I. Основы строения и свойств материалов

Введение

Дисциплина «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» относится к числу основополагающих учебных дисциплин для многих специальностей. Однако содержание этого курса лекций зависит от специальности, для которой он предназначен. Данный конспект предназначен для студентов Электротехнического факультета, поэтому разделу «Электротехнические материалы» уделено больше времени.

Основополагающие термины дисциплины.

Материалы – это совокупность предметов труда, которые человек преобразует в трудовом процессе, превращая в продукты труда (предметы потребления и средства производства).

Материаловедение – наука, изучающая строение, свойства материалов, связь между строением и свойствами, а также влияние на них внешних воздействий (теплового, механического, химического и т. д.).

Технология – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства.

I. Основы строения и свойств материалов

Классификация материалов

Существует несколько классификаций материалов. Например, по агрегатному состоянию все материалы подразделяются на следующие типы:

– твёрдые материалы;

– жидкости;

– газы;

– плазма.

Газ – это состояние вещества, в котором атомы и молекулы не связаны или слабо связаны силами взаимодействия и, хаотически двигаясь, заполняют весь объём. Если силами взаимодействия молекул в газе пренебречь, то такой газ называется идеальным.

Жидкости – вещества, сочетающие свойства газов и твёрдых тел. Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положения равновесия и перескоков из одного положения в другое.

Твёрдое тело характеризуется стабильностью формы. У него атомы могут совершать лишь малые (тепловые) колебания вокруг фиксированных положений равновесия.

Плазма – это особое состояние вещества, здесь оно не рассматривается.

Для данного курса больше подходит классификация технических материалов по назначению:

1) конструкционные;

2) электротехнические;

3) триботехнические;

4) инструментальные;

5) рабочие тела;

6) топливо;

7) технологические.

   В курсе лекций рассматриваются только конструкционные и электротехнические материалы.

Конструкционные материалы – твёрдые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическому нагружению.

Электротехнические материалы предназначены для изготовления изделий, применяемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии.

Общие сведения о строении вещества

Строение атома

Атом – это наименьшая частица химического элемента, обладающая его свойствами.

Атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов и т. д. Электрон имеет массу покоя me = 9,1·10^-28г, является носителем наименьшего электрического заряда (кванта электричества)

е = 1,6·10^-19 Кл. Основные характеристики электрона, протона и нейтрона приведены в табл.1.

                                                                            Таблица 1

              Характеристики элементарных частиц

Характеристика	Электрон	Нейтрон	Протон
Масса покоя me	1	1838,5	1836
Заряд е	–1	0	+1

В данном курсе рассматривается простейшая планетарная модель атома, в которой протоны и нейтроны составляют положительно заряженное ядро атома, а электроны движутся по орбитам вокруг ядра. Ядро атома и окружающие его электроны образуют устойчивую пространственную систему. Электроны могут вращаться не по произвольным, а только по строго определенным орбитам, соответствующим устойчивому состоянию атома.

Количество протонов в ядре и порядок заполнения электронами оболочек можно определить по таблице Д. И. Менделеева.

Самые ближние орбиты электронов называются основными, на них электроны могут находиться очень долго, а более удаленные – возбужденными. Здесь электрон долго находиться не может.

Электрон при поглощении фотона (кванта электромагнитного поля) может переходить с основной орбиты на более удаленную (неустойчивую, возбужденную орбиту). Но через некоторое время электрон испускает фотон и возвращается на основную устойчивую орбиту.

Каждой орбите электрона соответствует определённый уровень энергии. Совокупность уровней энергии образует энергетический спектр атома. Они несут информацию об атомной структуре вещества.

Химическая связь

Такие газы как гелий, аргон, неон – одноатомные. Большинство веществ в природе существует в виде молекул, состоящих из нескольких атомов. В молекуле между атомами возникают различные связи.

Под химической связью понимают взаимодействие между атомами, обусловленное совместным использованием ими электронов.

Главные особенности химической связи:

1) значение полной энергии многоатомной системы меньше, чем сумма энергий несвязанных атомов, из которых она образована.

2) электронная плотность в поле связи заметно отличается от плотности электронов в не связанных атомах.

Природа химической связи определяется электрическим кулоновским взаимодействием ядер и электронов. При образовании связи электроны распределяются так, что силы, стремящиеся сблизить и оттолкнуть ядра, уравновешиваются.

Наиболее часто в молекулах встречаются следующие связи:

    – ковалентная;

    – ионная;

    – металлическая;

    – молекулярная.

Ковалентная связь возникает при обобществлении электронов двумя соседними атомами. Обобществление ведёт к формированию общей для связывающихся атомов электронной пары.

Ионная связь – тип химической связи, энергия которой определяется кулоновскими силами притяжения противоположно заряженных ионов. Признаком соединений с ионной связью является свойство разлагаться на ионы в полярных растворителях (например, в воде).

Металлическая связь характерна для металлов и приводит к образованию твёрдых кристаллических тел. Металлы можно рассматривать как системы, построенные из положительно заряженных атомных остовов  в узлах решётки, находящихся в среде свободных электронов.

Молекулярная связь. Такая связь существует в некоторых веществах между молекулами с ковалентными связями. При сближении двух молекул с ковалентной связью валентные электроны в обеих молекулах начинают вращаться согласованно, и между молекулами возникает сила притяжения. Молекулярная связь наблюдается, например, в парафине, имеющем низкую температуру плавления, свидетельствующую о непрочности этой связи. Молекулярная связь называется также связью Ван-дер-Ваальса (в честь нидерландского учёного).

ЛЕКЦИЯ №2

II. Электротехнические материалы

Диэлектрики

Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость

Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

Любой диэлектрик, помещенный в электрическое поле, можно рассматривать как конденсатор определённой ёмкости.

Заряд конденсатора равен

Q = CU,

где C – ёмкость конденсатора; U – напряжение, приложенное к диэлектрику.

Одной из важнейших характеристик диэлектрика, является относительная диэлектрическая проницаемость e:

e = Q / Q_о = (Q_о + Q_д) / Q_о = 1 + Q_д / Q_о,

где Q_о – заряд конденсатора, если бы его пластины разделял вакуум;

Q_д – дополнительный заряд, обусловленный поляризацией.

Из этого выражения следует, что относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума.

Основные виды поляризации. Все виды поляризации можно разбить на две группы:

 – упругие (быстрые, мгновенные), совершающиеся в диэлектрике без рассеяния энергии, то есть без выделения тепла;

 – неупругие (медленные), сопровождаемые рассеянием энергии в диэлектрике, то есть нагреванием. Их ещё называют релаксационными поляризациями.

Поляризаций без потерь всего два вида:

 – электронная;

 – ионная.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов.

Ионная поляризация возникает в кристаллических диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов, имеющих плотную упаковку. Сущность её заключается в смещении ионов электрическим полем: положительных – в сторону отрицательного электрода, отрицательных – в сторону положительного электрода.

Релаксационных поляризаций в диэлектриках несколько типов:

 – дипольная;

 – ионно-релаксационная;

 – миграционная;

 – спонтанная (самопроизвольная) и др.

У некоторых молекул из-за несимметричной структуры не совпадают центры положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы называются диполями. Если диполи поместить во внешнее поле, то они начинают ориентироваться по полю, что приводить к дипольной поляризации диэлектрика.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в некоторых твёрдых неорганических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (например, в неорганических стеклах). Она заключается в переброске электрическим полем слабосвязанных ионов (ионов примесей) в ходе тепловых колебаний из положений временного закрепления в новое положение.

Миграционная поляризация наблюдается в неоднородной, в частности слоистой изоляции, состоящей из диэлектриков с различными значениями электрических параметров (диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости γ). Например, в случае с двухслойной изоляцией на границе между диэлектриками из-за разной плотности тока слоев будет накапливаться заряд. Этот процесс закончится, когда плотности тока слоев станут равны. Обычно он продолжается 1-3 минуты и приводит к новому распределению напряжения между слоями и увеличению диэлектрической проницаемости ε. В переменном поле в изоляции будет всё время наблюдаться ток добавочной миграционной поляризации и добавочные потери в диэлектрике.

Самопроизвольная поляризация характерна для сегнетоэлектриков, имеющих целые области (домены), обладающие поляризацией в отсутствие внешнего поля. В электрическом поле домены начинают ориентироваться по полю, это даёт эффект очень сильной поляризации.

Все диэлектрики по виду поляризации можно подразделить на следующие основные группы:

1. Неполярные или слабополярные.

2. Полярные.

3. Твёрдые неорганические диэлектрики:

  а) с плотной упаковкой ионов; б) с неплотной упаковкой ионов.

4. Сегнетоэлектрики.

5. Слоистые диэлектрики.

ЛЕКЦИЯ №3

Диэлектрическая проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков

 

Диэлектрическая проницаемость газов. Газообразные вещества имеют малые плотности вследствие больших расстояний между молекулами, поэтому диэлектрическая проницаемость всех газов незначительна и близка к единице (ε ≈ 1,00007 – 1,0014). У газов могут быть только два вида поляризации: электронная и дипольная. Однако и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация. А для неполярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость примерно равна ε ≈ n², где n – показатель преломления света в диэлектрике.

Диэлектрическая проницаемость газа зависит от температуры, для характеристики этой зависимости введен температурный коэффициент диэлектрической проницаемости:

  .

Температурный коэффициент для газов отрицателен.

Диэлектрическая проницаемость газов не зависит от частоты, так как электронная поляризация успевает за любой частотой.

Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков. Жидкие диэлектрики бывают:

   – неполярные;

   – полярные.

В жидких неполярных диэлектриках только один вид поляризации – это электронная поляризация. Значения диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелики и близки к значению квадрата показателя преломления света ε ≈ n², обычно она не превышает ε ≤ 2,5.

При нагревании из-за расширения диэлектрика диэлектрическая проницаемость уменьшается, это связано с уменьшением числа молекул в единице объема, поэтому  ≈ –β, где β – температурный коэффициент объемного расширения жидкости. Затем, при дальнейшем увеличении температуры до кипения, ε падает примерно до ε ≈ 1.

Диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты, так как электронная поляризация успевает за любой частотой.

В жидких полярных диэлектриках два вида поляризации (электронная и дипольная), поэтому для них ε > n² и превышает ε > 3,5. У сильно полярных жидкостей значение диэлектрической проницаемости очень высоко: у воды ε ≈ 81, у спирта ε = 33.

Температура на дипольную поляризацию действует двояко:

 – за счет уменьшения вязкости жидкости и ослабления связей между молекулами ориентация диполей облегчается;

 – за счет усиления хаотического движения молекул ориентация затрудняется.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости полярной жидкости обычно имеет максимум (рис. 1,а). Сначала решающее значение имеет первый фактор, а после температуры t₁ – второй.

Частота влияет на диэлектрическую проницаемость полярного жидкого диэлектрика (рис. 1,б). При низких частотах диполи успевают за частотой, а при большой частоте диэлектрическая проницаемость уменьшается до значения, обусловленного электронной поляризацией ε ≈ n².

                    a)                                      б)

Рис. 1. Зависимости диэлектрической проницаемости полярного

      жидкого диэлектрика: а) от температуры; б) от частоты

Диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков. В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации.

В неполярных твердых диэлектриках может быть только электронная поляризация. Диэлектрическая проницаемость ε ≈ n². При нагревании из-за расширения твердого диэлектрика диэлектрическая проницаемость уменьшается. Диэлектрическая проницаемость твердых неполярных диэлектриков как и у жидких диэлектриков не зависит от частоты.

Для полярных твердых диэлектриков характерны те же закономерности, что и для полярных жидких. У них диэлектрическая проницаемость

ε > n², однако среди них нет таких сильно полярных диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью, как вода и спирт. Диэлектрическая проницаемость их обычно лежит в диапазоне ε =3 – 7. Влияние температуры и частоты на полярный диэлектрик такое же, как и на полярную жидкость (рис. 1).

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой ионов, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диапазон изменения диэлектрической проницаемости значительно шире, чем электронная. Поэтому диэлектрическая проницаемость ε > n². Например, для каменной соли n² = 2,37, а ε = 6; у рутила n² = 7,3, а ε = 110. Диэлектрическая проницаемость ионных кристаллов не зависит от частоты, так как время установления ионной поляризации порядка 10^-13 секунд, и она успевает за частотой до 10¹² – 10¹³ Гц. Для большинства ионных кристаллов диэлектрическая проницаемость ε с увеличением температуры увеличивается. Это вызвано тепловым расширением кристаллов и ослаблением связей между ионами и потому к увеличению их смещения. Исключением являются кристаллы, содержащие ионы титана. У них с увеличением температуры ε уменьшается.

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой ионов, в которой наблюдается, помимо электронной и ионной, так же и ионно-релаксационная поляризация, характеризуются в большинстве случаев сравнительно невысоким значением диэлектрической проницаемости. К ним относятся фарфор: ε ≈ 6 – 7, неорганические стекла

ε ≈ 4 – 20. Есть и исключения, например минерал перовскит, у которого

ε = 160, используемый для получения керамических конденсаторов с большой удельной емкостью. Большинство таких диэлектриков имеет большой положительный температурный коэффициент. У некоторых материалов влияние температуры аналогично их влиянию на дипольную поляризацию, однако на практике это значительно менее выражено.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика в основном определяется доменной (самопроизвольной) поляризацией и сильно зависит от напряженности поля и температуры. Доменная поляризация наблюдается при разных частотах вплоть до сверхвысоких радиочастот, лишь за тем начинает не успевать за частотой. С увеличением температуры ослабевают силы, препятствующие ориентации доменов по полю, поэтому диэлектрическая проницаемость увеличивается. При некоторых температурах происходят структурные изменения, так называемые фазовые переходы. При благоприятной температуре наблюдается максимум доменной поляризации и соответственно относительной диэлектрической проницаемости (рис.2). Эта температура называется (точкой) температурой Кюри. При превышении температуры Кюри диэлектрическая проницаемость ε резко падает за счет исчезновения доменной поляризации.

      Рис.2. Зависимость ε= f(t) для сегнетоэлектрика

Зависимости диэлектрической проницаемости слоистого диэлектрика от температуры и  частоты сильно зависят от состава. Обычно они очень сложны, общих закономерностей у них нет, поэтому их лучше определять экспериментально.

ЛЕКЦИЯ №4

ЛЕКЦИЯ 5

 Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Диэлектрические потери в диэлектрике можно характеризовать рассеиваемой мощностью, которая определяется по формуле

P = U²·ωC·tgδ,

где ω – угловая частота (ω = 2πf); C – емкость диэлектрика; U – напряжение, прикладываемое к диэлектрику; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

На рис.4 приведена схема замещения и векторная диаграмма диэлектрика с потерями. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90^о  угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Рис. 4. Схема замещения а) и векторная диаграмма б) диэлектрика

          с потерями

Виды диэлектрических потерь. Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

1) потери, обусловленные поляризацией;

2) потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

3) ионизационные  потери;

4) потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Из всех видов поляризации с потерями наиболее часто в диэлектриках встречаются дипольная и ионно-релаксационная. У них есть общие закономерности:

а) tgδ при определенной частоте f₁ имеет максимум;

б) у tgδ наблюдается также максимум при некоторой температуре t_1, характерной для данного диэлектрика.

В схеме замещения эти виды потерь хорошо описываются цепочкой из емкости C и сопротивления r (рис. 4,a).

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью,всхеме замещения хорошо описываются сопротивлением R

(рис. 4,a). Они не зависят от частоты:

P = U²/R.                                      

Так как сопротивление R зависит от температуры, то и потери от нее также зависят. Они возрастают с температурой по экспоненциальному закону:

P = A·exp(–b/T),                                 

где A и b – постоянные материала.

Тангенс δ в этом случае может быть вычислен по формуле

tgδ = ,                                               (1)

где f – частота напряжения, Гц; ρ – удельное сопротивление, ;

Ионизационные диэлектрические потери. Эти потери свойственны газообразным диэлектрикам. Они появляются, если напряжение, приложенное к диэлектрику, превысит критическое значение U_кр, при котором начинаются ионизационные процессы. До напряжения U_кр диэлектрические потери практически равны нулю, а затем они резко увеличиваются, и их можно оценить по приближенной формуле

где A – постоянный коэффициент, f – частота поля.

Ионизационные потери возникают также в жидких и твердых диэлектриках в газовых пузырьках и включениях.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры. Они наблюдаются в слоистых диэлектриках: бумаге, пропитанной маслом, в пористой керамике, текстолите, стеклотекстолите и т. д. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков общей формулы расчета диэлектрических потерь не существует.

Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации молекул газа, очень малы. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации из-за больших расстояний между молекулами не сопровождается диэлектрическими потерями.

Но так как у газов электропроводность очень мала, то угол диэлектрических потерь ничтожно мал. Величину tgδ можно определить по формуле (1). Для газа tgδ ≈ 4·10^–8.

 При напряженностях поля больше E_кр в газе начинается ионизация, и потери резко возрастают.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. Среди жидких диэлектриков следует отдельно рассматривать неполярные и полярные.

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. У чистых жидких диэлектриков электропроводность мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Можно рассчитать tgδ по формуле (1). Например, для нефтяного конденсаторного масла получим tgδ ≈ 0,001. Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков зависят от температуры, так как с увеличением температуры уменьшается удельное сопротивление жидкого диэлектрика. У неполярного диэлектрика tgδ с ростом частоты уменьшается. А диэлектрические потери не зависят от частоты.

В полярных жидкостях потери обусловлены двумя причинами:

а) электропроводностью; б) дипольной поляризацией.

Потери, вызванные электропроводностью, зависят только от температуры. Для дипольной поляризации tgδ имеет максимум при некоторой температуре t₁. Если теперь учесть оба вида потерь и просуммировать обе зависимости, то получим график, показанный на рис.5,а. Влияние частоты f на tgδ и рассеиваемую мощность показано на рис.5,б

Рис.5. Влияния температуры а) и частоты б) на потери в полярном

      жидком диэлектрике

 

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках. В твёрдых диэлектриках возможны все виды поляризации и потерь. Для выяснения общих закономерностей твёрдые диэлектрики делят на следующие группы.

1. Диэлектрики молекулярной структуры:

а) неполярные, б) полярные.

2. Диэлектрики ионной структуры:

а) плотной упаковки, б) неплотной упаковки.

3. Сегнетоэлектрики.

4. Диэлектрики неоднородной структуры.

Неполярные диэлектрики обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями, и их применяют в качестве высокочастотных диэлектриков. Тангенс δ для них можно рассчитать по формуле (1). Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков не зависят от частоты. При увеличении температуры уменьшается удельное сопротивление диэлектрика, а это приводит к увеличению тангенса диэлектрических потерь.

Изменение tgδ от температуры и частоты в полярных диэлектриках

такое же, как и для жидкого полярного диэлектрика.

В твёрдых веществах ионной структуры с плотной упаковкой ионов только два вида поляризации: электронная и ионная. В этих диэлектриках диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах увеличиваются потери от сквозной электропроводности. С ростом частоты tgδ уменьшается, как и у неполярных диэлектриков, так как активный ток остаётся постоянным, а реактивный увеличивается.

В твёрдых веществах ионной структуры с неплотной упаковкой ионов имеет место значительная ионно–релаксационная поляризация, поэтому наблюдаются закономерности изменения tgδ от температуры и частоты, характерные для дипольной поляризации.

Здесь два вида потерь:

а) потери, вызванные передвижением слабосвязанных ионов. Они рассматриваются как потери, обусловленные электропроводностью, возрастающие с температурой и почти не зависящие от частоты (tgδ уменьшается с ростом частоты);

б) потери, вызванные релаксационной поляризацией, у которых tgδ зависит от температуры и частоты.

Для большинства видов электрокерамики количество ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возрастает с температурой, поэтому максимум tgδ отсутствует и температурная зависимость tgδ подобно неполярным диэлектрикам в первом приближении имеет экспоненциальный характер.

Особенностью сегнетоэлектриков является то, что в них самопроизвольная (спонтанная) поляризация проявляется в определённом температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с температурой в области спонтанной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда доменная структура разрушается.

Зависимости tgδ от температуры и частоты в диэлектриках неоднородной структуры очень сложные и определяются как суммы зависимостей составляющих.

ЛЕКЦИЯ №6

Пробой диэлектриков

Общая характеристика явления пробоя. Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства электроизоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U_пр, а соответствующее значение напряженности поля – электрической прочностью диэлектрика E_пр.

Основные виды пробоя следующие:

– электрический пробой;

– тепловой пробой;

– электрохимический пробой (электрическое старение).

Электрический пробой вызывается ударной ионизацией электронами, возникающей в сильном электрическом поле и приводящей к резкому возрастанию плотности электрического тока.

Тепловой пробой обусловлен прогрессивно нарастающим выделением теплоты в диэлектрике под действием диэлектрических потерь или электропроводности и приводящим к термическому разрушению диэлектрика.

Электрохимический пробой обусловлен медленными изменениями химического состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием электрического поля или частичных разрядов в диэлектрике, приводя к необратимому уменьшению сопротивления изоляции и пробою её при напряжённостях значительно меньших, чем электрическая прочность диэлектрика. Этот процесс также называется электрическим старением диэлектрика.

Пробой газа. В газах возникает только электрический пробой. В воздушном промежутке вследствие радиоактивного и космического излучения всегда присутствует небольшое количество заряженных частиц. Электроны  в электрическом поле разгоняются электрическим полем и приобретают дополнительную энергию:

W = g·Е·λ,

где g – заряд электрона, Е – напряженность поля, λ – средняя длина свободного пробега электрона до очередного соударения.

Если напряженность достаточна (то есть Е ≥ Е_пр), то возникает быстро нарастающий поток электронов, приводящий к пробою промежутка.

 Пробивная напряжённость (Е_пр) газа зависит от многих факторов. Одним из важнейших факторов является вид поля. На рис.6. приведены зависимости пробивных напряжений от расстояния между электродами для трёх классических промежутков.

Электрическая прочность газа зависит также от плотности газа, которая является функцией давления и температуры.

Рис. 6. Зависимость электрической прочности газа от формы электродов и

       расстояния между ними: 1– остриё-плоскость; 2 – остриё-остриё;

       3 – шар-шар

 

Пробой жидких диэлектриков. Теория пробоя жидких диэлектриков не так хорошо разработана, как для газов. В жидких диэлектриках механизм пробоя и пробивное напряжение зависят от чистоты диэлектрика.

Различают три степени чистоты:

1) диэлектрики содержат эмульсионную воду и твёрдые механические загрязнения;

2) технически чистые, диэлектрики практически не содержат эмульсионной воды и механических загрязнений;

3) особо тщательно очищенные, т. е. совершенно не содержат воды и механических загрязнений, а также хорошо дегазированы.

В особо тщательно очищенных жидких диэлектриках возникает только электрическая форма пробоя. Плотность жидкости существенно больше плотности газа, поэтому в них значительно меньше длина свободного пробега электронов (λ), а значит существенно выше пробивная напряжённость.

В электроэнергетике обычно используются технически чистые жидкие диэлектрики, в которых в незначительных количествах возможны примеси. Особенно сильно снижает электрическую прочность жидкого диэлектрика эмульсионная вода, находящаяся в нем даже в небольшом количестве. Пробой увлажнённых жидкостей происходит следующим образом. Капельки эмульсионной воды в электрическом поле поляризуются, втягиваются в пространство между электродами, деформируются и, сливаясь, образуют мостики с малым электрическим сопротивлением, по которым и происходит разряд. Образование мостиков приводит к значительному снижению прочности масла.

Пробой твердых диэлектриков. В твёрдых диэлектриках возможны все виды пробоя. Каждый из указанных видов пробоя может иметь место для одного и того же диэлектрика в зависимости от характера электрического поля (постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты), а также от наличия в диэлектрике примесей и дефектов.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. Электрический пробой протекает очень быстро за время, меньшее 10^-7–10^-8 секунд, и по своей природе является чисто электронным процессом, т. е. происходит ударная ионизация атомов электронами и образование лавин. У твёрдых диэлектриков длина свободного пробега электронов меньше, чем у жидких, поэтому для получения необходимой энергии ионизации (W = g·Е·λ ≥ΔW) нужно увеличить напряжённость поля.

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счёт диэлектрических потерь, превышает количество тепловой энергии, которая может рассеиваться в данных условиях. При этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер и заканчивается обугливанием, расплавлением, прожогом и т. д.

Процесс электрохимического пробоя развивается в электрических полях с напряжённостью, значительно меньшей, чем электрическая прочность диэлектрика. Одна из разновидностей электрохимического пробоя – ионизационный пробой.

Некоторые твёрдые диэлектрики и системы изоляции обладают известной пористостью. Допустим, в бумажно-масляной изоляции после заливки масла остались газовые (воздушные) пузырьки. Распределение напряжённости между масляной изоляцией Е_м и воздушными пузырьками Е_в не равномерное:

,

т.е. к воздушному пузырьку прикладывается напряжённость примерно в 2,2 раза больше, чем к маслу, а прочность воздуха много меньше  

(Е_пр(воз) ≈ 30 кВ/см, Е_пр(м) ≈ 200 кВ/см). Это приводит к тому, что воздушный промежуток будет пробиваться несколько раз на каждой полуволне промышленной частоты. При каждом пробое происходит обугливание бумаги и разложение масла с увеличением воздушного пузыря.

Этот процесс получил название – частичный разряд. Частичные разряды присутствуют во многих видах изоляции, при каждом пробое происходит незначительное снижение прочности изоляции, однако со временем идет накопление повреждения изоляции и снижение её прочности – старение изоляции.

В дальнейшем может произойти пробой изоляции при коммутационных перенапряжениях (во время включения или отключения электроустановок) или даже при номинальном напряжении.

Изготовить слоистую изоляцию без частичных разрядов практически невозможно. Поэтому в слоистой изоляции допускается такой уровень частичных разрядов, который бы обеспечивал достаточно большой срок службы (τ) изоляции (время жизни диэлектрика) до 20 лет.

ЛЕКЦИЯ №7

 Физико-химические и механические свойства диэлектриков

   Для диэлектриков наиболее важны следующие свойства:

1. Влажностные.

2. Тепловые.

3. Механические.

Влажностные свойства. Многие электроизоляционные материалы используются в условиях повышенной влажности воздуха, и вода может попадать на них, если электрооборудование не имеет герметичного корпуса, например, такого, как у конденсатора.

Относительной влажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение

φ = 100,

где m – масса водяного пара в единице объема, г/м³; m_нас – масса водяного пара в единице объема при насыщении, г/м³.

За нормальную влажность воздуха в нашей стране принята относительная влажность φ = 65 %. В воздухе с нормальной влажностью при 20 ^оС содержание водяных паров m = 11,25 г/см³.

Для предохранения поверхности электроизоляционных деталей от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

Способность диэлектриков смачиваться водой характеризуется углом смачивания θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность тела

(рис. 7.) Чем меньше угол θ, тем сильнее смачивание. Для смачиваемых поверхностей угол θ < 90^о, для несмачиваемых – θ > 90^о.

Рис. 7. Капля жидкости на смачиваемой поверхности диэлектрика (а)

       и на нес