Диэлектрики. Общие сведения.
Все вещества по
электрическим свойствам условно делятся на три группы – проводники, диэлектрики
и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочными связями
электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в их состав.
Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться под влиянием
приложенной разности потенциалов. В отличие от диэлектриков в проводниках
электрического тока электрические заряды не имеют таких связей, поэтому в
проводниках электроны могут свободно перемещаться, создавая явление
электрического тока. Практически в диэлектриках в силу ряда причин всегда
имеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных перемещаться
внутри вещества на большие расстояния. Иными словами, диэлектрики не являются
абсолютными непроводниками электрического тока. Однако в нормальных условиях
таких зарядов в диэлектриках очень мало, и обусловленный ими электрический ток,
называемый током утечки, невелик. Проводимость диэлектриков проводимости
проводников. Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие удельную
электрическую проводимость не больше 10-7 – 10-8 См/м,
проводникам – имеющие проводимость больше 107 См/м. К диэлектрикам
относятся все газы (включая пары металлов), многие жидкости, кристаллические,
стеклообразные, керамические, полимерные вещества. Поскольку свойства вещества
сильно зависят от его агрегатного состояния, обычно рассматривают отдельно
физические явления в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.
Роль жидких диэлектриков в современном мире.
В последние годы
исследования механизма ионизации, электрической проводимости и пробоя жидких
диэлектриков получили большое развитие в связи с важной ролью, которую эти
явления играют во многих современных разделах физики, химии, техники и
радиобиологии. Исследования жидких диэлектриков тесно связаны с физикой плазмы,
физикой полупроводников, дозиметрией ионизирующего излучения, физикой и
техникой электрической прочности материалов и т.д. Исследования механизма ионизации
и электрической проводимости жидких диэлектриков имеют большое значение для так
называемой физики здоровья и для медицины. Результаты этих исследований
заполняют большой пробел в наших знаниях о механизме ионизации в газах и в
жидкостях, а в особенности ионизации тканей и всего живого организма. Знания
эти играют в настоящее время очень большую роль как в радиологии, так и во
многих более общих проблемах, связанных с воздействием ионизирующего излучения
на материю
Особенности жидкого состояния вещества.
Законы теплового движения
атомов и молекул в жидкостях особенно сложны. С одной стороны, расстояния между
молекулы (атомами) жидкости почти такое же, как в твёрдом теле, поэтому
поступательные перемещения ограничены и тепловое движение носит главным образом
колебательный характер. С другой – в отличие от твёрдого тела при определённых
условиях в жидкостях появляется возможность кооперативного перемещения одних
групп молекул относительно других, что обусловливает её текучесть. Ещё одна
особенность, отличающая жидкое состояние от газообразного: благодаря большим
силам взаимодействия молекула, находящаяся в фиксированном положении (в
состоянии колебания около определённой точки), вызывает известное упорядочение
в расположении ближайших к ней молекул. Это упорядочение называют «ближним
порядком».
Электропроводность жидких диэлектриков.
В жидких диэлектриках
бывают два основных механизма электропроводности: ионный и молионный. Ионная
электропроводность определяется диссоциацией молекул жидкости, а также
различных примесей или загрязнений, которые часто встречаются на практике, так
как жидкости легко загрязняются.
В технически чистых
жидких диэлектриках всегда содержатся те или иные примеси, обычно легче
диссоциирующие, чем основной диэлектрик, поэтому проводимость в них сильно
зависит от чистоты жидкости: на собственную проводимость диэлектрика
накладывается примесная проводимость. В зависимости от природы жидкого
диэлектрика в нём могут быть разные диссоциирующие примеси. Например, нефтяному
электроизоляционному маслу сопутствуют некоторые органические кислоты; само
масло является химически нейтральным углеводородом. Эти кислоты благодаря
лёгкой диссоциации заметно повышают удельную проводимость масла. Загрязнением в
жидком диэлектрике, в частности в том же масле, является и вода, попадающая в
него непосредственно из атмосферного воздуха благодаря известной гигроскопичности
масла.
Вода в жидком диэлектрике
может быть в трёх состояниях: а) молекулярно-растворённое; б) в виде эмульсии,
то есть в виде мельчайших капель, находящихся в жидком диэлектрике во
взвешенном состоянии; в) в виде избыточной воды, не удерживающейся в эмульсии,
выпадающей из неё. Избыточная вода или тонет в диэлектрике, если его плотность
меньше
1000 кг/м3
(например, нефтяное масло), или всплывает на его поверхности, если плотность
диэлектрика больше 1000 кг/м3 (например, хлорированный дифенил –
совол).
Лёд обычно всплывает на
поверхность трансформаторного масла.
Вода в жидком диэлектрике
может переходить из одного состояния в другое при изменении температуры за счёт
изменения растворяющей способности диэлектрика. При повышении температуры
растворяющая способность увеличивается и эмульсионная вода полностью или частично
переходит в молекулярно растворённое состояние, а избыточная вода – в
эмульсионное в зависимости от значения температуры. При понижении температуры
происходит обратный процесс. При длительном воздействии высокой температуры
сказывается эффект сушки (испарения воды) жидкого диэлектрика. Гигроскопичность
жидкости зависит от её состава и от наличия полярных молекул. Полярные
молекулы, как правило, отличаются большой активностью, поэтому полярные
жидкости легче смешиваются с различными примесями и загрязнениями.
Например: молекулярная
растворимость воды в масле очень мала вследствие очень большой разницы между
размерами молекул воды и масла. Межмолекулярные силы взаимодействия в этом
случае препятствуют смешению масла и воды. Количество воды, поглощаемое маслом
из воздуха до равновесного состояния, пропорционально относительной влажности
воздуха. Скорость насыщения любой жидкости влагой, поглощаемой из атмосферного
воздуха, увеличивается с увеличением поверхности соприкосновения. При наличии в
нефтяном масле полярных примесей его гигроскопичность повышается, поэтому у
окислившихся масел с повышенным кислотным числом влагопоглощение больше, сем у
свежих.
Известно, что в составе
жидких углеводородов могут быть молекулы разной структуры, что также
сказывается на гигроскопичности. В частности масло со значительным содержанием
ароматических углеводородов отличается повышенной гигроскопичностью.
Жидким загрязнением может
быть не только вода, но и какая – либо другая посторонняя жидкость.
Остановимся на
растворимости в масле различных газов. Жидкие диэлектрики в обычных условиях
всегда содержат растворённый газ; в частности, большой способностью к
растворению газов отличается нефтяное масло. Разные газы по – разному
растворяются в жидкости. Эта их способность обычно определяется в процентах по
объёму (коэффициент растворимости). Для примера ниже приведены значения
коэффициента растворимости в масле для некоторых газов: воздух 9.4; азот 8.6;
кислород 16; углекислый газ 120; водород 7.
Благодаря этому состав
воздуха, растворённого в масле, отличается от состава атмосферного воздуха.
Обычно атмосферный воздух содержи 78% азота и 21% кислорода (по объёму), а в
масле соотношение их будет таким: 69.8% азота и 30.2% кислорода.
Изменение температуры по
– разному влияет на растворимость газов в масле. Например, при повышении
температуры от 20 до 800С растворимость водорода и азота
увеличивается, кислорода несколько понижается, а углекислого газа резко падает.
Рассмотри ионную
электропроводность жидких диэлектриков как основной её вид. Собственная ионная
проводимость зависит от способности молекул к диссоциации. Легче диссоциируют
молекулы, обладающие чисто ионными связями, так называемые гетерополярные. Диссоциация
молекул жидкости происходит и без воздействия электрического поля; установлено,
что отношение количества диссоциированных молекул в данном объёме жидкостей к
их общему количеству, называемое степенью диссоциации, зависит от относительной
диэлектрической проницаемости жидкости. В соответствии с этим правилом полярные
жидкости, имеющие большую диэлектрическую проницаемость, имеют повышенную
степень диссоциации и повышенную собственную проводимость. У жидкостей
неполярных, например нефтяного электроизоляционного масла, собственная
проводимость очень мала из – за слабой способности молекул углеводородов к
диссоциации. У таких жидкостей электропроводность в основном носит примесный
характер, а проводимость зависит как от свойств примеси, так и от её содержания
в диэлектрике. Полярные жидкости особенно чувствительны к примесям. Это
объясняется тем, что степень диссоциации молекул примесей в жидкости с большой
относительной диэлектрической проницаемостью выше, чем в жидкости с малой
диэлектрической проницаемостью. В связи с такой особенностью полярных жидкостью
у них часто бывает затруднительно отделить собственную проводимость от
примесной.
Рассмотрим закономерности
молионной электропроводности. При помощи современных оптических микроскопов с
большой разрешающей способностью в жидкости можно обнаружить коллоидные частицы
разного происхождения и проследить за характером их движения в электрическом
поле. Коллоидные частицы переносятся электрическим полем к электроду
определённого знака (при определённом напряжении). Для коллоидных частиц
примесной жидкости знак заряда частицы зависит от соотношения относительных
диэлектрических проницаемостей основной жидкости и примесей. Если относительная
диэлектрическая проницаемость примеси меньше, чем основной жидкости, то частицы
примеси заряжаются отрицательно, в противном случае – положительно. В случае
неоднородного электрического поля коллоидные частицы стремятся в зону
максимальной напряжённости электрического поля, к электроду соответствующего
знака, вследствие этого концентрация загрязнений здесь сильно повышается за
счёт известного снижения её в других зонах. Вообще при молионной
электропроводности со временем частицы загрязнений сосредоточиваются у
электродов, и таким образом происходит очистка жидкостей от загрязнений. При
переменном напряжении вследствие непрерывного изменения направления движения
коллоидных частиц эффект очистки от них не наблюдается. Вследствие эффекта
очистки с течением времени после включения постоянного напряжения удельное
сопротивление жидкости увеличивается.
Пробой диэлектриков.
Основные понятия.
Пробой – потеря
электрической прочности под действием напряжённости электрического поля – может
иметь место как в образцах различных диэлектриков и систем изоляции, так и в
электроизоляционных системах любого электротехнического устройства – от мощных
генераторов и высоковольтных трансформаторов до любого бытового прибора.
Сочетание в системах изоляции материалов, разных по электрической прочности,
может приводить к серьёзным осложнениям в эксплуатации самых разнообразных
электротехнических устройств, особенно высокого напряжения, где изоляция
работает в сильных электрических полях и может возникнуть её пробой.
Причины пробоя бывают
различными; не существует по этому единой универсальной теории пробоя. В любой
изоляции пробой приводит к образованию в ней канала повышенной проводимости,
достаточно высокой, чтобы произошло короткое замыкание в данном
электротехническом устройстве, создающее аварийную ситуацию, по существу выводящую
это устройство из строя. Однако в этом отношении пробой может проявлять себя в
разных системах изоляции по – разному. В твёрдой изоляции, как правило, канал
пробоя сохраняет высокую проводимость после выключения, приведшего к пробою
напряжения, явление протекает необратимо. В жидких и газообразных диэлектриках
вследствие высокой подвижности их частиц электрическое сопротивление канала
пробоя восстанавливается вызвавшего его напряжения практически мгновенно.
Особенности пробоя жидких диэлектриков.
Пробой жидких
диэлектриков может быть вызван разными процессами, определяющимися в основном
состоянием жидкости, степенью её дегазации и чистотой. Наиболее часто в жидком
диэлектрике встречается влага. Газы, также, как и вода, могут находиться в
жидкости в разных состояниях от молекулярного до сравнительно крупных включений
– пузырьков. Как и в газах, в жидкостях в неоднородных электрических полях
наблюдаются формы пробоя: неполный пробой – корона, искровой и дуговой разряд.
Установлено, что развитие пробоя начинается с формирования оптических
неоднородностей в межэлектродном пространстве: в местах образования будущих
каналов пробоя жидкость становится малопрозрачной. Наиболее чёткие фотографии
позволяют обнаружить густое переплетение микроскопических тёмных нитей –
развивающийся пробой древовидной формы. Высказываются предположения, что такие
оптические неоднородности связаны с образованием в жидкости газовых пузырей,
вызванных её разогревом токами эмиссии, автоионизацией молекул и ёмкостными
токами. Однако такая гипотеза пока количественно не проанализирована и не
приобрела формы теории.
В теории А.Геманта
рассматривается пробой жидкого диэлектрика, содержащего влагу в виде эмульсии.
Согласно расчётам Геманта под действием электрического поля капельки влаги
вытягиваются, приобретая форму эллипсоидов. При достаточно большой
напряжённости поля вытянутые эллипсоиды соединяются между собой, в результате
чего в образовавшемся при этом канале происходит разряд.
Экспериментально
установлено, что при повышении напряжения в жидкости, содержащей растворённый
газ, перед пробоем появляются газовые пузырьки. В результате пробивное
напряжение таких жидкостей значительно падает с понижением давления или с
приближением к температуре кипения, то есть в условиях, облегчающих образование
газовых пузырьков. Причины образования газовых пузырьков рассматривались в
теориях Н.Эдлера, П.А.Флоренского, Ф.Ф.Волькенштейна. Согласно теории Эдлера,
вблизи электрода имеется слой жидкости с повышенным удельным сопротивлением, содержащий
микроскопические зародыши газовых пузырьков. При прохождении тока через этот
слой в сильном электрическом поле выделяется такое количество тепла, что при
некотором напряжении указанный слой нагревается до температуры кипения,
происходит интенсивное газовыделение и наступает пробой. В электроизоляционных
маслах, температура кипения которых выше температуры разложения (110 – 1200С),
появление газовых пузырьков перед пробоем может быть связано не с испарением
жидкости, а с химическим разложением под влиянием нагревания. Кроме того,
образование пузырьков и их рост могут происходить под действием газового
разряда. В этом случае повышается удельный вес, возрастает вязкость масла,
увеличивается температура вспышки. Обработка масел воздействием разрядов называется
вольтализацией и находит применение в технике.
В работе, выполненной под
руководством Я.И.Френкеля, изучался пробой жидких диэлектриков, содержащих
металлические частицы. Было установлено, что сначала частицы приобретают
положительный заряд, движутся к катоду, покрывая его толстым рыхлым слоем.
Приобретая у катода отрицательный заряд, многие из них движутся к аноду, а с
течением времени всё пространство между электродами оказывается заполненным
агрегатами частиц, образующих мостики. После этого может произойти пробой.
После пробоя частицы с электродов осыпаются на дно сосуда, а между электродами
наблюдается тонкая нить – мостик из частиц, сопротивление которой составляет
около 25 Ом. Мостик сохраняется около часа, а при пропускании тока – и более
длительное время.
Изучение пробоя жидких
диэлектриков, содержащих влагу, растворённый газ, примеси твёрдых частиц,
весьма важно для практики.
Ø Адамчевкий И.
«Электрическая
проводимость жидких диэлектриков». Л., 1972
Ø Балыгин И.Е.
«Электрическая
прочность жидких диэлектриков». Л., 1964
Ø Борисова М.Э. «Физика
диэлектриков». Л., 1979
Ø Корицкий Ю.В. «Основы физики
диэлектриков». М., 1979
Главная
Документация
Файлы
Информация
Ø Адамчевкий И.
«Электрическая
проводимость жидких диэлектриков». Л., 1972
Ø Балыгин И.Е.
«Электрическая
прочность жидких диэлектриков». Л., 1964
Ø Борисова М.Э. «Физика
диэлектриков». Л., 1979
Ø Корицкий Ю.В. «Основы физики
диэлектриков». М., 1979