Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков, страница 4

В предлагаемой версии сохраненаструктура первого электронного издания, которая позволяет получить представления офизических процессах, протекающих в электротехнических материалах в соответствиис современным уровнем знаний, взаимосвязью технологии, строения, химическогосостава, основных свойств материалов с численными значениями их параметров напримерах наиболее характерных материалов различных групп и особенностях ихприменения.Курс электротехнического материаловедения носит описательный характер всвязи с этим для лучшей усвояемости в учебнике полностью переработанаиллюстративно-графическая часть.

Так для иллюстрации физических процессов иявлений, протекающих в материалах, в электронной версии учебника широкоиспользуется анимация.7В связи с тем, что в высоковольтных системах и устройствах важную роль играютдиэлектрические материалы, по сравнению с первым электронным изданием былорасширено описание свойств конкретных диэлектрических материалов. Добавленытакже разделы по радиационной стойкости и радиационной технологии различных группдиэлектриков. Существенные изменения претерпели также разделы, описывающиесвойстваактивных диэлектриков, таких как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики,электреты, на основе которых возможно создание различных электронных устройств.Ряд дополнений и изменений коснулся также и разделов по магнитным,полупроводниковым, проводниковым и сверхпроводниковым материалам.

Введеныновыеразделыпонанокристаллическимдиэлектрическим,магнитнымиполупроводниковым материалам.С целью лучшего усвоения теоретических разделов и выбора материалов сзаданными параметрами для определенных целей в новую версию учебника помещеныконтрольные вопросы по всем разделам. Все вопросы снабжены краткими ответами,которыми читатель может воспользоваться при необходимости.8Электропроводность диэлектриковОбщие представления об электропроводностидиэлектриковСквозной ток - Iскв (ток утечки) протекает по диэлектрику под воздействиемпостоянного напряжения - обусловлен наличием в диэлектриках свободных носителейзаряда различной природы.ВиддиэлектрикаГазообразныеЖидкиеНосители заряда (областьслабых полей)Положительные иотрицательные ионыВ сильных полях такжеэлектроныИоныКоллоидные заряженныечастицыТвердыеИоныТочечные дефектыкристаллической решетки:вакансии (пустые узлы)межузельные ионыЭлектроны проводимости илидырки в заполненной зонеПрирода носителей заряда (происхождение)Ионизация молекул газаГлавным образом ударная ионизация ифотоионизация молекул газаДиссоциация молекул примеси (режесобственных молекул)Характерны для эмульсий (коллоидныечастицы жидкости) и суспензий(взвешенная фаза твердое вещество)Диссоциация примесей или собственныхмолекулЗависят от структуры кристаллическогодиэлектрикаВ диэлектриках с электронным механизмомпроводимостиЗависимость тока от времени приложения постоянногонапряженияВ момент включения постоянного электрического поля через диэлектрикэлектрического конденсатора протекает ток смещения — Iсм, обусловленный быстрымивидами поляризации.В однородных неполярных диэлектриках затем устанавливается ток сквознойпроводимости — Iскв.В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции — Iабс,вызываемый активными составляющими токов, связанных с установлениемзамедленных (релаксационных) поляризаций.

Во многих диэлектриках, используемых вкачестве электрической изоляции, Iабс устанавливается за время меньше 1 мин.9Рис. 1.1 Временные зависимости токов, протекающихчерез неполярный диэлектрик при включении ивыключении напряженияТоки абсорбцииТоки абсорбции могут устанавливаться в диэлектрике в течение длительноговремени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшениетока Iабс может наблюдаться в течение минут или даже часов.

После установления токаабсорбции через диэлектрик будет протекать только ток сквозной проводимости.При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходиморасчет вести по току сквозной проводимости Iскв, исключая токи абсорбции.Рис. 1.2. Временные зависимости токов длядиэлектрика, в котором возникают токи абсорбцииПри ионной проводимости наличие блокирующих контактов сэлектродами.

Блокирующие контакты препятствуют прохождению носителей зарядачерез границу электрод-диэлектрик или разряда носителей, подходящих из объема награнице с электродом.10Рис. 1.3. Возникновение абсорбционного тока приналичии блокирующих контактов с электродамиНеоднородная структура диэлектрика. Накопление заряда на границахраздела вызывает перераспределение электрического поля. Посмотрите, как протекаетэтот процесс на примере простой неоднородной структуры – двухслойного диэлектрика,состоящего из двух слоев с различными диэлектрическими проницаемостями ε1 и ε2 .Рис. 1.4. Возникновение абсорбционного тока вдвухслойном диэлектрикеИонная или молионная проводимость в жидком диэлектрике. Необратимоеудаление носителей заряда и разрядка их на электродах (электроочистка). Посмотритекак протекает процесс электроочистки в коллоидном растворе, представляющем собойсуспензию – твердые заряженные частички в жидкой среде.11Рис.

1.5. Процесс электроочистки в коллоидномраствореМеханизмы возникновения и уменьшения токаабсорбцииИнжекция электронов или дырок в диэлектрик. Захват носителей заряда наловушках (дефектах решетки) и исключение их из процесса переноса тока. Посмотрите,как появляются абсорбционные токи при инжекции электронов в диэлектрик.Рис.

1.6. Прохождение инжекционного тока черездиэлектрик с ловушкамиНаличиевдиэлектрикезамедленнойполяризации.Установлениерелаксационной поляризации с течением времени. Посмотрите как возникают токиабсорбции при релаксационной поляризации.12Рис. 1.7. Возникновение тока абсорбции прирелаксационной поляризацииПростейшие формулы для объемной и поверхностнойпроводимости диэлектриковПараметрыОбъемная плотность тока-jРазмерность(в системе СИ)А/м2Напряженность электрического поля-EВ/мКонцентрация носителей заряда-nм-3Величина заряда-qКлСредняя скорость носителей заряда-vм/сПодвижность носителей заряда-µ-γ- γ0м2/В⋅сУдельная объемная проводимостьПредэкспоненциальный множитель-1Ом-1ОмОсновныесоотношенияj=γ⋅ Eρ=1/γJ=n⋅q⋅v/E⋅м⋅м-1-1µ=v/Eγ=γ0⋅exp(-W/k⋅T)Простейшие формулы для объемной и поверхностнойпроводимости диэлектриковПараметрыρРазмерность(в системе СИ)ОсновныесоотношенияОм⋅мρ=R⋅S/dУдельное объемное сопротивление-Сопротивление диэлектрика-RОмПлощадь электродов-Sм2Толщина диэлектрика-dмУдельное поверхностноесопротивлениеШирина электрода--bмРассстояние между электродами-hмТемпература-TКЭнергия активации носителей заряда-WДж(Эв)Постоянная Больцмана-k1.38⋅ 10-23 Дж/KρsОм(8.62⋅ 10-5 Эв/К)ρs= R⋅b/h13Поверхностное сопротивление твердых диэлектриковУдельное поверхностное сопротивление ρs диэлектриков является параметромдиэлектрика и зависит от природы диэлектрика, температуры, влажности, приложенногонапряжения.

Характер этих зависимостей в общем случае сходен с аналогичнымизависимостями для удельного объемного сопротивления. Сильно увлажняютсяполярные и пористые диэлектрики. ρs диэлектриков связано с величиной краевого угласмачивания и твердостью диэлектрика. Как видно из таблицы −чем меньше краевойугол и выше твердость, тем ниже ρs увлажненного диэлектрика.МатериалПолитетрафторэтиленПолиметилметакрилатУльтрафарфорПлавленый кварцКраевойуголсмачиванияТвердостьпо шкалеМосса1137350271-22-34-57ρs.10-15 Ом, при относительнойвлажности воздуха:0%98%5005101005001.50.016.5 10-4При нагревании увлажненной изоляции ρs таких материалов может расти сповышением температуры с последующим спадом после высушивания.При низких температурах ρs высушенного материала имеет значительно болеевысокие значения (на 6-7 порядков выше).Для увеличения значения ρs диэлектриков пользуются различными приемами:промывкой в кипящей дистиллированной воде или растворителях в зависимости отвида диэлектрика, прогреванием до достаточно высокой температуры, покрытиемповерхности влагостойкими лаками, глазурями, размещением изделий в защитныхкорпусах и оболочках и т.д.Электропроводность газообразных диэлектриковВ области слабых электрических полей носители заряда в газах появляются врезультате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света,радиоактивного, ультрафиолетового и других излучений.В результате часть нейтральных молекул распадается на положительные ионы иэлектроны.

Электроны в большинстве случаев захватываются другими нейтральнымимолекулами, образуя отрицательные ионы, которые участвуют в общем тепловомдвижении. Некоторая часть электронов, встречаясь с положительными ионами,рекомбинирует,образуянейтральныечастицы,приэтомвыделяетсярекомбинационное излучение в виде квантов света. На длине свободного пробега ионыполучают от электрического поля дополнительную скорость.Достигаяпротивоположнозаряженныхэлектродов,носителизаряданейтрализуются на них и в цепи возникает электрический ток.Вольтамперная характеристика газообразного диэлектрика для слабых исредних полей (до 106 В/м) приведена на рисунке.14Рис.

1.8. Вольт-амперная характеристикагазообразного диэлектрика:ab – область слабых полей, закон Ома;bc – область средних полей, насыщение;cd – область сильных полей, ударная ионизация.На участке cab приближенно соблюдается закон Ома j=γ.E, т.к. концентрацияносителей заряда сохраняет постоянное значение вследствие равновесия междупроцессами ионизации и рекомбинации, распределение потенциала линейно. ЗаконОма выполняется в очень слабых полях до значений Е<1 В/м, при этом γ =10-13 Ом-1 .

м-1(для нормальных атмосферных условий при расстоянии между электродами h=1см).На участке bc (насыщение) скорость носителей заряда возрастает настолько, чтоони не успевают рекомбинировать и почти все достигают электродов (jнас=10-14 - 10-16А/м2). В постоянном поле в этом случае накапливается объемный заряд положительный у катода, отрицательный у анода. Разряд на участке abc называютнесамостоятельным.

На участке cd начинается ударная ионизация молекулэлектронами. Это область сильных полей (для воздуха Е>106 В/м). При напряженностиЕпр газ пробивается (самостоятельный разряд).Электропроводность жидких диэлектриковОсновную роль играют два типа электропроводности: ионная и молионная(катафоретическая).В неполярных и слабополярных жидкостях носителями заряда в основномявляются ионы, возникающие при диссоциации молекул примесей.Степень диссоциации (отношение числа диссоциированных молекул к общемучислу молекул жидкости) зависит от химической природы примесей, концентрации идиэлектрической проницаемости.

Степень диссоциации возрастает с увеличениемдиэлектрической проницаемости.Собственная ионная электропроводность наблюдается при диссоциациимолекул жидкости с ионным характером связи.Электронная электропроводность может наблюдаться в сильных полях приэмиссии электронов с катода в тщательно очищенных от примесей жидкостях.Молионная электропроводность характерна для коллоидных растворов,например для многих электроизоляционных лаков в неотвержденном состоянии,содержащих мелкодисперсный наполнитель, пигмент и др.