Ответы с Ириными дополнениями (987310), страница 6
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.