Электропроводность эмульсий, суспензий и вязких диэлектриков

Эмульсии и суспензии принадлежат к коллоидным системам, которые представляют собой тесную смесь двух веществ (фаз), причем одна фаза в виде мелких частиц (капель, зерен, пылинок), т.е. дисперсная фаза, равномерно взвешена в другой фазе — дисперсионной среде. Из коллоидных систем в электроизоляционной технике наиболее часто встречаются эмульсии (в них обе фазы — жидкости) и суспензии, в которых дисперсная фаза - твердое вещество, а дисперсионная среда — жидкость. Устойчивость эмульсий и суспензий, т.е. способность их длительно сохраняться без оседания на дно сосуда или всплывания на поверхность дисперсной фазы несмотря на разность плотности обеих фаз, объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов. При одноименных зарядах частицы взаимно отталкиваются. Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называются молионами; при наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение; этот процесс именуют электрофорезом. Электрофорез отличается от электролиза тем, что при электрофорезе не образуется новых веществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных частях объема вещества. Молионная электропроводность наблюдается у некоторых диэлектриков — жидких лаков, увлажненных масел и т.п. На практике явление электрофореза используют для покрытия металлических предметов каучуком и смолами из их суспензий, для обезвоживания различных материалов в электрическом поле и пр.

При нагревании многих аморфных диэлектриков или при смешивании их с растворителями они переходят в вязкое состояние.

Одной из характеристик вязких аморфных диэлектриков, таких, как смолы и компаунды при определенных температурах, а также жидких электроизоляционных материалов является вязкость. Абсолютная, или динамическая, вязкость h характеризуется силой (в динах) сопротивления взаимному перемещению со скоростью 1 см/сек двух параллельных слоев жидкости, расположенных на расстоянии 1 см; силу сопротивления относят к 1 см² поверхности слоя. Абсолютная вязкость h измеряется в пуазах (пз).

Нередко вязкость материалов оценивают с помощью так называемой кинематической вязкости, представляющей собой абсолютную вязкость, отнесенную к единице плотности материала. Известны также условные методы определения вязкости.

Электропроводность рассматриваемых диэлектриков связана с величиной их вязкости.

По закону Стокса движение шара радиуса r в вязкой среде, (жидкость или аморфное вязкое вещество) под действием постоянной силы F равномерно, и скорость его

,

где h — абсолютная вязкость вещества.

Величины, входящие в эту формулу, выражены в абсолютных единицах: v — в сантиметрах на секунду, F — в динах, h — в пуазах.

Если ион или молион находится в электрическом поле с напряженностью Е, на него действует сила

,

где q — заряд иона (или молиона).

Полагая условно ион (или молион) имеющим шарообразную форму и подставляя в формулу значения скорости v из , получаем выражение для электропроводности

.

Вязкость всякого вещества сильно уменьшается при повышении температуры (Рис. 5‑22), за исключением случаев, когда при нагреве имеют место полимеризация или другие побочные процессы. Для многих материалов связь абсолютной вязкости с температурой хорошо описывается формулой

где h₁ — вязкость при температуреT₁,
h₂ — вязкость при температуре T₂ > T₁;
с — постоянная.

Рис. 5‑22 Зависимость абсолютной вязкости h от температуры для натриево-алюмосиликатного стекла (по Инглишу)

Понижение вязкости при повышении температуры, как видно из формулы , должно вести к повышению g при росте температуры как при ионной, так и при молионной электропроводности. В случае молионной электропроводности величина п при повышении температуры практически не изменяется, а в случае ионной электропроводности — возрастает (за счет температурной диссоциации молекул), что влияет на изменение g в ту же сторону. Таким образом, при повышении температуры величина g большинства диэлектриков должна сильно увеличиваться.

Из формулы следует, что для данного вещества с ионным или молионным характером электропроводности при неизменных q и r, а также при постоянстве п, но при изменении температуры или вязкости соблюдается закон Вальдена

.

Для случая молионной электропроводности формула может быть преобразована следующим образом. Молионы заряжены до потенциала («электрокинетический потенциал» или «дзета-потенциал») по отношению к среде, в которой они взвешены. Величина чаще всего порядка нескольких сотых долей вольта; согласно эмпирическому правилу Кёна, чаще всего заряжается положительно та фаза (или молионы, или дисперсионная среда), у которой больше диэлектрическая проницаемость. Величина заряда молиона , где — емкость молиона; r — радиус молиона; ε — диэлектрическая проницаемость среды. Подставляя это значение в формулу , получаем выражение для удельной проводимости при молионной электропроводности

.

Рис. 5‑23 Зависимость удельного объемного сопротивления r смесей масляно-битумного лака с бензином от состава смеси и от температуры (по Б.М. Тарееву и В.А. Баеву)

На Рис. 5‑23 представлены кривые зависимости удельного объемного сопротивления коллоидной системы — смеси маслянобитумного лака с бензином — от состава смеси и от температуры. Как видно, уже при добавлении весьма малых количеств лака к бензину удельное сопротивление резко уменьшается [за счет возрастания п в формуле ]; при дальнейшем увеличении содержания лака величина r переходит через минимум и далее повышается (за счет возрастания h) в той же формуле). Удельное объемное сопротивление материалов при повышении температуры снижается во многих случаях из-за уменьшения вязкости.

Рис. 5‑24 Зависимость ρ непластифицированного (кривая /) и пластифицированного (кривая 2) полихлорвинила от температуры (по И. М. Майофису)

Рис. 5‑25 Связь значений r и ε для различных диэлектриков. 1 — полистирол; 2 — политетрафторэтнлен: 3 — полиэтилен; 4 — полиметилметакрилат; 5 — кремнийорганическая резина; 6 — нейлон; 7 — этилцеллюлоза; 8 — фенолформальдегидная смола; 9 — эбонит; 10 — микалекс; 11 — натрий-бутадиеновая резина

Проиллюстрируем температурную зависимость удельного объемного сопротивления диэлектриков с ионным характером электропроводности. Примером может служить полихлорвинил. Непластифицированный полихлорвинил при подъеме температуры до 80° С находится в стеклообразном состоянии, структура его при этом меняется мало, а потому и r практически не изменяется (Рис. 5‑24) во всем температурном интервале до температуры стеклования T_c = 80-85⁰С. У пластифицированного полихлорвинила пологий участок кривой отсутствует, так как во всем рассматриваемом диапазоне температур материал находится в высокоэластическом состоянии, когда изменение температуры сильно сказывается на свойствах вещества. Почти во всем рассматриваемом диапазоне температур кривая 2 проходит ниже кривой 1; это связано с тем, что присутствие пластификатора не только снижает вязкость системы, но и приводит к повышению концентрации ионов (то и другое более сильно выражено при повышенных температурах).

Отметим еще одно весьма важное обстоятельство. Из формулы видно, что величина удельной проводимости диэлектрика с молионным характером электропроводности существенно зависит от диэлектрической проницаемости дисперсионной среды, так как в числитель выражения для g входить ε². Но и а случае ионной электропроводности высокая диэлектрическая проницаемость повышает диссоциирующую способность растворителя, т.е. ведет к повышению п и тем самым g. Этим объясняется большая удельная проводимость воды, спирта, глицерина, ацетона и других сильно полярных жидкостей с высокой диэлектрической проницаемостью. Из-за высокого значения gтакие жидкости в качестве электроизоляционных материалов практически не используются, но знание их свойств весьма важно, так как они часто присутствуют в виде примесей в электрической изоляции.

Сказанное иллюстрируется Рис. 5‑25, на котором дана связь между значениями r и ε для некоторых технически чистых жидких диэлектриков.