Контрольная работа: Классификация электротехнических материалов
Самый непрочный вид связи — молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса). Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями.
Межмолекулярное притяжение обусловливается согласованным движением валентных электронов в соседних, молекулах. В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказываются сильнее сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Связь Ван-дер-Ваальса наблюдается между молекулами некоторых веществ (например, парафина)имеющих низкую температуру плавления, свидетельствующую о непрочности их кристаллической решетки.
Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация — ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
Дипольно-релаксационная поляризация для краткости называется дипольной. Отличается от электронной и ионной поляризации тем, что она связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации.
Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не препятствуют диполям ориентироваться вдоль поля. С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, что должно усиливать дипольную поляризацию, однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому с увеличением температуры, дипольная поляризация сначала возрастает (пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения), а затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, дипольная поляризация с ростом температуры начинает падать.
Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, а потому дипольная поляризация связана с потерями энергии.
Диэлектрическая проницаемость твердых тел зависит от структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых телах возможны все виды поляризации. Для твердых неполярных диэлектриков характерны те же закономерности, что и для неполярных жидкостей и газов. Это подтверждается зависимостью ξ r( t ) для парафина. При переходе парафина из твердого состояния в жидкое (температура плавления около +54°С) происходит резкое уменьшение диэлектрической проницаемости вследствие понижения плотности вещества.
Газообразные вещества характеризуются малыми плотностями. Поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице. Если молекулы газа полярные то поляризация может быть дипольной, однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация.
Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется электронной и дипольной поляризациями. Чем больше электрический момент диполей и число молекул в единице объема, тем большей диэлектрической проницаемостью обладают жидкие диэлектрики. Диэлектрическая проницаемость жидких полярных диэлектриков изменяется в пределах от 3 до 5,5.
Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диэлектрическую проницаемость, изменяющуюся в широких пределах. Для неорганических стекол (квазиаморфных диэлектриков) диэлектрическая проницаемость изменяется в пределах от 4 до 20. Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц, помимо электронной и ионной поляризации имеют ионно–релаксационную поляризацию и характеризуются невысоким значением диэлектрической проницаемости. Так например ξ r каменной соли имеет значение 6, корунда 10, рутил 110, а титанат кальция 150. (Все значение ξ r приведены для температуры 20 °С.)
Полярные органические диэлектрики обнаруживают дипольно-релаксационную поляризацию в твердом состоянии. К таким диэлектрикам относятся целлюлоза и продукты ее переработки, полярные полимеры. Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается также у льда. Диэлектрическая проницаемость указанных материалов в большой степени зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются для полярных жидкостей.
Можно отметить, что диэлектрическая проницаемость льда резко меняется в зависимости от температуры и частоты. При низких частотах и температуре, близкой к О°С, лед, как и вода, имеет ξ r~ 80, однако с понижением температуры ξ r быстро падает и доходит до 2,85.
Диэлектрическая проницаемость сложных диэлектриков, представляющих собой механическую смесь двух компонентов с разными диэлектрическими проницаемостями определяется, в первом приближении, на основании логарифмического закона смешения.
Ток в газах может возникнуть только при наличии в них ионов или свободных электронов. Ионизация нейтральных молекул газа возникает либо под действием внешних факторов, либо вследствие соударений заряженных частиц с молекулами.
Электропроводность жидких диэлектриков тесно связана со строением молекул жидкости. В неполярных жидкостях электропроводность зависит от наличия диссоциированных примесей, в том числе влаги. В полярных жидкостях электропроводность определяется не только примесями, но иногда и диссоциацией молекул самой жидкости. Ток в жидкости может быть обусловлен как передвижением ионов, так и перемещением относительно крупных заряженных коллоидных частиц.
Электропроводность твердых тел обусловливается передвижением, как ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях.
В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность связана только с наличием примесей, удельная проводимость их весьма мала.
В системе СИ удельное объемное сопротивление ρ v равно объемному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого материала (если ток проходит сквозь куб, от одной его грани к противоположной), умноженному на 1 м.
Для плоского образца материала в однородном поле удельное объемное сопротивление (Ом-метр) рассчитывается по формуле
ρ= RS / h ,
где
R — объемное сопротивление образца, Ом;
S— площадь электрода, м2 ;
h — толщина образца, м.
Удельная объемная проводимость γ измеряется в сименсах на метр
Потери в диэлектрике (диэлектрические потери)- это мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью.
При постоянном напряжении нет периодической поляризации. Качество материала при этом характеризуется значениями удельного объемного и поверхностного сопротивлений. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнительные причины, вызывающие потери в диэлектрике.
Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.
Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно, велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором использован данный диэлектрик а, следовательно, и величину затухания.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--