Ответы с Ириными дополнениями (987310), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходи­мого для развития ударной ионизации молекул газов, очень малы. В этом случае газ можно рассматривать как идеальный диэлектрик.

Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими поте­рями. Как известно, все газы отличаются весьма малой проводимостью, и в связи с этим угол диэлектрических потерь у них ничтожно мал, особенно при высоких частотах. Значение tgδ может быть вычислено по формуле (6.27).

Удельное объемное сопротивление газов порядка 10¹⁶Ом•м, ε ≈ 1 и tgδ при f =50 Гц (при отсутствии ионизации) менее 4•10^-8 .

При высоких напряжениях и чаще всего в неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превосходит некоторое критичес­кое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе воз­никают потери на ионизацию.

Приближенно ионизационные потери могут быть вычислены по формуле:

Pi = A₁f(U-Ui) ³

где A₁ — постоянный коэффициент; f — частота; U — приложенное напряжение; Ui — напряжение, соответствующее началу ионизации.

Формула справедлива при (U>Ui и линейной зависимости tgδ от Е). Значение ионизирующего напряжения Ui зависит от давле­ния газа, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега электронов. С увеличением давления газа выше атмосферного значение напряжения начала ионизации возрастает.

Ионизационные потери являются дополнительным механизмом ди­электрических потерь для твердого диэлектрика, содержащего газо­вые включения. Ионизация газа в таких включениях особенно ин­тенсивно происходит при радиочастотах. На рис. 6.17 показано влияние газовых включений на характер tgδ с увеличением напряже­ния. При возрастании напряжения свы­ше Ui (начало ионизации) tgδ растет. При U > Ui когда газ во включениях уже ионизирован, требуется меньшая энергия на дальнейшее развитие про­цесса и tgδ уменьшается

Кривую tgδ = F(U) часто называют кривой ионизации. При высоких часто­тах ионизация и потери в газах воз­растают настолько, что это явление может привести к разогреву и разру­шению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает ионизационное значение.

Возникновение ионизации газа, заполняющего поры в твердой изо­ляции, нередко также приводит к ее разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что в одних случаях вызывает химическое разрушение органической изоляции, содержащей газовые включения, в других — цепную реакцию окис­ления, инициированную бомбардировкой материала заряженными час­тицами.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках. Диэлектриче­ские потери в твердых диэлектриках зависят от структуры материалов. Различные твердые вещества имеют разный состав и строение; в них возможны все виды диэлектрических потерь.

1. Диэлектрические потери в веществах с молекулярной структурой зависят от вида молекул.

Диэлектрики, имеющие молекулярную структуру с неполярными молекулами и не содержащие примесей, обладают ничтожно малыми ди­электрическими потерями. К таким диэлектрикам относятся сера, це­резин, неполярные полимеры — полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол (см. гл. 7) и др. Указанные вещества в связи с их малыми потерями применяют в качестве высокочастотных диэлектриков. Твердые диэлектрики, состоящие из полярных молекул, представ­ляют собой главным образом органические вещества, широко исполь­зуемые в технике: полярные полимеры — эпоксидные компаунды, кремнийорганические и феноло-формальдегидные смолы, полиамиды (капрон и т. п.), полиэтилентерефталат (лавсан), гетинакс и др. Все они благодаря присущей им дипольно-релаксационной поляризации имеют большие потери, особенно при радиочастотах.

2. Диэлектрические потери в веществах с ионной структурой зависят от особенностей упаковки ионов в решетке.

В веществах с кристаллической структурой и плотной упаковкой ионов в отсутствие примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются потери на электропроводность весьма малы.. К веществам данного типа относятся многочисленные кристаллические неорганические сое­динения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамики, например, корунд, входящий в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко увеличива­ют диэлектрические потери.

К диэлектрикам, имеющим кристаллическую структуру с неплот­ной упаковкой ионов, относится ряд кристаллических веществ, харак­теризующихся релаксационной поляризацией, вызывающей повышен­ные диэлектрические потери. Многие из них входят в состав керами­ческих масс, изоляторного фарфора, огнеупорной керамики и т. д.

Диэлектрические потери в квазиаморфных веществах с ионной структурой — неорганических стеклах — отличаются некоторыми осо­бенностями. В стеклах за релаксацию ответственны слабосвязанные ионы, совершающие перескоки из одной ячейки пространственной структурной сетки в другу

б)

Рис. 6.18. Частотная и температурная зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для неорганического стекла:

1 — потери на электропроводность;

2 — релаксационные потери;

3— суммарные потери

Потенциальные барьеры, ограничиваю­щие движение слабосвязанных ионов, неодинаковы вследствие локаль­ных неоднородностей структуры стекла. Поэтому релаксационные по­тери в стеклах определяются широким набором времен релаксации, что приводит к расширению и некоторому сглаживанию максимумов в температурной и частотной зависимостях тангенса угла диэлектричес­ких потерь (рис. 6.18). Чем больше набор времени релаксации, тем меньше значение релаксационного максимума, так как уменьшается число релаксаторов каждого типа. Сглаженные максимумы релаксаци­онных потерь могут в значительной мере маскироваться потерями на электропроводность и не проявляться в явном виде.

При очень высоких частотах, приближающихся к частотам собст­венных колебаний ионов, в стеклах возможны также резонансные потери.

12. Электропроводность диэлектриков. Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости.

Идеальный диэлектрик имеет бесконечно большое элек­трическое сопротивление и не пропускает электрический ток. Однако диэлектрики, используемые в технике, обладают неко­торой электропроводностью (током утечки), и их удельное сопротив­ление составляет величину, лежащую в пределах от 10⁶ до 10¹⁷ Ом•м и выше. Электропроводность диэлектриков зависит от их химического состава и строения, типа и концентрации дефектов и ионогенной примеси, а также интенсивности воздействия внешнего ионизирую­щего излучения, напряженности электрического поля, температуры, влажности, давления и т.п. Электропроводность обусловлена нали­чием свободных и слабо связанных носителей заряда в диэлектрике, а также зарядов, инжектированных в сильных полях из электродов (холодная эмиссия электронов из катода). Эти заряды под действием приложенного постоянного напряжения приобретают направленное движение (дрейф), вызывая тем самым электрический ток.

В зависи­мости от вида заряженных частиц (ионы, электроны и коллоидные частицы) различают ионную, электронную и электрофоретическую проводимости. В слабых электрических полях у газообразных диэлек­триков электропроводность ионная и электронная, у жидких — ион­ная и электрофоретическая, у твердых — ионная.

Электропроводность объемная и поверхностная

Электропроводность диэлектриков имеет две характерные осо­бенности. Первая особенность заключается в том, что при приложе­нии к образцу твердого или жидкого диэлектрика постоянного на­пряжения через него протекает ток сквозной проводимости (ток Утечки) I, который складывается из двух составляющих: тока объем­ной проводимости Iu тока поверхностной проводимости Is (рис. 3.1):

I=Iu + Is (3-1)

Для сравнительной оценки величин токов объемной и поверхно­стной проводимостей пользуются значениями удельного объемного со­противления ρ и удельного поверхностного сопротивления ρs или удельнoй объемной проводимости γ и удельной поверхностной проводимости γs. Значениями ρ и γs обычно пользуются только для твердых ди­электриков. Для плоского образца, находящегося в однородном электриче­ском поле при постоянном напряжении U (рис. 3.2), удельное объемное р (Ом•м) и удельное поверхностное рs (Ом) сопротивления оп­ределяются соответственно по формулам:

р = RS/h, ps = 2πRs / ln(dl/d2), (3.2)

где R — объемное сопротивление образца, Ом (R= U/Iu); Rs — по­верхностное сопротивление образца, Ом (R = U/Is); S — площадь из­мерительного электрода, м2 (см. рис. 3.2, I); h — толщина образца, м; d1 — внутренний диаметр «кольцевого» электрода, м; d2 — диаметр измерительного электрода, м.

Удельная объемная γ , См/м (Ом^-1 м^-1 ) ,и удельная поверхностная γs, См (Ом^-1 ), проводимости являются величинами, обратными соот­ветствующим удельным сопротивлениям:

γ = 1/ρ, γ = 1/ρs- (3.3)

Токи смещения, абсорбции и сквозной проводимости

Вторая характерная особенность электропроводности диэлектри­ков — спадание тока со временем после приложения постоянного напряжения. При включении постоянного напряжения ток в диэлек­трике вначале резко возрастает, а затем постепенно снижается, асим­птотически приближаясь к некоторой установившейся величине (рис. 3.3). Резкое возрастание тока вначале и последующее его сни­жение вызваны током смещения Iсм в диэлектрике. Плотность тока смещения Iсм определяется скоростью изменения вектора электриче­ского смещения D (или вектора Е, поскольку D = εεoЕ):

jсм = ∂D/∂τ = εoε£ (∂E/∂τ). (3.4)

Ток смещения Iсм вызван как мгновенными (деформационными) видами поляризации, так и замедленными (ре­лаксационными), а также перераспре­делением свободных зарядов — их дрейфом (без разряжения на электро­дах).

В первом случае из-за кратковре­менности установления электронной и ионной поляризаций Iсм не удается за­фиксировать с помощью прибора.

Рис 3.3. Зависимость величины тoка I в диэлектрике от времени приложения постоянного напряжения (схематически):

Iсм - ток смещения, вызванный деформационными видами поляризации;

Iаб - ток абсорбции;

Iск - ток сквозной проводимости;

1 - Электрическое старение;

2 - Электроочистка.

Ток смещения, обусловленный деформационными видами поляризации, имеет важное значение в работе p-n перехода полупроводниковых приборов.

Во втором случае ток смещения наблюдается в технических диэлектриках от нескольких минут до нескольких де­сятков минут после приложения напря­жения и называется током абсорбции Iаб.

Ток абсорбции Iаб вызван релаксационными видами поляризации и перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика. Он приводит к накоплению носителей заряда в местах наибольшей кон­центрации ловушек (уровней захвата) — дефектов решетки, неоднородностей, границ раздела и т.п. В результате в диэлектрике возни­кают объемные заряды, и электрическое поле в нем становится неоднородным. Поле, создаваемое объемными зарядами, направлено в данном случае обратно приложенному полю. Ток абсорбции при постоянном напряжении наблюдается только в момент включения и выключения, при переменном напряжении — в каждый полупериод изменения электрического поля, т.е. практически в течение всего времени приложения переменного напряжения.

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)