Электропроводность и пробой диэдектриков

Известно, что любой материал (проводник, полупроводник, диэлект-рик) проводит электрический ток, но в диэлектриках протекают очень малые токи, даже если они находятся под действием очень большого напряжения.

Электропроводность газообразных диэлектриков обусловлена направ-ленным перемещением свободных электронов и ионов. Электрический ток в твердых диэлектриках представляет собой направленное движение ионов. Источниками свободных ионов являются различные примеси (вода, орга-нические кислоты, оксиды и др.), молекулы которых под действием элек-трических сил распадаются на ионы.

Ионы примесей порождают в твердом диэлектрике примесную прово-димость, которая наблюдается в области невысоких температур. В области повышенных температур появляется еще и собственная электропроводность, обусловленная появлением свободных ионов самого диэлектрика. График, показывающий логарифмическую зависимость удельной проводимости кри- сталлического диэлектрика от температуры, изображен на рисунке 2.3,а.

Таким образом, для полной оценки качества диэлектрика необходимо исследование его характеристик в широком интервале температур. Так, ульт- рафарфор является вполне приемлимым диэлектриком до 150°С. С превыше- нием этой температуры его проводимость резко возрастает, что выражается в резком повышении tgδ и падении электрического сопротивления.

а) б) в)

Рисунок 2.3

Рассмотренные нами процессы поляризации и электропроводности ди-электриков позволяют проанализировать характер изменения tgδ в зависи-мости от температуры и частоты приложенного напряжения. Так, с ростом температуры tgδ неполярного диэлектрика растет (рисунок 2.3,б, кривая 1). Это связано с увеличением тока проводимости, а, следовательно, активных потерь мощности в диэлектрике.

У полярного диэлектрика увеличение tgδ вызвано ростом тока прово- димости при температуре Т ₂ и выше (кривая 2). До температуры Т ₁ рост tgδ объясняется затратами энергии на ориентацию все увеличивающегосячисла полярных молекул, принимающих участие в процессе дипольной поляри-зации. Начиная с температуры Т ₁ и выше, происходит переход ориентирован- ных (по направлению электрического поля) полярных молекул в состояние теплового разброса, т.е. в беспорядочные тепловые колебания. Энергия, зат-рачиваемая на дипольную поляризацию уменьшается, на это указывает сни-жение величины tgδ в интервале температур от Т ₁ до Т ₂ .

Зависимость tgδ от частоты переменного напряжения для неполярного и полярного диэлектриков показана на рисунке 2.3,в. Уменьшение tgδ непо-лярного диэлектрика (кривая 1) объясняется понижением тока проводимости, т.к. ионы не успевают перемещаться за время одного полупериода электри-ческого поля. В полярном диэлектрике (кривая 2) с увеличением частоты сна-чала возрастают потери энергии, т.к. диполи вынуждены чаще переориенти-роваться, а это требует затрат большей энергии. Это происходит лишь до оп- ределенной частоты f_m, соответствующей максимальной величине tgδ. Начи-ная с частоты f_m, время одного полупериода становится настолько малым, что полярные молекулы не успевают ориентироваться и потери энергии уме-ньшаются, на что указывает снижение tgδ в области высоких частот.

Пробой диэлектриков происходит, когда напряженность Е электричес-кого поля превысит превысит допустимую величину. В результате пробоя диэлектрик потеряет свои электроизоляционные свойства, т.к. в месте пробоя образуется сквозной канал с повышенной проводимостью.

Пробой может произойти в результате нагрева диэлектрика протекаю-щим через него током, это вызывает тепловое разрушение диэлектрика (про-

а) б) в)

Рисунок 2.4

жигание, расплавление) – тепловой пробой. При тепловом пробое электри- ческая прочность Е_пр твердого диэлектрика зависит от температуры Т и тол-щины h диэлектрика (рисунок 2.4,а,б), т.к. с их увеличением теплоотвод зат-рудняется, что ускоряет процесс теплового разрушения диэлектрика.

Электрический пробой обусловлен образованием лавины свободных электронов в каком либо месте объема диэлектрика, причем, электрическая прочность диэлектрика в малой степени зависит от его температуры и толщи-ны. Основными условиями возникновения электрического пробоя являются отсутствие диэлектрических потерь, нагрева и большая однородность твердого диэлектрика. Электрическая прочность твердого диэлектрика зависит от времени действия напряжения. На рисунке 2.4,в показано, что при увеличении времени τ выдержки диэлектрика под напряжением значение его электричекой прочносчти Е_пр снижается. Эту кривую часто называют «кривой жизни», т.к. по ней можно определить срок службы диэлектрика при заданной напряженности электрического поля.

Дата добавления: 2014-01-20