопротивление ρ_v количественно определяет способность диэлектрика проводить электрический ток iv через его объем, а поверхностное удельное сопротивление ρ_s – по поверхности диэлектрика. Удельное объемное сопротивление измеряют в (Ом·см). Удельное поверхностное сопротивление измеряют в Ом. Удельное объемное сопротивление не может быть положено в основу распределения всех электротехнических материалов на три основные группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

У проводниковых материалов величина удельного объемного электрического сопротивления: 10^-6 ÷ 10^-4Ом·см, у полупроводников: 10^-4 ÷ 10¹⁰Ом·см, а у диэлектриков эта характеристика изменяется от 10¹⁰ ÷ 10¹⁸Ом·см и выше.

Пробой диэлектриков. Диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных материалов в электрических установках, машинах и аппаратах, где они подвергаются действию высокого напряжения и могут быть разрушены силами электрического поля. Это явление называется пробоем диэлектрика. В результате пробоя диэлектрик становится неспособным удерживать приложенное к нему напряжение, так как в месте пробоя он разрушается и проводит ток.

Свойство диэлектрика выдерживать высокое напряжение количественно выражают напряженностью электрического поля. Величина напряженности электрического поля (Е_пр), при которой произошел пробой диэлектрика, называется электрической прочностью.

Электрическая прочность диэлектриков. Электрическая прочность диэлектрика определяется отношением напряжения, при котором происходит пробой (пробивное напряжение U_пр), к единице толщины (h) диэлектрика в месте пробоя.

Процесс пробоя может произойти в результате нагрева диэлектрика проходящим через него электрическим током, причем сопротивление диэлектрика непрерывно уменьшается. Это уменьшение сопротивления диэлектрика вызывает увеличение тока, что в свою очередь обуславливает повышение его температуры. Электрический ток может достигнуть такой величины, при которой диэлектрик термически разрушается (проплавляется). В этом случае пробой диэлектрика называется тепловым пробоем.

Можно представить пробой диэлектрика и как результат увеличения количества свободных электронов в какой-либо части его объема. Количество свободных электронов с повышением напряженности поля быстро нарастает, и процесс нарастания электронов может закончиться пробоем диэлектрика. Такая форма пробоя называется электрическим пробоем.

Как при тепловом, так и при электрическом пробое в диэлектрике образуется сквозной канал в месте пробоя. Этот канал обладает повышенной проводимостью.

Как было сказано выше электроизоляционные материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии, во время введения их в изготовляемую изоляцию, являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции, представляют из себя твердые тела.

Классификация электроизоляционных материалов.

1. Газообразные диэлектрики. К газообразным диэлектрикам относятся все газы, в том числе воздух. В слаботочной технике используется вакуум.

2. Жидкие диэлектрики. К жидким диэлектрикам относятся: нефтяные (минеральные) масла и синтетические масла.

Нефтяные масла подразделяются на трансформаторные, кабельные и конденсаторные.

К синтетическим маслам относятся: совол, кремнийорганические жидкости, фторорганические жидкости.

3. Твердые диэлектрики. Классификация твердых диэлектриков.

· Волокнистые электроизоляционные материалы состоят из волокон: природных, искусственных или синтетических. К ним относятся бумаги (кабельная, телефонная, конденсаторная, миколентная), картоны, пряжа, ткани, лента, древесина и фибра. Природные электроизоляционные смолы (канифоль, шеллак). Пропиточные волокнистые материалы: лакоткани, лакобумаги. Электроизоляционные лаки и эмали (лаки делятся на пропиточные, покровные, клеящие).

· Полимерные материалы. Полимерные материалы подразделяются на 3 группы: термопласты, слоистые пластики (которые изготавливают прессованием: гетинакс, текстолиты), пластмассы (которые изготовляются на основе синтетических смол с наполнителями и без них).

· Электроизоляционные гибкие пленки. Они изготовляются на основе синтетических смол и эфиров целлюлозы в виде тонких до 200 мкм пленок.

· Каучуковые материалы. Их изготовляют из естественного или искусственного каучука. Из каучуковых материалов широкое применение нашли резина и эбонит.

· Минеральные диэлектрики. К ним относят, в первую очередь, слюду (из которой делают миканиты и микаленты), асбестовые изделия, стеклянные изделия, керамические изделия (фарфор, стеатит).

Дата добавления: 2014-12-10