Влияние напряженности поля на электропроводность диэлектриков

При сравнительно небольших значениях напряженности поля электропроводность диэлектриков следует закону Ома. Однако при повышении напряженности поля электропроводность перестает следовать закону Ома. При дальнейшем повышении напряженности поля возможны два случая: в первом электропроводность быстро нарастает с ростом напряженности поля (рис. 26 а), а во втором - вначале наступает насыщение электропроводности, и лишь затем в сильных полях наблюдается ее резкий рост (рис. 26 б).

Первый случай наблюдается в загрязненных диэлектриках и чистых диэлектриках с ионной связью, в которых при увеличении напряженности поля происходит размножение заряженных частиц. Второй случай типичен для неионных диэлектриков высокой чистоты, в которых число заряженных частиц ограничено, что и вызывает насыщение электропроводности. В очень сильных полях происходит размножение ионов в результате перехода к пробою диэлектриков.

Рис.26. Зависимость электропроводности от напряженности поля для загрязненных диэлектриков и чистых диэлектриков с ионной связью (а) и неионных кристаллов высокой чистоты (б).

Поляризация диэлектриков

Поляризацией называется такое состояние диэлектрика, когда суммарный электрический момент отличен от нуля. Появление поляризации является следствием воздействия различных факторов: электрического поля, температуры, механических напряжений и др. В большинстве диэлектриков поляризация возникает под действием электрического поля, По электрической структуре все диэлектрики можно разделить на полярные и неполярные. У полярных диэлектриков структурные единицы вещества имеет собственный дипольный момент. У неполярных диэлектриков в отсутствии внешнего поля дипольного момента нет. При помещении диэлектрика в электрическое поле диполи в полярных диэлектриках поворачиваются по полю. В неполярных диэлектриках внешнее электрическое поле приводит к смещению зарядов внутри электрически нейтральных молекул, что также приводит к появлению электрических диполей. Таким образом, внутри диэлектрика возникает собственное поле, направленное противоположно внешнему полю. В итоге напряженность внешнего поля в диэлектрике ослабевает в e₀eраз.

Величина дипольных моментов (m), наводимых внешним полем, пропорциональна напряженности внешнего поля:

m=aE (2.2)

где aкоэффициент пропорциональности, называемый поляризуемостью.

Суммарный дипольный момент в единице объема тела V является численной характеристикой поляризации (Р)

(2.3)

Диэлектрическую проницаемость можно определить как отношение вектора электрического смещения D к напряженности Е внешнего поля, вызвавшего это смещение:

e= (2.4)

Поскольку вектор электрического смещения является суперпозиций напряженности электрического смещения и поляризации:

D=E+P (2.5)

то диэлектрическую проницаемость можно выразить как:

e= 1+ P/E (2.6)

По механизму смещения заряженных частиц различают электронную, ионную и дипольную поляризацию. По характеру смещения заряженных частиц поляризация может быть упругой (безгистерезисной) и релаксационной (гистерезисной).

Упругая поляризация

К ней относятся следующие виды поляризации:

а) поляризация упругого электронного смещения;

б) поляризация ионного упругого смещения;

в) дипольно-упругая поляризация;

г) поляризация упругого ядерного смещения.

а)Поляризация упругого электронного смещения. Этот вид поляризации связан со смещением электронных оболочек атомов относительно ядер и имеет место во всех без исключения диэлектриках, за исключением абсолютного вакуума. Важно отметить, что у неполярных диэлектриков с ковалентной связью между атомами поляризация упругого электронного смещения является основным видом поляризации (полиэтилен, трансформаторное масло, парафин, водород) (рис. 27).

Дипольный момент, возникающий в атомах вследствие упругого электронного смещения, увеличивается при увеличении радиусов электронных оболочек атомов и количества электронов на них.

Поскольку общий эффект поляризации при упругой деформации электронных оболочек в электрическом поле невелик, диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков мала.

б)Поляризация упругого ионного смещения. Этот вид поляризации вызван упругим смешением ионов из равновесных положений под действием внешнего электрического поля. Он характерен для ионных кристаллов (мрамор, поваренная соль, слюда, кварц и др.). Важно отметить, что в таких материалах, наряду с поляризацией упругого ионного смещения, присутствует и поляризация упругого электронного смещения. Типичная величина диэлектрической проницаемости составляет 5-150. Так у поваренной соли (NaCl) e=6, у корунда (Al₂O₃) e=0, у рутила (TiO₂)e=110, у титаната кальция (CaTiO₃) e=150. Из приведенных данных следует, что величина поляризации возрастает с увеличением радиусов ионов и с увеличением их зарядов.

в)Дипольно-упругая поляризация. Эта поляризация заключается в повороте на малый угол диполей и имеет место в полярных твердых диэлектриках, где диполи прочно связаны связями с другими молекулами. Время установления этой поляризации составляет 10^-12 – 10^-13с.

г)Поляризация упругого ядерного смещения. Этот вид поляризации наблюдается в газах со сложными молекулами. Время установления 10^-12 – 10^-13 с. Вклад этой поляризации в диэлектрическую проницаемость пренебрежимо мал.

Рис. 28. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков.

17аПри возрастании температуры объем диэлектрика возрастает, и диэлектрическая проницаемость, в соответствии с выражением (2.3), уменьшается (рис. 28). Особенно заметно уменьшение eпри плавлении и испарении диэлектриков, когда их объем существенно возрастает.

Рис. 30. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для ионных кристаллов.

В неполярных диэлектриках диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты внешнего поля. Это связано с тем, что частота вращения электронов на орбитах велика ~1015 -1016 Гц.

17б Повышение температуры увеличивает межатомные расстояния, вследствие чего связь между отдельными ионами ослабляется, и облегчается взаимное смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Поэтому при повышении температуры диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов возрастает (рис. 30).

Время установления этого механизма поляризации сравнимо с периодом оптических колебаний ионов в кристаллической решетки и составляет 10^-12 - 10^-13 с. Поэтому до частот 10¹²- 10¹³ Гц диэлектрическая проницаемость веществ с ионной связью не зависит от частоты внешнего поля.

Рис.31. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и от частоты электрического поля (f1>f2).

17вПри низких температурах, когда подвижность молекул и радикалов, входящих в состав молекул, мала, поворот диполей на большие углы невозможен, и в материале наблюдается поляризация электронного упругого смещения и дипольно-упругая поляризация. В связи с этим диэлектрическая проницаемость полярных материалов при низких температурах мала (e=2-2,5). С возрастанием температуры подвижность диполей увеличивается, и облегчается их ориентация под действием внешнего поля. Следовательно, диэлектрическая проницаемость растет. Однако при дальнейшем росте температуры кинетическая энергия теплового движения диполей возрастает настолько, что броуновское движение диполей разрушает ориентацию, задаваемую внешним полем.

15. Виды поляризации релаксационного типа.

В ряде диэлектриков электроны ионы и дипольные молекулы могут скачком переходить из одного положения в другое. Эти переходы осуществляются частицами благодаря получению ими энергии при тепловых колебаниях. Электрическое поле снижает энергетический барьер для перехода по полю и повышает энергетический барьер для перехода против поля. В итоге, диэлектрик поляризуется, причем для поляризации требуется время. Иначе говоря, эти виды поляризации являются релаксационными.

а)Дипольно-релаксационная поляризация. Поляризация этого вида наблюдается во многих твердых и жидких диэлектриках с полярными группами: компаунды, бакелит, аминопласты и др. При дипольно-релаксационной поляризации происходит смещение полярных молекул или смещение радикалов, входящих в состав крупных молекул. Важно отметить, что дипольно-релаксационная поляризация сопровождается необратимыми потерями энергии при нахождении диэлектриков в переменном электрическом поле.

б)Ионно-релаксационная поляризация. Релаксационная поляризация также может быть связанной с перебросом из одного равновесного положения в другое слабосвязанных ионов или полярных групп. Типичными примерами являются переброс щелочных ионов (Na+,K+) из одного положения в другое в стеклах и переброс гидроксильных групп (ОН-) в целлюлозе. В этом случае говорят о ионно-релаксационной поляризации.

в)Электронно-релаксационная поляризация. В диэлектриках с кристаллической структурой, вместо части ионов в узлах кристаллической решетки могут находиться электроны и дырки (дополнительно ионизированные ионы). При приложении электрического поля эти дефекты кристаллической решетки также могут перебрасываться из одного положения в другое. В этом случае говорят об электронно-релаксационной поляризации

г)Резонансная поляризация. При совпадении собственной частоты колебания структурной единицы вещества (электрона, иона, радикала, входящего в состав молекулы, или полярной молекулы) с частотой внешнего поля наблюдается резонансная поляризация. В этом случае в узком интервале частот резко возрастает диэлектрическая проницаемость. Очевидно, что резонансные частоты для поляризации упругого электронного и упругого ионного смещения очень велики (10¹⁶- 10¹³Гц), поэтому резонансная поляризация наблюдается для дипольно-релаксационной поляризации.

Диэлектрик конденсатора, как правило, подвергается воздействию сильного электрического поля. Его действие особенно существенно в высоковольтных конденсаторах, однако и для низковольтных конденсаторов напряженность поля достаточно высока, так как, чтобы повысить удельную емкость конденсатора, толщину диэлектрика выбирают малой. Для того чтобы исключить возможность пробоя или старения диэлектрика в этих условиях, надо хорошо знать закономерности и механизмы указанных явлений. Закономерности пробоя газообразных диэлектриков важно знать для оценки рабочих напряжений высоковольтных конденсаторов – газонаполненных или имеющих газовые включения в диэлектрике. Пробой газа при нормальном или повышенном давлении представляет собой искровой разряд, характеризующийся распространением в разрядном промежутке ярко светящихся каналов пробоя малого диаметра. Экспериментальные исследования показывают, что при пробое сравнительно небольших газовых промежутков сначала образуются электронные лавины, распространяющиеся обычно от катода к аноду со скоростью . Эти лавины обусловлены процессом ударной ионизации молекул газа электронами. Как только лавина достигает анода, от него к катоду с гораздо большей скоростью распространяется так называемый стример, сопровождающийся ионизацией газа и состоящий из многочисленных, соединяющихся между собой лавин. Лавины появляются в объеме газа в результате фотоионизации одной из молекул фотонами, излучаемыми возбужденными молекулами, или в результате процессов рекомбинации электронов и ионов. Таким образом, стример образуется за счет двух основных процессов – фотоионизации и ударной ионизации. Пробивное напряжение газа зависит от произведения давления на расстояние между электродами (закон Пашена) и почти одинаково как для пробоя между металлическими электродами, так и между диэлектрическими поверхностями в газовых прослойках изоляции. Зависимость изображается кривой с минимумом (рис. 1.1). Объяснение закона Пашена и формы кривых возможно на основе простейшей теории пробоя газа – теории Таунсенда. Согласно теории Таунсенда разряд в газе наступает в том случае, если в объеме газа происходит интенсивная ударная ионизация электронами, а образующиеся при этом положительные ионы, бомбардируя катод, обеспечивают поступление в объем газа вторичных электронов в количестве, достаточном для компенсации электронов, уходящих после ионизации на анод. Исходя из этой модели процесса, получают условие пробоя Таунсенда: ,   где – коэффициент ударной ионизации Таунсенда; – коэффициент ионно-электронной эмиссии из катода. В соответствии с правилами теории подобия, и представляют собой однозначные функции отношения , т.е. , .   Подставляя эти функции в условие пробоя Таунсенда и принимая во внимание, что , получаем выражение: ,   из которого вытекает, что является однозначной функцией произведения . Рис. 1.1. Кривые Пашена для воздуха, кислорода и водорода Снижение с уменьшением происходит до тех пор, пока длина пробега электрона между актами ионизации , остается значительно меньше расстояния между электродами . Как только становится сравнимым с , достаточное для развития электронных лавин количество актов ионизации можно обеспечить лишь за счет существенного увеличения напряженности поля , чем и объясняется рост с уменьшением при малых значениях или . В однородном поле для воздуха минимальное пробивное напряжение на кривой Пашена ( ). Следует, однако, отметить, что при атмосферном давлении характер зависимости отличается от данных на рисунке 1.1: вместо возрастания при уменьшении сначала после достижения наблюдается участок, где , затем начинает уменьшаться. Эти особенности связаны с изменением механизма пробоя – вместо газового разряда, связанного с ударной ионизацией, в области происходит, вероятно, пробой, связанный с эмиссией электронов из электрода, как это имеет место в вакууме. Нелинейная зависимость пробивного напряжения от произведения обусловливает нелинейную зависимость при нормальном атмосферном давлении (рис. 1.2). Рис. 1.2. Зависимость для воздуха при нормальном атмосферном давлении В неоднородном электрическом поле существенно снижается. Например, для воздуха при см в неоднородном поле кВ, тогда как в однородном поле кВ. Кроме того, в неоднородном поле наблюдается зависимость пробивного напряжения от полярности электродов. Как правило, при положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны оказывается меньше, чем при отрицательной полярности (рис. 1.3). Это связано с образованием положительного объемного заряда вблизи острия в результате развития коронного разряда, что приводит в свою очередь к возрастанию напряженности поля в остальной части промежутка. Рис. 1.3. Зависимость воздуха от давления в промежутке нить – коаксиальный цилиндр при положительном (кривая 1) и отрицательном (кривая 2) потенциале нити (радиус нити – 1,53 мм, цилиндра – 23 мм) Однако при малых давлениях и расстояниях между электродами роль объемного заряда невелика и значение может оказаться меньшим при отрицательном потенциале электрода с малым радиусом кривизны. Это обусловлено существенной ролью эмиссии электронов из катода при малых расстояниях между электродами. Существенное значение для конденсаторов имеет явление перекрытия по поверхности твердого диэлектрика, граничащего с газообразным диэлектриком. Основные закономерности перекрытия по поверхности твердого диэлектрика в газе в сравнительно однородном электрическом поле были исследованы с помощью электродов Роговского, между которыми помещались диэлектрические стержни цилиндрической формы с плотно прилегающими к электродам торцами. При малой влажности воздуха, сравнительно невысоком значении диэлектрика и хорошем контакте образцов с электродами (посеребренные торцы) напряжение перекрытия при одинаковой длине разрядного промежутка практически не отличается от пробивного напряжения воздуха . Если же эти условия не выполняются, то (рис. 1.4). На практике для устранения поверхностного перекрытия искусственно увеличивают путь разряда, если это возможно (например, изготавливают ребра у керамических конденсаторов). Оптимальные инженерные решения получают на основании данных расчета электрических полей в диэлектрике конденсатора и на границе раздела с газообразной средой. Рис. 1.4. Зависимость от длины цилиндрических образцов диэлектрика, помещенных между электродами Роговского при относительной влажности воздуха 30 % (СВТ – стронций – висмут – титанат) При малой влажности воздуха, сравнительно невысоком значении диэлектрика и хорошем контакте образцов с электродами (посеребренные торцы) напряжение перекрытия при одинаковой длине разрядного промежутка практически не отличается от пробивного напряжения воздуха . Если же эти условия не выполняются, то (рис. 1.4). На практике для устранения поверхностного перекрытия искусственно увеличивают путь разряда, если это возможно (например, изготавливают ребра у керамических конденсаторов). Оптимальные инженерные решения получают на основании данных расчета электрических полей в диэлектрике конденсатора и на границе раздела с газообразной средой.

Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:

1.электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;
2.электрический пробой неоднородных диэлектриков;
3.тепловой (электротепловой) пробой;
4.электрохимический пробой.
Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10-7 – 10-8 с, и не обусловлен тепловой энергией.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.

Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.

С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижается электрическая прочность как в однородном, так и в неоднородном поле. Площадь электродов тоже влияет на прочность диэлектрика. Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности из-за уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля.

Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью: мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика.

Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений: слюда, стекла, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком.

Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала.
Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков.

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости, который приводит к образованию газового канала между электродами. Влияние воды, не смешивающейся с трансформаторным маслом при нормальной температуре и держащейся в нем в виде отдельных мелких капелек, показано на рис. Под влиянием поля капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую прочность.

Тепловые

Нагревостойкость. Способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. В зависимости от значений допустимых в эксплуатации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например, по заметному росту tg δ или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры, при которой появились эти изменения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве ( метод Мартенса, способ кольца и шара и др.). Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

Температура вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения – еще более высокая температура, при которой при поднесении испытуемая жидкость загорается. Эти характеристики важны для оценки трансформаторного масла и растворителей, применяемых в производстве электроизоляционных лаков.

Наивысшая допустимая рабочая температура определяется на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагревостойкости материала с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, необходимой степени надежности и срока службы изоляции.

Необратимое ухудшение качества изоляции лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие медленно протекающих химических процессов называется тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и др.

Помимо температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрации кислорода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение ускоряется под действием ультрафиолетовых лучей, электрического поля, механических нагрузок и т.н..

Возможность повышения рабочей температуры изоляции для практики чрезвычайно важна. С вопросами о допустимой температуре тесно связаны меры пожарной безопасности и взрывобезопасности. В электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в осветительных устройствах, электронных и ионных приборах значительной мощности высокая рабочая температура электрической изоляции определяется особенностями работы всего устройства.

ГОСТ 8865 предусматривает разделение электроизоляционных материалов на класы нагревостойкости, для которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение нескольких лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях.

Классы нагревостойкости с (наибольшей допустимой рабочей температурой °С) : Y(90), A(105), E(120), B(130), F(155), H(180), C(>180)/

При указанных температурах обеспечиваются технико-экономические целесообразные сроки службы электрооборудования.

Нагревостойкость изоляционных материалов:

1 - Y – Волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка, шелка, органических пластмасс, ПВХ, каучука.

2 – А – Волокнистые материалы, пропитанные масляно-смоляными и др. лаками. Эмалированные провода и ПВАцетат. лаках.

3 – Е – Синтетические волокна, слоистые пластики на термореактивном связующем.

4 – В – На основе слюды, асбеста, стекловолокна в сочетании с органическими связующими.

5 – F – Те же материалы в сочетании с синтетическими связующими.

6 – Н – Кремнийорганические, эластомеры.

7 – С – Фторфлогопит, керамика, стекло, неорганические материалы.

Повышение нагревостойкости чрезвычайно важно – дает возможность повысить мощность при меньших габаритах установки.

Холодостойкость – способность изоляции выдерживать воздействие низких температур (от – 60 до – 70 °С) без недопустимого ухудшения её свойств. При низких температурах электрические свойства изоляции улучшаются, но гибкие при нормальных температурах становятся хрупкими.

Теплопроводность – перенос теплоты от более нагретых к менее нагретым, приводящем к выравниванию температуры. Теплопроводность материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности γ_т ( Вт/ м К°) из уравнения Фурье ( Н₂0 – 0,58 ; фарфор – 1,0; Аl₂0₃ – 30).

∆Р = γ_т dT / dl ∆S , где ∆Р – мощность теплового потока

Тепловое расширение - оценивают коэффициентом линейного расширения :

ТКl = dl = 1/l dl/dt K^-1 ( фарфор – 3,5 10⁶ К^-1, эпоксидная смола – 55 10⁶ К^-1).

Материалы с малым ТКЛ имеют большую нагревостойкость и наоборот.

Органические диэлектрики имеют ТКЛ намного более ТКЛ неорганических диэлектриков.

Влажностные св-ва

Диэлектрические материалы в большей или меньшей степени способны поглощать влагу из окружающей среды, а также пропускать ее через себя, т.е. они в определенной мере гигроскопичны и влагопроницаемы. Количество поглощенной влаги из атмосферного

воздуха зависит не только от природы самого диэлектрика, но также и от концентрации водяных паров в воздухе.

В атмосферном воздухе всегда присутствует то или иное количество водяных паров, содержание которых можно оценить по абсолютной влажности — по массе т водяных паров, находящихся в единице объема воздуха, или по относительной влажности \|/в, измеряемой в процентах (1):

где m— абсолютная влажность воздуха, г/м³; m_н — абсолютная влажность воздуха при насыщении (при тех же значениях температуры и давления, что и m), г/м³.

На практике содержание водяных паров в воздухе, т.е. влажность воздуха, обычно оценивают относительной влажностью \|/_в, так как экспериментально определить ее про-

ще, чем абсолютную влажность. Относительную влажность воздуха \|/_в измеряют с помощью специальных приборов: гигрометров, психрометров и т.п. Абсолютная и относительная влажности зависят от температуры: с увеличением температуры они возрастают (рис.1).

Следовательно, одному и тому же значению относительной влажности

воздуха \|/_в, измеренному при различной температуре, будут соответствовать разные значения абсолютной влажности т, т.е. различное содержание водяных паров в единице объема воздуха. Зная относительную влажность воздуха \|/_в, с помощью формулы (1) и табл.1 можно определить соответствующую ей абсолютную влажность т (при тех же значениях температуры и давления). Например, если относительная влажность воздуха \|/_в = 70%, то абсолютная влажность при 10°С будет равна m = (9,4 • 70)/100 == 6,58 г/м3, при 20°Сm = (17,3-70)/100 = 12,11 г/м3, при 30°С m = 20,23 г/м3.

Это положение необходимо учитывать на практике.

Таблица 1.

Если в воздух с относительной влажностью \|/_в поместить два образца одного и того же материала, один из которых сухой, а другой влажный, то первый образец начнет увлажняться, а второй подсыхать. Влажность обоих образцов в течение времени τ будет асимптотически приближаться к некоторой равновесной влажности \|/_р, соответствующей данной \|/_в (рис.2).

Эта равновесная влажность \|/_р, до которой материал стремится увлажниться или подсохнуть, при данной влажности воздуха \|/_в и температуре у разных материалов различна. У полярных материалов при одной и той же относительной влажности воздуха, например, \|/в = 80% и одной и той же пористости равновесная влажность \|/_р в 7—8 раз больше, чем у неполярных. Материалы анизотропного строения впитывают влагу в разных направлениях с различной скоростью. На степень увлажнения существенно влияют наличие и размер капиллярных пор. У сильнопористых материалов, особенно волокнистых, \|/_р выше, чем у материалов плотного, сплошного строения. С увеличением температуры \|/_р снижается.

Если поглощенная влага внутри материала образует сквозные нити или пленки, то даже небольшое ее количество приводит к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределена в виде отдельных, не соединенных между собой включений, то наличие влаги менее существенно влияет на электрические свойства.

Под гигроскопичностью материала (в узком смысле этого слова) понимают равновесную влажность \|/_р при 20°С в воздухе с \|/_в100%. Если относительная влажность воздуха \|/_в = 65% (Т=20°С), то это кондиционная влажность материала.

Если материал непосредственно соприкасается с водой, то в этом случае он характеризуется водопоглощаемостью.

Большое практическое значение для оценки качества защитных покрытий (лаковые покрытия изоляции электромашин, шланговая изоляция кабелей, компаундные заливки и т.п.) имеет влагопроницаемость материалов.

Влагопроницаемость характеризует способность материала пропускать через себя влагу. Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов влагопроницаемы. Только стекла, обожженная глазурированная керамика и металлы влагонепроницаемы.

Коэффициент влагопроницаемости П материала находится из основного уравнения влагопроницаемости

где М — количество влаги, кг, проходящее за время τ , с, сквозь участок поверхности образца материала площадью S, м2, и толщиной h, м, под действием разности давлений Р₁ и Р₂, Па, с двух сторон слоя.

Величина М является разностью весов сосуда с влагопоглотителем до испытания и через время τ (рис. 3). В единицах СИ П измеряется в секундах.

Уравнение формально аналогично закону Ома, при этом разность давлений Р₁ — Р₂ подобна разности потенциалов, отношение М/ τ — силе тока, Н/(ПS) — электрическому сопротивлению тела; коэффициент П аналогичен удельной объемной проводимости.

У различных материалов величина П изменяется в очень широких пределах:

Способность диэлектриков смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность тела. Чем меньше θ , тем сильнее смачивание; для смачиваемых поверхностей θ < 90° (рис ), для несмачиваемых θ > 90° .

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости простых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка це