Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

 

Под действием внешнего электрического поля с напряженностью Е₁ в металлическом теле (рис. 2.4) свободные электроны перемещаются к одной поверхности, которая получает отрицательный заряд, противоположная поверхность заряжается положительно (явление электростатической индукции).

 

Рис. 2.4

 

В результате разделения зарядов в проводнике создается внутреннее электрическое поле с напряженностью Е₂, направленное противоположно внешнему. Движение свободных электронов в проводнике в данном случае кратковременно, пока напряженности внешнего и внутреннего полей не уравняются.

При равенстве Е₁ = Е₂ результирующая напряженность электрического поля равна нулю. Напряжение между двумя любыми точками проводника также равно нулю, т. е. его потенциал во всех точках один и тот же.

Следовательно, при наличии в проводнике свободных носителей заряда электростатическое поле в нем существовать не может.

Если в электрическое поле поместить проводник с полостью внутри, то в этом случае заряженные частицы будут только на его поверхности, а внутри металла и полости электрическое поле отсутствует.

Электрическое поле в однородном диэлектрике.

Различают диэлектрики с полярными и неполярными молекулами. Полярные молекулы в электрическом отношении можно рассматривать как электрический диполь (рис. 2.5, а, б).

 

а) б) в)

 

Рис. 2.5

 

Электрический диполь — это совокупность двух частиц с электрическими зарядами, равными по величине и противоположными по знаку, расстояние между которыми очень мало по сравнению с расстоянием от них до точек наблюдения.

Во внешнем электрическом поле полярная молекула (диполь) испытывает действие пары сил, которая поворачивает ее так,чтоэлектрический момент оказывается направленным так же, как и напряженность поля (на рис. 2.5 б, в показан диэлектрик в равномерном электрическом поле между двумя заряженными металлическими пластинами).

В неполярных молекулах диэлектрика под действием внешнего электрического поля заряженные частицы смещаются вдоль направления вектора напряженности Е, в результате чего молекулы приобретают свойство диполей.

Это явление ограниченного смещения заряженных частиц в молекуле или изменения ориентации дипольных молекул в диэлектрике под действием электрического напряжения называется поляризацией диэлектрика.

В результате поляризации диэлектрика поляризованные молекулы располагаются вдоль линий напряженности внешнего электрического поля (напряженность Е₀). При этом внутри диэлектрика в любом объеме, не меньшем объема молекулы, сохраняется равенство обоих зарядов того и другого знака, так что диэлектрик остается нейтральным. Однако по поверхностям диэлектрика, прилегающим к металлическим пластинам, распределены частицы, обладающие зарядом одного знака: отрицательным на границе с положительной пластиной и положительным на границе с отрицательной пластиной (рис. 2.5, в). На обеих поверхностях заряд распределен равномерно с одинаковой плотностью s. Таким образом, на границе между металлической пластиной и диэлектриком распределены два вида заряженных частиц: свободные частицы металлической пластины с общим зарядом Q₀, которые создают внешнее электрическое поле (напряженностьЕ₀), и связанные частицы диэлектрика с общим зарядом Q_п, противоположного знака, создающие внутреннее поле (напряженность Е_п).

Электрическое поле в диэлектрике соответствует общему заряду частиц Q = Q₀ - Q_п, и его можно представить как результат наложения двух полей — внешнего и внутреннего.

Векторы напряженности этих полей Е₀ и Е_п„ направлены противоположно, поэтому напряженность результирующего поля Е = Е₀ - Е_п.

При определении характеристик электрического поля в диэлектрике это можно учесть, введя в выражения, определяющие электрическую силу, напряженность поля или потенциал [см. формулы (2.1), (2.3) и др.], вместо электрической постоянной e₀ величину e _а > e₀, считая общий заряд равным заряду свободных частиц (Q = Q₀).

Величина e _а, характеризующая свойства диэлектрика, получила название абсолютной диэлектрической проницаемости.

Замена в формулах электрической постоянной диэлектрической проницаемостью позволяет расчет электрического поля в диэлектрике вести так же, как в вакууме, т. е. не учитывая явления поляризации диэлектрика.

Величину диэлектрической проницаемости для различных диэлектриков можно найти в соответствующих справочниках. Обычно в справочных таблицах указана относительная диэлектрическая проницаемость e_r — отношение абсолютной диэлектрической проницаемости e _а к электрической постоянной e₀ : e_r = e _а / e₀.

Основные электрические свойства диэлектриков. Любое, даже самое простое электрическое устройство нельзя построить без диэлектрических материалов. Большинство их применяют для электрической изоляции, т. е. для отделения друг от друга и от земли электропроводных частей, имеющих между собой разность электрических потенциалов.

Электрическая изоляция полностью или частично окружает токоведущие части и закрывает все те потенциально возможные пути электрическому току, которые не предусмотрены специально электрической схемой устройства, установки.

Между электропроводными участками, с разными электрическими потенциалами, имеется электрическое поле, следовательно, диэлектрические материалы находятся под действием этого поля или, как говорят, «несут электрическую нагрузку».

Напряженность электрического поля в диэлектрике зависит от напряжения между проводниками (электродами), расстояния между ними, формы и размеров электродов, величины диэлектрической проницаемости.

Электрическую нагрузку изоляции оценивают величиной напряженности электрического поля в ней. Чем больше напряженность поля, тем больше силы, действующие на заряженные частицы молекул (рис. 2.5, б). Этим силам противодействуют внутримолекулярные силы сцепления частиц, от величины которых зависят электроизоляционные свойства диэлектриков. Если напряженность электрического поля превысит некоторую критическую величину, то диэлектрик теряет электроизоляционные свойства. Это явление называют пробоем диэлектрика, а величину напряжения, при котором оно происходит, — пробивным напряжением.

Величина напряженности электрического поля, соответствующая пробивному напряжению, называется электрической прочностью диэлектрика.

Электрическую прочность (Е_пр) определяют отношением пробивного напряжения (U_пр) к толщине диэлектрика (d), т. e. Е_пр = U_пр / d.

Для обеспечения надежной работы электрических устройств и установоких электроизоляция должна иметь определенный запас прочности (К), который выражается отношением электрической прочности Е_пр к действительной величине напряженности электрического поля E, т. e. К = Е_пр / Е.

Пробой электрической изоляции обусловлен многими факторами и в зависимости оттого, какие из них преобладают, различают электрический, электротепловой, электрохимический пробои.

Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, которые возникают под действием сильного электрического поля и приводят к значительному местному увеличению электропроводности к моменту пробоя.

В идеальном диэлектрике, электропроводность которого равна нулю, пробой может произойти при большой величине напряженности электрического поля в результате разрыва внутримолекулярных связей заряженных частиц под действием электрических сил.

Опыты показывают, что в реальных диэлектриках пробой наступает при значении напряженности поля, меньшем той, при которой разрываются внутримолекулярные связи. Электропроводность диэлектриков очень мала, но не равна нулю, что свидетельствует о наличии в них некоторого (хотя и малого) количества свободных заряженных частиц.

Под действием электрического поля эти частицы (преимущественно электроны) приобретают скорость и сталкиваются с нейтральными атомами и молекулами диэлектрика. При увеличении напряженности поля скорость электронов достигает величины, достаточной для отделения от нейтральных частиц других электронов.

В результате количество свободных электронов лавинообразно увеличивается (процесс называется ударной ионизацией) и диэлектрик в некоторой области становится электропроводным. Такая примерная схема пробоя характерна для газов.

В жидких и твердых диэлектриках основную роль играют электротепловые процессы. С увеличением напряженности электрического поля увеличивается движение свободных электронов внутри диэлектрика (объемный электрический ток), по его поверхности (поверхностный ток) и увеличивается выделение теплоты.

При переменном напряжении (в установках переменного тока) электрическая изоляция находится в переменном электрическом поле, что является причиной непрерывного периодического изменения поляризованности (периодически изменяется смещение заряженных частиц и ориентация молекул-диполей).

Поэтому в диэлектрике электрическая энергия преобразуется в теплоту. При определенной величине напряженности электрического поля происходит местный перегрев электроизоляционного материала, в результате чего он растрескивается, обугливается и становится в этом месте электропроводным. Такой пробой называют электротепловым и наблюдается он наиболее часто.

Пробой может быть следствием электрохимических процессов в диэлектрике, связанных также с действием электрического поля. Электрическая прочность диэлектриков существенно зависит от наличия в них инородных примесей (например, капли воды в масле, газовые включения в твердых диэлектриках), от многих других факторов, в числе которых форма, частота изменения и продолжительность действия напряжения; форма электродов; толщина, температура, влажность диэлектрика и др.

Энергию, преобразуемую в единицу времени в диэлектрике в теплоту при воздействии на него электрического поля, называют диэлектрическими потерями.

Эти потери нежелательны, как и любые другие потери энергии, но они, кроме того, значительно ухудшают условия работы электроизоляции.

Однако нагревание некоторых веществ за счет диэлектрических потерь используется для их сушки или развития химических реакций, протекающих при повышенных температурах.

Диэлектрические материалы.

Общую оценку диэлектрического материала можно дать по его основным электрическим свойствам, учитывая, что хороший материал имеет высокую электрическую прочность, низкую электропроводность, малые диэлектрические потери. В некоторых случаях имеет особое значение величина диэлектрической проницаемости или зависимость ее от напряженности внешнего электрического поля

Однако при выборе диэлектрических материалов для конкретных условий необходимо учитывать и другие физические и химические свойства: механическую прочность, твердость, эластичность, вязкость, гигроскопичность и влагопроницаемость, теплостойкость и холодостойкость, радиационную стойкость и др.

Важное значение имеют технологические и экономические качества, которыми определяются способы изготовления изоляционных деталей и конструкций, возможность применения тех или других видов обработки, нанесения изоляционных покрытий, а также стоимость и дефицитность материалов.

Электроизоляционные, механические и другие свойства диэлектриков зависят от их химической природы и в этой связи их делят на органические и неорганические.

Многие органические материалы нашли широкое применение в электротехнике, так как вместе с удовлетворительными электроизоляционными свойствами имеют хорошие механические и технологические качества, в том числе гибкость, эластичность, возможность изготовления и применения в виде волокон, лент, пленок и изделий других разнообразных форм. Однако их применение ограничено из-за относительно низкой теплостойкости.

При высоких рабочих температурах для электроизоляции применяют материалы неорганического происхождения, которые в большинстве не обладают гибкостью и эластичностью, а для обработки требуют более сложной технологии.

В электрической практике применяют также электроизоляционные материалы, по свойствам промежуточные между органическими и неорганическими, которые созданы искусственно на органической основе с включением в молекулы атомов элементов, обычно не входящих в органические вещества.

По агрегатному состоянию электроизоляционные материалы подразделяют на газообразные, жидкие и твердые. Особую группу составляют твердеющие материалы, которые в исходном состоянии и при изготовлении изоляции — жидкости, а затем отвердевают и в эксплуатации являются твердыми телами.

Газообразные диэлектрики. Из газообразных диэлектриков наибольшее значение имеет воздух, который ввиду повсеместного распространения является частью системы электрической изоляции подавляющего большинства электро- и радиотехнических устройств.

Диэлектрическая проницаемость воздуха мало отличаетсяотэтого показателя для вакуума (e_r = 1), электропроводность и диэлектрические потери при нормальных условиях по величине незначительны.

По сравнению с большинством жидких и твердых диэлектриков электрическая прочность воздуха в несколько раз ниже.

Кроме воздуха в качестве электроизоляции применяют инертные газы (неон, аргон, криптон), водород, азот, углекислый газ и др.

Рис. 2.6

Жидкие диэлектрики. В качестве электроизоляционных материалов в жидком виде применяют нефтяные электроизоляционные масла, некоторые синтетические жидкости.

Применение жидких диэлектриков в конструкционном отношении во многих случаях более сложно, чем твердых. Однако, выполняя роль электрической изоляции, жидкие диэлектрики позволяют одновременно решать и другие задачи, которые с помощью твердых материалов решить труднее или совсем нельзя.

В маслонаполненном трансформаторе (см. рис. 2.6) масло выполняет не только роль электрической изоляции, но является хорошей теплоотводящей средой; в высоковольтном масляном выключателе масло играет активную роль в гашении электрической дуги.

Масло хорошо пропитывает твердые волокнистые материалы (бумагу, пряжу, ткани и т. д.), заполняет пространство между конструктивными элементами, чем значительно улучшает электрическую изоляцию того или другого устройства.

Из синтетических жидких диэлектриков наиболее широко применяется хлорированные углеводороды (в частности, совол, совтол, гексол), кремнийорганические жидкости.

Электроизоляционные свойства жидких диэлектриков значительно понижаются при увлажнении и загрязнении.

Твердые диэлектрики. Многие твердые диэлектрики, выполняя роль электроизоляции, одновременно несут механическую нагрузку.

Волокнистые электроизоляционные материалы изготовляют из волокон различных веществ — органических (растительных, синтетических) и неорганических (стекло, асбест).

Для электроизоляции монтажных и обмоточных проводов, кабелей, электрических машин и аппаратов применяют пряжу, ткани, бумагу, картон с последующей пропиткой специальными пропиточными составами.

Волокнистые материалы являются основой при производстве других видов электроизоляционных материалов (лакотканей, слоистых пластиков, гибких трубок и т. д.).

Пропиточные, заливочные, покровные материалы содержат в основе естественные, и синтетические высокомолекулярные вещества, в числе которых смолы, битумы, воски. Они применяются для пропитки волокнистых материалов, заливки (герметизации) отдельных элементов электроустановок, изготовления слоистых пластиков. Особенность покровных материалов (основа — растительные масла, некоторые вещества из нефти) состоит в том, что после нанесения их на изолируемую поверхность образуется тонкая гибкая твердая пленка с хорошими электроизоляционными свойствами.

Слоистые пластики изготовляют прессованием с различными связующими бумаги (гетинакс, асбогетинакс), тканей (текстолиты), древесного шпона (древеснослоистый пластик). Слоистые пластики выпускают в виде листов, цилиндров, трубок, обладающих значительной механической прочностью. Их применяют в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов для изготовления панелей, оснований печатных схем, каркасов, различных прокладок и других деталей.

Пластмассы изготовляют на основе связующих (в основном синтетических полимеров) с всевозможными наполнителями (органическими и неорганическими) и без наполнителей.

Из пластмасс методами прессования или литья изготовляют различные фасонные детали и узлы, требующие сочетания хороших электрических, механических и физических свойств. В большом количестве пластмассы идут на изготовление низковольтной установочной аппаратуры (штепсельные разъемы, патроны для электроламп и т. д.) и приборов.

Электроизоляционные пленки изготовляют из некоторых синтетических полимеров и эфиров целлюлозы. Применяют в качестве основного диэлектрика при изготовлении конденсаторов, изоляции обмоток электрических машин и аппаратов, проводов и кабелей. В ряде случаев их применяют в сочетании с волокнистой основой.

Резина — материал, получаемый из натурального или синтетического каучука методом вулканизации. Резины обладают высокой эластичностью и гибкостью, применяются в качестве электроизоляции проводов и кабелей, для изготовления гибких трубок, уплотняющих прокладок.

Слюда и слюдяные электроизоляционные материалы в чистом виде применяются в качестве основного диэлектрика конденсаторов, межэлектродной изоляции в электронных лампах. В сочетании с различными волокнистыми и склеивающими веществами слюда применяется для изготовления материалов с высокими электроизоляционными качествами. Слюдяные материалы вместе с тем имеют повышенную теплостойкость. Их применяют для изготовления изоляции электрических машин и аппаратов в тех случаях, когда необходима повышенная надежность.

Керамические материалы используют для изготовления электроизоля-ционных деталей и конструкций (электроизоляторы, каркасы катушек, штепсельные разъемы, ламповые панели и т. д.), которые изготовляют путем формовки и последующего обжига.

Стекло применяют для изготовления колб ламп электрического освещения, электровакуумных приборов, для изготовления стеклянных волокнистых материалов (волокна, пряжи, ткани, бумаги).

Сегнетоэлектрики и электреты составляют отдельную группу твердых диэлектриков, имеющих особенности в процессе поляризации.

Для сегнетоэлектриков (название от сегнетовой соли) характерен доменный тип поляризации, отличающийся тем, что в диэлектрике до наложения внешнего электрического поля имеются не отдельные полярные молекулы, а целые самопроизвольно поляризованные области (домены). Под действием внешнего электрического поля домены однообразно ориентируются так, что в диэлектрике создается большой поляризованный заряд и большой электрический момент. Следовательно, такие материалы имеют очень большую диэлектрическую проницаемость. Кроме того, зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля нелинейная, а после снятия внешнего электрического поля в сегнетоэлектриках поляризационный заряд не уменьшается до нуля, т. е. наблюдается остаточная поляризованность.

Диэлектрики, длительно сохраняющие значительную остаточную поляризованность, называют электретами.