Влияние давления на ε учитывается барическим коэффициентом ε

Практическое занятие №27 Диэлектрические материалы,

Неорганические электроизоляционные пленки. Слюда и материалы на ее основе.

Научно-технический прогресс в электротехнических отраслях и электроэнергетике связан с производством и использованием турбо- и гидрогенераторов, электрического оборудования для линий электропередач, электрических машин, аппаратов, электроприводов, электрических конденсаторов, кабелей и т. д. Переход энергетической техники на новый уровень требует увеличения мощности, быстроходности машин, улучшения рабочих параметров электрических аппаратов, производства быстродействующих управляющих и вычислительных комплексов, электронных узлов контроля и регулирования систем. Разработка, создание и эксплуатация этих систем, машин, аппаратов, приборов при переходе на более высокую ступень зависят от возможностей синтеза новых или модифицирования уже известных электротехнических материалов — диэлектрических, магнитных, проводниковых и полупроводниковых. В высоковольтных системах, конструкциях и устройствах особую роль играют диэлектрические материалы.

Диэлектрические материалы — это класс электротехнических материалов, оказывающих большое сопротивление электрическому току и способных поляризоваться в электрическом поле. Диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей и проводников, находящихся под разными электрическими потенциалами, называют электроизоляционными материалами.

Электроизоляционные материалы относят к пассивным диэлектрикам. Это, прежде всего, многие виды полимеров, керамики, бумажная и слюдяная изоляция, трансформаторное масло и др. Параметрами активных диэлектриков, таких как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты можно управлять изменением напряженности электрического поля, температуры, механических напряжений. На их основе создают различные твердые схемы, нелинейные конденсаторы, преобразователи энергии, ячейки памяти ЭВМ и т.д.

В целом ряде электротехнических систем, аппаратов, машин, электрическая изоляция и ее параметры — электрические, тепловые, механические и др. играют решающую роль, и должны учитываться как на стадии проектирования, так и при эксплуатации объектов в различных условиях. Так, например, рост напряжений генераторов, в основном, ограничивается изоляцией обмоток статора, в которых наводится ЭДС и проходит ток. Эта изоляция должна иметь минимальную толщину и быть надежной, долговечной при воздействии электрического поля, механических нагрузок и повышенных температур. Поэтому в высоковольтных машинах применяется прочная изоляция (“монолит”, “слюдотерм” и др.), изготовляемая на основе слюды — миканиты, слюдиниты, пропитанные теплостойкими, затвердевающими при повышенных температурах компаундами и лаками. Другой пример применения диэлектрических материалов — силовые трансформаторы массовых серий, в которых для электрической изоляции используются как твердые, так и жидкие диэлектрики. В качестве жидкой изоляции применяют трансформаторное масло, которое почти в десять раз прочнее воздуха и хорошо отводит тепло. Главная изоляция трансформаторов усиливается твердым электрокартоном с разного рода прокладками, повышающими механическую прочность системы. Такая маслобарьерная изоляция обеспечивает работу трансформаторов при напряжениях 6-330 кВ. При проектировании необходимо учитывать не только факторы, обеспечивающие, например, выравнивание полей за счет комбинирования материалов, но и технологию изготовления изоляции — пропитку, сушку и т. д. В конечном счете в твердой изоляции трансформаторов удается обеспечить рабочие напряженности поля 1 - 2 кВ/мм. Сложнее создать изоляцию обмоток трансформаторов на 500, 750, 1150 кВ.

В зависимости от объекта, в котором предполагается использовать диэлектрики, требования к тем или иным параметрам материалов могут быть различными. Например, для получения наименьших размеров обычных конденсаторов при прочих равных условиях нужно иметь возможно большую диэлектрическую проницаемость материала. Для кабельной же изоляции, наряду со специфическими требованиями, обусловленными назначением и типом кабеля, требуются диэлектрики с возможно меньшей диэлектрической проницаемостью, что дает возможность уменьшить диэлектрические потери на переменном напряжении и улучшить ряд других параметров. Как правило, создание кабелей и проводов для сложных условий эксплуатации зависит от возможностей синтеза полимерных материалов с заданным комплексом свойств.

При увеличении температуры окружающей среды электрическое сопротивление диэлектриков уменьшается, а проводимость возрастает, что приводит к пропорциональному нарастанию мощности при заданном значении напряжения. В этих условиях перегрев диэлектриков, особенно в высоковольтном оборудовании, увеличивает вероятность нарушения электрической прочности изоляции, что может привести к ее пробою. Следует учитывать, что электрический пробой изоляции на оборудовании подстанций высокого напряжения или на мощных линиях — это катастрофа.

Таким образом, уже на этом ограниченном числе примеров видно, что правильный выбор диэлектрика, знание его состава, структуры, электрических, тепловых, механических, физико-химических параметров, их взаимосвязи с технологическими факторами, т. е. всего комплекса свойств обусловливают технико-экономические и эксплуатационные показатели и характеристики электротехнических систем и приборов.

В этом конспекте лекций изложены теоретические основы, необходимые для понимания физической сущности параметров и характеристик, по которым оценивается способность диэлектриков работать в различных условиях при воздействии электрического поля; приводится также необходимый минимум примеров диэлектрических материалов, необходимых для понимания основ теории.

Ограниченный объем пособия не позволил рассмотреть физико-химические свойства диэлектриков, в ряде случаев играющие определяющее значение, опущены также общие разделы, которые обычно рассматриваются в физике и химии твердого тела (виды химических связей в веществах, понятие о кристаллических, поликристаллических, аморфных материалах). Эти разделы читателю рекомендуется проработать самостоятельно.

3.1 ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

3.1.1 Определение поляризации

Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент.

Возникновение (индуцирование) электрического момента в единице объема образца диэлектрического материала или участка электрической изоляции может происходить под действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно (самопроизвольно).

Поляризованность — определяет интенсивность поляризации диэлектрика и является количественной характеристикой диэлектрика. Средний электрический момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика, дипольный момент молекул

p = q·l, (3.1.1)

где q — величина заряда, 1 — расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда. Если существует п таких молекул (диполей) в 1 м , то

J=n•р (3.1.2)

Поляризованность J, Кл-м/м³ совпадает по значению с поверхностной плотностью зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика.

Индуцированный полем электрический момент молекулы р, поляризованность диэлектрика и напряженность электрического поля Е-векторные физические величины.

Векторы J и Е в изотропных кристаллических диэлектриках и текстурах совпадают и имеют различные направления в анизотропных средах. Для изотропных (“линейных”) диэлектриков поляризованность J пропорциональна напряженности внешнего поля Е

J=ε₀·Х·Е, (3.1.3)

где X—безразмерный параметр, называемый диэлектрической восприимчивостью, а ε₀ — электрическая постоянная, равная 8,854·10^1/2Ф/м.

Для характеристики способности диэлектрических материалов к поляризации в технике используют безразмерный параметр — относительную диэлектрическую проницаемость εr (индекс r в дальнейшем будем опускать).

3.1.2 Диэлектрическая проницаемость

Рассмотрим электрический конденсатор, изготовленный из параллельных пластин площадью S, м² расстояние между которыми d, м. Приложим к пластинам (электродам) конденсатора электрическое напряжение.

В конденсаторе, помещенном в вакуум на пластинах возникнет заряд Qо, на конденсаторе, между пластинами которого диэлектрик заряд -Q. Из-за поляризации диэлектрика в электрическом поле на его противоположных сторонах возникают заряды Qд, знак которых противоположен знаку поляризационных зарядов на поверхности диэлектрика. Следовательно, полный заряд конденсатора с диэлектриком

Q=Qо+Qд=ε·Qо. (3.1.4)

Здесь ε - относительная диэлектрическая проницаемость, один из важнейших параметров, характеризующих диэлектрические материалы.

Следовательно относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика, т. е.

ε=Q/Qо=(Qо+Qд)/Qо=1+Од/Оо. (3.1.5)

Из формулы 3.1.5 видно, что если Qд=О, что соответствует относительной диэлектрической проницаемости вакуума, то ε любого диэлектрика будет больше 1. В дальнейшем для краткости в большинстве случаев термин “относительная” при наименовании диэлектрической проницаемости, опускается.

Используя понятие поляризации и ε можно классифицировать диэлектрики на ЛИНЕЙНЫЕ и НЕЛИНЕЙНЫЕ (пассивные и активные).

3.1.3 Классификация диэлектриков на линейные и нелинейные

Для большинства диэлектриков в слабых электрических полях зависимость поляризованности от напряженности поля можно записать в виде

Р=εо·Х·Е=εо(ε-1)·Е (3.1.6)

В сильных электрических полях линейная зависимость между поляризованностью и напряженностью поля нарушается. Пропорциональности между векторами Р и Е нет также у нелинейных диэлектриков, к которым относятся, в частности, сегнетоэлектрики (смотрите разделы 3.7 и 3.13). Характер изменения поляризованности и ε от напряженности поля для линейных диэлектриков, у которых Р и ε изменяются пропорционально изменению Е показан на рис.3.1.1 и 3.1.2

рис. 3.1.1.

рис. 3.1.2

Линейные диэлектрики относят к ПАССИВНЫМ диэлектрикам. Как отмечалось во введении они применяются в основном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов. НЕЛИНЕЙНЫЕ диэлектрики, параметры которых зависят от величины приложенной разности потенциалов, относят к АКТИВНЫМ диэлектрикам. Емкостью конденсатора с нелинейным диэлектриком можно управлять электрическим полем, такие конденсаторы называют варикондами.

3.1.4 Диэлектрики полярные, неполярные и с ионной структурой

В настоящее время принято разделение линейных диэлектриков по механизмам поляризации молекул. Эта классификация исключительно важна при изучении как электрических, так и общих физико-химических свойств диэлектриков.

Неполярные диэлектрики (нейтральные) - состоят из неполярных молекул, у которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. Следовательно неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент р=0.

Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др. Но при замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или не углеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. Примеры молекул неполярных и полярных веществ показаны на рис. 3.1.3.

Метан СН₄

рис. 3.1.3

К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпок-сидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.

Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны, кроме электронной, ионная и электронно- релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций - электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризацию. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд, двуокись титана (рутил) и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке имеют также и ионно-релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.

3.1.5 Электронная поляризация

Электронная поляризация возникает в результате смещения электронных облаков относительно центра ядер атомов или ионов под действием электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектриках, а в неполярных материалах является единственным видом поляризации. Происходит электронная поляризация практически мгновенно—за время 10^-14-10^-16 с. После выключения электрического поля энергия, затраченная на поляризацию, возвращается источнику электрической энергии, так как деформированные оболочки атомов и ионов возвращаются в прежнее положение. Таким образом, эта поляризация происходит без потерь энергии. Вместе с ионной поляризацией она составляет группу “упругих” или быстрых видов поляризаций.

Электрический момент, приходящийся на одну частицу (атом, ион) для не слишком больших полей, пропорционален напряженности поля

Р=Аэ·Е (3.1.7)

Коэффициент Аэ называется электронной поляризуемостью. Для многих диэлектриков, таких как газы, неполярные жидкости можно легко установить взаимосвязь между макроскопическим параметром диэлектрической проницаемостью - ε и микроскопическим параметром - поляризуемостью Аэ, используя, приведенные в разделе “Поляризация” формулы р=n·Аэ·Е=εо(ε-1)·Е, откуда

ε=1+n·Аэ/εо, (3.1.8)

Аэ частиц от температуры не зависит, но диэлектрическая проницаемость, как видно из последней формулы, зависит от числа частиц в единице объема n, которое уменьшается с повышением температуры из-за теплового расширения диэлектрика.

В температурной зависимости ε неполярных диэлектриков резкое уменьшение ε с температурой наблюдается при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое-из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное. Диэлектрическая проницаемость ε неполярных диэлектриков близка к квадрату коэффициента лучепреломления диэлектрика (следствие уравнения Максвелла) ε=n². Так как время установления поляризации у таких диэлектриков очень мало, их ε не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот, порядка 10¹⁴-10¹⁶ Гц. При таких частотах будет наблюдаться резонансная поляризация.

3.1.6 Ионная поляризация

Ионная поляризация наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время установления ионной поляризации весьма мало, всего на 2-3 порядка больше электронной поляризации. Соотношение ε=n² для веществ с ионной поляризацией не соблюдается.

Зависимость ε от температуры у твердых ионных линейных диэлектриков с ростом температуры может быть различной. У большинства ионных диэлектриков с ростом температуры ε увеличивается, так как при этом уменьшается коэффициент упругой связи между ионами и расстояние между ними увеличивается при тепловом расширении материала. Если обозначим через Купр. — коэффициент упругой связи, а через х смещение ионов, то в состоянии равновесия qЕ=Купр·dх, а элементарный электрический момент пары, состоящей из двух разноименно заряженных ионов Ри=q·dх=q²·Е/Купр и

Аи=q²/Купр. (3.1.9)

Тогда поляризованность единицы объема Ри будет равна сумме всех элементарных моментов, ε увеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы. Но у некоторых веществ и ε с большим внутренним полем электронная поляризация преобладает над ионной, как например у рутила TiО₃ и перовскита СаТiO₃, с ростом температуры уменьшается.

Если диэлектрик характеризуется не только электронной, но и ионной поляризацией, то общая поляризуемость (деформационная) будет равна сумме электронной и ионной поляризуемости А=Аэ+Аи. Наличие второго слагаемого приводит к тому, что А ионных диэлектриков больше, чем у неполярных веществ. Более высокие значения ε наблюдается у ионных диэлектриков, содержащих многовалентные ионы. В таких веществах ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, что обусловливает большую ионную поляризуемость.

3.1.7 Релаксационные виды поляризации

Замедленные или релаксационные виды поляризации проявляются в газах, жидкостях и твердых диэлектриках, если они состоят из полярных молекул, диполей или молекул, имеющих отдельные радикалы или части (сегменты), обладающие собственными электрическими моментами (дипольная, дипольно-релаксационная, дипольно-радикальная поляризации). В твердых телах возможны также разновидности релаксационной поляризации, связанные, главным образом, с химическим составом, структурой и типом дефектов (электронно-релаксационная, ионно-релаксационная, миграционная, спонтанная поляризации).

Дипольно-релаксационная поляризация часто называется ориентационной, так как она проявляется в появлении некоторой упорядоченности в расположении полярных молекул, совершающих хаотические тепловые движения под действием электрического поля. При дипольно-радикальной или дипольно-сегментальной поляризации в некоторых полярных полимерах под действием поля происходит определенное упорядочение полярных радикалов или более крупных частей макромолекул-сегментов. Релаксационная поляризованность при дипольно-релаксационной поляризации после приложения поля к диэлектрику нарастает во времени до установления значения Ро согласно выражению

Рт=Ро[1-е^-t/т], (3.1.10)

где Рт—поляризованность в момент времени Т а после снятия внешнего поля уменьшается по закону

Рт=Ро·е^-t/т. (3.1.11)

В этих выражениях т постоянная времени процесса, называется временем релаксации — она равна времени, за которое поляризация уменьшается в “е” раз, т. е. приблизительно в 2,7 раза (е—основание натуральных логарифмов). Для полярных диэлектриков величина поляризуемости А=Аэ+Адр.

Зависимость ε от температуры для полярной жидкости показана на рис.3.1.4.

рис. 3.1.4

По Дебаю, если жидкость состоит из сферических молекул, обладающих дипольным моментом, то время релаксации процесса поляризации определяется по формуле

т=4·З.14·n·а3/кТ, (3.1.13)

где n - вязкость, а - радиус молекулы. При низких температурах ориентация молекул электрическим полем затруднена, поэтому Адр невелика. При повышении температуры время релаксации уменьшается из-за уменьшения вязкости, ориентация молекул облегчается, что приводит к увеличению интенсивности дипольно-релаксационной поляризации и резкому росту ε, которая после достижения максимума уменьшается, приблизительно обратно пропорционально температуре за счет роста теплового движения молекул, препятствующего упорядочению полярных молекул (диполей).

Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для полярных диэлектриков.

С увеличением частоты в области низких частот ε полярных диэлектриков остается постоянной до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул остается меньше полупериода электрического поля (1/2f), т. е. за это время диполи успевают полностью упорядочиться в направлении поля. При дальнейшем росте частоты, когда время полупериода становится меньше времени релаксации, которое от частоты не зависит, ε начинает уменьшаться вплоть до значений, определяемых электронной поляризацией. Следовательно, на высоких частотах дипольная поляризация отсутствует , так как диполи не успевают следовать за электрическим полем. Область уменьшения ε в ее частотной зависимости называется дисперсией диэлектрической проницаемости (рис. 3.1.5).

рис. 3.1.5

В диэлектриках сложной структуры при наличии в них нескольких физических механизмов поляризации, например, за счет различных полярных групп молекул или нескольких компонентов смешанного диэлектрика с различными временами релаксации в зависимости от частоты, может наблюдаться несколько областей дисперсии.

Ионно-релаксационная поляризация

В диэлектриках с ионным типом химических связей, например в неорганических стеклах, имеющих неплотную упаковку ионов, возможна ионнорелаксационная поляризация.

Слабо связанные ионы вещества под действием приложенного электрического поля среди хаотических тепловых смещений получают избыточные перебросы в направлении поля, и смещаются на расстояния, существенно превышающие величину смещения ионов при упругой ионной поляризации. После исчезновения внешнего поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия, при этом наблюдается необратимое рассеяние энергии в виде тепла. Поляризация этого типа наблюдается при низких частотах, ε с увеличением температуры возрастает так же, как и для ионных кристаллов с плотной упаковкой, но несколько более резко.

Спонтанная поляризация

В некоторых классах полярных ионных кристаллов и веществах, относящихся к жидкокристаллическим, в определенном температурном интервале наблюдаются фазовые переходы без изменения агрегатного состояния, в процессе которых происходит существенная перестройка их структуры. Такая перестройка, не нарушая физически и химически однородное состояние вещества, приводит к существенному изменению электрических свойств диэлектриков (проводимости, диэлектрической проницаемости), оптической активности и др. Вблизи фазовых переходов, возникающих при изменении параметров окружающей среды, данные параметры могут изменяться резко, иногда на несколько порядков по величине. Такие фазовые переходы, при которых неполярные вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят в полярное состояние называют сегнетоэлектрическими, а сам процесс перехода в новое состояние спонтанной поляризацией. Неполярная фаза, как правило, является более высокотемпературной, чем полярная, но в каждом сегнетоэлектрическом веществе фазовые переходы имеют свои особенности.

Для сегнетоэлектриков характерны зависимости ε от температуры с резко выраженным максимумом, который наблюдается вблизи точки перехода (точки Кюри Тк). Сегнетоэлектрики характеризуются необычайно высокими значениями ε (до 10³-10⁵), хотя некоторые водорастворимые сегнетоэлектрики имеют ε=5-6. Характерные свойства сегнетоэлектриков обусловлены наличием у них доменной структуры — взаимосвязанных микрообластей, в пределах которых векторы поляризации структурных ячеек имеют одинаковое направление. Температурная и частотная зависимости ε для наиболее изученного сегнетоэлектрика титаната бария ВаТiO₃ показана на рис. 3.1.6. Для сегнетоэлектрических материалов характерно нелинейное изменение ε ОТ напряженности электрического поля, поэтому они относятся к нелинейным диэлектрикам.

рис. 3.1.6

3.1.8 Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, давления, влажности, напряжения

Характер температурной зависимости ε-диэлектриков с различными видами поляризаций часто определяют с помощью температурного коэффициента диэлектрической проницаемости

ТКε=1/ε·(dε/dТ). (3.1.14)

Влияние давления на ε учитывается барическим коэффициентом ε

БКε=1/ε·(dε/dР). (3.1.15)

Для линейных диэлектриков БКε, как правило, положителен, так как при всестороннем сжатии диэлектрика увеличивается число способных поляризоваться молекул в единице объема. В некоторых полярных жидкостях в зависимости ε от давления наблюдается максимум.

Увлажнение заметно увеличивает ε гигроскопического диэлектрика, что в первую очередь можно объяснить высокими значениями ε воды (Э=81). Вместе с тем при увлажнении уменьшается удельное сопротивление, увеличивается угол диэлектрических потерь и уменьшается электрическая прочность диэлектрика.

Для линейных диэлектриков, используемых главным образом в качестве электрической изоляции и диэлектрика конденсаторов, ε в большинстве случаев может считаться практически не зависящей от напряжения, приложенного к диэлектрику. Сильно выраженная зависимость ε от напряжения характерна для сегнетоэлектриков.

3.1.9 Диэлектрическая проницаемость смесей

На практике часто используются неоднородные композиционные диэлектрики, представляющие собой смеси двух или более различных веществ — компонентов смеси. К таким материалам относятся многие пластические массы, состоящие из связующего и наполнителей, керамические, волокнистые, пропитанные и непропитанные пористые материалы и т. п.

Для расчета эффективной ε* смеси положим, что отдельные компоненты не вступают друг с другом в химические реакции, т.е. смесь чисто физическая. Будем считать, что плоский конденсатор состоит из параллельно или последовательно соединенных однородных диэлектриков, как показано на рис. 3.1.8.

рис. 3.1.8

Обозначая через у₁ и у₂ доли объемного содержания (объемные концентрации) первого и второго компонента для рассмотренного случая будем иметь для параллельного соединения

ε*=у₁· ε₁+у₂· ε₂, (3.1.16)

для последовательного соединения

ε*= ε₁·ε₂/(у₁· ε₁+у₂· ε₂). (3.1.17)

Для расчета ε* статистической смеси (хаотической, неупорядоченной в пространстве) предложено большое число формул, из которых широкое применение имеет формула Лихтенеккера. Эта формула, носящая название логарифмического закона смешения, для смеси двух компонентов имеет вид

lg ε*=у₁·1g ε₁+у₂·1g ε₂, (3.1.18)

а для смеси т компонентов

Для вспененных материалов, (пенопластов, пенокерамики и др.), заполненных большим количеством мелких пор, из последней формулы, считая, что для газов ε=1, а плотность равна нулю, получается уравнение

1g ε*=d*/d_т·lgε_т (3.1.20)

где εт и dт диэлектрическая проницаемость и плотность сплошного, твердого диэлектрика, а ε* и d*— диэлектрическая проницаемость и плотность вспененного материала.

3.2 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ

3.2.1 Зависимость тока от времени приложения постоянного напряжения

В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения 1см- за время около 10^-15 с. В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — Iскв. В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции — Iабс, при чиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, Iскв устанавливается за время меньшее 1 мин. В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов.

Сквозной ток — Iскв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в таблице свободных носителей заряда различной природы.

Таблица 3.2.1

Вид диэлектрика	Носители заряда (область слабых полей)	Природа носителей заряда (происхождение)
Газообразные	Положительные и отрицательные ионы. В сильных полях также электроны	Ионизация молекул газа Главным образом ударная ионизация и фотоионизация молекул газа
Жидкие	Ионы Коллоидные заряженные частицы	Диссоциация молекул примесей (реже собственных молекул) Характерны для коллоидных растворов-эмульсий (коллоидные частицы -жидкость) и суспензий (взвешенное фаза-твердое вещество)
Твердые	Ионы Точечные дефекты кристаллической решетки, вакансии (пустые узлы), межузельные ионы Электроны проводимости или дырки в заполненной зоне	Диссоциация примесей или собственных молекул В диэлектриках с электронным элементом проводимости

3.2.2 Токи абсорбции

В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока Iабс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток 1скв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости Iскв. исключая токи абсорбции. Механизмы возникновения и уменьшения тока абсорбции показаны в табл. 3.2.2.

12 3 4 Следующая ⇒