Диэлектрические потери в жидкостях

В неполярных жидких диэлектриках потери обусловлено только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными моментами (нефтяное конденсаторное масло).

Полярные жидкости в зависимости от условий (t, u) могут обладать заметными потерями, связанные с дипольно-релаксационной поляризацией. В технике применяются жидкие диэлектрики, которые представляют собой смесь полярных и неполярных веществ (н-р, масляно-канифольный кампалуиды).

Диэлектрические потери в полярных диэлектриках при переменном напряжении значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью.

Такие потери называют дипольно-релаксационными потерями.

Диэлектрические потери в твердых веществах

Твердые вещества делят:

1) Диэлектрики молекулярной структуры

2) Диэлектрики ионной структуры

3) Сегнетоэлектрики

4) Диэлектрики неоднородной структуры.

1. Диэлектрические потери зависят от вида молекул. Диэлектрики с неполярными молекулами, не имеющих примесей, обладают малыми диэлектрическими потерями, которые зависят от температуры (бумага, картон, ортстекло)

2. Диэлектрические потери связаны с особенностями упаковки ионов в решетке. В веществах с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей диэлектрические потери малы (оксид алюминия, каменная соль). К диэлектрикам с неплотной упаковкой ионов относятся кристаллические вещества, обладающие большими диэлектрическими потерями (муллит, входящий в состав фарфора; кордизерит (компоненты керамики), b, g - глинозем, циркон и др.)

Рассмотрим механизм диэлектрических потерь в стеклах: в этом случае следует различать:

А) потери, малозависящие от температуры и возрастающие прямопропорционально частоте, tgd не зависит от скорости (u).

Б) потери, возрастающие с временем, мало зависят от частоты, tgd убывает с возрастанием частоты.

Потери из случая (А) обуславливаются релаксационной поляризацией и сильно выражены в технических стеклах.

Потери (Б) вызываются передвижением слабосвязанных ионов и рассматривается как потери, обусловленные электропроводностью.

3. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков. Диэлектрические потери у сегнетоэлектриков мало изменяются с изменением температуры в области самопроизвольной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри.

4. К диэлектрикам с неоднородной структурой можно отнести керамику. Диэлектрические потери в керамике обуславливается видом кристаллической и стекловидной фазой и количественным соотношением между ними. Потери повышены, если в процессе производства образуются включения с электронной электропроводимостью.

Пробой диэлектриков

Диэлектрик, находясь в электрическом поле теряет свойства электроизоляционного материала, если напряженность поля (E) превысит некоторое критическое значение. Это явление – пробой диэлектрика или нарушение его эл. прочности. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика называется пробивным напряжением, а значение напряженности соответствующего поля – эл. прочность диэлектрика. Измеряется в кВ. Эл. прочность определяется пробивочным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя Н.

Пробой в газах

Внешней изоляцией во многих видах электрохимических конструкций (трансформаторах, конденсаторах) служит воздух.

Эл. прочность в газах в нормальных условиях не велика. Небольшое число, содержащихся в газе ионов и электронов находится в беспорядочном тепловом движении. Под действием поля они получают некоторую добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля или противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию: , q – заряд, U_l - напряжение на длине свободного падения l.

Если поле достаточно однородно, то (1)

Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, то происходит расщепление на электроны и положительные ион. Условие, определяющее ионизацию: (2), W – включает в себя энергию теплового движения. ИЗ (1) и (2): - ионизационный потенциал. При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной направленности поля, т.к. q и l - постоянные для каждого газа. Эта напряженность E_и называется напряженностью.

В некоторых газах (кислород, углекислый газ, пары воды) определившийся электрон при встрече с нейтральной молекулой присоединяется к ней, превращая ее в отрицательный ион. Это присоединение приводит к тому, что энергия молекул, которую захватывают ионы меньше энергии центральной молекулы, меньше не некоторую величину – энергию сродства электронов. Скорость электрона, прошедшего путь в разность потенциалов без столкновений определяется выражением:

Чем больше напряжение (U), приложенное к газовому промежутку, тем быстрее может возникнуть пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается. Это повышение характеризуется повышением импульса: пробивное напряжение при постоянном или переменном напряжении с частотой в 50 Гц. U_пр – напряжение, при задании импульса.

Явление пробоя в газе зависит от степени однородности эл. поля, в котором осуществляется пробой. Рассмотрим пробой в однородном поле (поле, между плоскими электродам с закругленными краями).В таком поле пробой наступает практически мгновенно. Между электродами возникает искра, которое превращается в дугу. Для расчета пробойного напряжения воздуха применяется формула: , U_пр – пробойное напряжение при данной температуре и напряжении, U_пр0 – пробивное напряжение при нормальных условиях, - относительная плотность воздуха, t – температура в ⁰С, Р – давление в мм.рт.ст. при нормальных условиях d=1.

При понижении давления в начале наблюдается падение эл. прочности.

Когда Р доходит до некоторого предела ниже атмосферного давления разряжение достигает высокой степени.

Электропрочность начинает возрастать. Это возрастание объясняется уменьшением числа молекул газа в единице объема, при сильном разряжении и снижение вероятности столкновения электронов с молекулами.

В неоднородном поле (между двумя остриями, между острием и плоскостью) особенностью пробоя в газе является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность Е достигает критического значения.

При высоких частотах напряжение соответствующее появлению короны почти совпадает с пробивным напряжением, которое мало изменяется с увеличением расстояния между электродами. Этого не наблюдается при повышении частоты, где зависимость почти линейная.