Электрический пробой диэлектрика

В нормальных условиях, т.е. пока напряженность электрического поля не превышает допустимых значений, свойства диэлектрика практически не изменяются, и диэлектрик является изолятором.

Предельное значение напряженности электрического поля, при котором диэлектрик сохраняет свои диэлектрические свойства называют допустимой напряженностью Напряженность, при которой происходит нарушение изоляционных свойств диэлектрика (пробой) называют пробивной – Пробивная напряженность характеризует электрическую прочность диэлектрика (табл.5).

Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением , которое определяется соотношением

(3-25)

где d – толщина диэлектрика.

Таблица 5

Электрическая прочность зависит от температуры, влажности и толщины слоя диэлектрика.

Пробой диэлектрика может быть тепловым или электрическим.

Тепловой пробой происходит при значительном повышении температуры. В каждом диэлектрике за счет неоднородности его состава имеются микро или макроскопические каналы с повышенной электропроводностью, в которых реализуются токи с повышенной плотностью. Нагревание диэлектрика вызывает уменьшение его сопротивления, т.к. температурный коэффициент диэлектриков отрицателен (у металлов этот коэффициент положителен). Это вызывает дальнейшее нарастание тока в канале. Процесс повышения температуры и дальнейшего возрастания тока утечки может продолжаться до теплового разрушения диэлектрика – обугливания, растрескивания, расплавления с возникновением электрической дуги.

Электрический пробой происходит при значительном повышении напряжения электрического поля, превышающей допустимое значение для данного диэлектрика. Под действием сил поля ионы приобретают большие скорости и, сталкиваясь с молекулами диэлектрика, ионизируют их. В результате происходит лавинообразное возрастание электрического тока, разрушающего изоляцию

7. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

Диэлектриками или изоляторами называют вещества, в которых почти все электроны удерживаются на своих орбитах ядром атома. Таким образом, у диэлектрика нет свободных электронов и они не пропускают электрический ток.

Диэлектрики, по агрегатному состоянию, подразделяются на твердые, жидкие и газообразные.

Твердые диэлектрики. Твердыми неорганическим диэлектриками являются различные керамики, стекло, слюда, кварц, асбест.

Волокнистые электроизоляционные материалы изготавливают из волокон различных веществ – органических (растительных и синтетических) и неорганических (стекло, асбест). Для электроизоляции монтажных и обмоточных проводов, кабелей, электрических машин и аппаратов применяют пряжу, ткани, бумагу, картон с последующей пропиткой специальными пропиточными составами.

Волокнистые материалы являются основой при производстве различных видов электроизоляционных материалов (лакотканей, слоистых пластиков, гибких трубок и т.д.).

Пропиточные, заливочные, покровные материалы содержат в основе естественные и синтетические высокомолекулярные вещества, в числе которых смолы, битумы воски. Особенность этих материалов состоит в том, что после нанесения их на изолирующую поверхность образуется тонкая гибкая твердая пленка с хорошими электроизоляционными свойствами.

Слоистые материалы изготавливают прессованием с различными связующими бумаги (гетинакс, асбогетинакс), тканей (текстолиты), древесного шпона. Слоистые материалы выпускают в виде листов, цилиндров, трубок, обладающих значительной механической прочностью. Их применяют в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов для изготовления оснований печатных плат, каркасов, различных прокладок и других деталей.

Пластмассы изготавливают в основном из синтетических полимеров с всевозможными наполнителями и без наполнителей. Из пластмасс методами прессования или литья изготавливают различные фасонные детали и узлы, требующие сочетания хороших электрических, механических и других эксплутационных свойств. Часто пластмассы используются для изготовления низковольтной аппаратуры (штепсельные разъемы, патроны для электроламп, вики, розетки и т.д.).

Электроизоляционные пленки изготавливают из некоторых синтетических полимеров и эфиров целлюлозы. Применяют в качестве основного диэлектрика при изготовлении конденсаторов, изоляции обмоток электрических машин, проводов и кабелей.

Резина – материал, получаемый из натурально или синтетического каучука методам вулканизации. Резины обладают высокой эластичностью и гибкостью. Применяются в качестве электризоляции проводов и кабелей, для изготовления гибких трубок, уплотняющих прокладок.

Слюда – материал, который применяется в качестве диэлектрика конденсаторов, межэлектродной изоляции. Слюдяные материалы имеют также высокую теплостойкость.

Керамические материалы используют для изготовления электроизоляционных деталей (электроизоляторы ЛЭП, каркасы катушек, ламповые панели и др.), которые изготавливают путем формовки и последующего отжига.

Стекло применяют для изготовления колб электрических лампочек освещения, электровакуумных приборов (кинескопы).

Сегнетоэлектрики и электреты составляют отдельную группу твердых диэлектриков. Для этого класса диэлектриков характерен доменный тип поляризации, отличающийся тем, что в диэлектрике до наложения внешнего электрического поля имеются не отдельные полярные молекулы, а целые самопроизвольно поляризованные области (домены). Под действием внешнего электрического поля домены ориентируются так, что в диэлектрике создается большой поляризованный заряд и большой электрический момент. Следовательно, такие материалы имеют очень большую диэлектрическую проницаемость. Причем диэлектрическая проницаемость имеет нелинейную зависимость от напряженности электрического поля, а после выключения (снятия) внешнего поля в сегнетоэлектрике поляризационный заряд не равен нулю, а наблюдается некоторая остаточная поляризация.

Диэлектрики, длительно сохраняющие значительную остаточную поляризацию, называются электретами.

Твердые органические диэлектрики – смолы, лаки, пластмассы, каучуки, волокна.

Жидкие диэлектрики. К жидким диэлектрикам относятся нефтяные масла, кремнийорганические и фторорганические жидкости. Так, в маслонаполненном трансформаторе масло, выполняет роль, как электроизоляции, так и является хорошей теплоотводящей средой. В масляном высоковольтном выключателе масло играет активную роль в гашении электрической дуги.

Масло хорошо пропитывает твердые волокнистые материалы (бумагу, ткани, пряжу и т.д.), заполняет пространство между конструктивными элементами, что значительно улучшает электрическую изоляцию тех или иных устройств.

Газообразные диэлектрики. Из газообразных диэлектриков чаще всего используется воздух, который ввиду повсеместного распространения является частью системы электрической изоляции подавляющего большинства электро- и радиотехнических устройств. Кроме воздуха в качестве электроизоляции применяют инертные газы (неон, аргон, криптон), водород, Азот, Углекислый газ и др.

Практически для всех диэлектриков характерно очень большое удельное электрическое сопротивление – ρ=10⁸ – 10²⁰ Ом м.

Таблица 6

Контрольные вопросы

1. Как устроен конденсатор?

2. Как надо соединить конденсаторы, чтобы их общая емкость увеличилас?

3. Как вычислить общую емкость батареи конденсаторов при последовательном соединении?

4. От каких величин зависит емкость плоского конденсатора?

5. Чем определяется и от чего зависит электрическая прочность конденсатора?

6. Как устроен конденсатор переменной емкости?

7. Как устроен электролитический конденсатор?

8. Что происходит с диэлектриками, внесенными в электрическое поле?

9. Каким образом отражается на процессе поляризации тип молекул диэлектрика?

10. В чем заключается пьезоэлектрический эффект?

11. Каковы особенности сегнетоэлектриков и электретов?

12. С какой целью применяют последовательное и параллельное соединение конденсаторов?

13. Каким образом устраивается электростатическая защита для ограждения электрических устройств от действия внешних электрических полей?

14. Частицы с зарядами –q и +4q находятся на расстоянии 15см друг от друга. Найти, где находится точка поля, в которой напряженность электрического поля равна нулю.

15. Определить диэлектрическую проницаемость для трансформаторного масла, если его относительная проницаемость равна 2,2.

Г л а в а 4

Дата добавления: 2015-05-06