електропровідність діелектриків
Токи наскрізний електропровідності пов'язані з наявністю в діелектриках невеликої кількості вільних зарядів і инжекцией їх з електродів.
Провідність діелектрика при постійній напрузі визначається по наскрізного струму, який супроводжується виділенням і нейтралізацією зарядів на електродах. При визначенні провідності діелектриків на постійній напрузі слід витримувати їх в електричному полі до повного припинення протікання струмів зміщення. При змінній напрузі активна провідність визначається не тільки наскрізним струмом, а й активними складовими струмів зміщення.
Електропровідність діелектриків в більшості випадків іонна, рідше -електронний.
У твердих діелектриків розрізняють об'ємну та поверхневу електропровідності. Для їх порівняльної оцінки у різних матеріалів використовують питомий об'ємний r і питомий поверхневий rs опору.
Питомий об'ємний опір r чисельно дорівнює опору куба з ребром в 1 м, подумки виділеного з матеріалу, якщо струм проходить через дві протилежні грані цього куба і має розмірність [Ом × м]; 1 Ом × м = 100 Ом × см.
У разі плоского зразка матеріалу при однорідному полі r розраховують за формулою:
R - об'ємний опір, Ом;
S - площа електрода, м 2;
h - товщина зразка, м.
Питомий поверхневий опір rs чисельно дорівнює опору квадрата (будь-яких розмірів), подумки виділеного на поверхні матеріалу, якщо струм проходить через дві протилежні сторони цього квадрата.
Розмірність rs [Ом]. Питомий поверхневий опір визначається за формулою:
Rs - поверхневий опір зразка матеріалу між паралельно поставленими електродами шириною d, віддаленими одна від одної на відстані r.
За питомою об'ємною опору можна визначити питому об'ємну провідність:
і відповідно питому поверхневу провідність:
Електропровідність діелектриків залежить від їх агрегатного стану, а також від вологості і температури навколишнього середовища.
Опір діелектрика (опір ізоляції) # 119877; з,
укладеного між двома пластинами, до яких докладено
напруга # 119880 ;, обчислюється за формулою:
# 119877; з = # 119880; # 119868; ут - # 931; # 65024; # 119868; пол, (3.18)
# 931; # 65024; # 119868; пол = # 119868; абс - сума струмів, викликаних уповільненими меха-
Повна провідність твердого діелектрика є сума об'ємної і поверхневої провідності:
Величина, що характеризує час, протягом якого на-
напруга на обкладинках конденсатора, відключеного від харчування, зменшується внаслідок розрядки в # 119890; раз,
називається постійної часу # 120591; 0:
# 120591; 0 = # 119877; з # 119862; = 8,85 # 12539; 10-12 # 120588; # 120576 ;.
В інженерній практиці найчастіше для характеристики розсіювати енергію в електричному полі використовують кут діелектричних втрат. А так же тангенс цього кута.
Діелектричними втратами називають електричну потужність, затрачену на нагрів діелектрика, що знаходиться в електричному полі.
Розглянемо еквівалентну схему конденсатора з діелектриком, що володіє втратами. Вона побудована шляхом заміни конденсатора з втратами на ідеальний конденсатором з паралельно або послідовно включеним активним опором (рис. 3.5).
Мал. 3.5. Паралельна (а) і послідовна (б) еквівалентні схеми діелектрика з втратами і векторні діаграми для них
Обидві схеми еквівалентні один одному, якщо при рівності повних опорів Z1 = Z2 = Z рівні відповідно їх активні і реактивні складові. Ця умова буде дотримано, якщо кути зсуву струму щодо напруги рівні і значення активної потужності однакові.
Для паралельної схеми:
Ia - активна складова струму;
Ic - реактивна складова струму.
Тоді з векторної діаграми для паралельної схеми:
Потужність, що розсіюється в діелектрику, для даної схеми дорівнює:
Для послідовної схеми:
де Ua - активна складова напруги; Uc - реактивна складова напруги.
Тоді з векторної діаграми для послідовної схеми:
Потужність, що розсіюється в діелектрику, для даної схеми дорівнює:
де - реактивна складова опору кола.
З наведених виразів для паралельної і послідовної схем можна знайти співвідношення між Ср і Сs. а також між R і r:
Таким чином, кутом діелектричних втрат d називають кут, що доповнює до 90 ° кут зсуву фаз j між струмом і напругою в ємнісний ланцюга.
У разі ідеального діелектрика вектор струму в ланцюзі випереджає вектор напруги на кут 90 °, при цьому кут d дорівнює нулю. Чим більше розсіюється в діелектрику потужність, тим менше кут зсуву фаз j і тим більше кут діелектричних втрат d і його функція tgd.
Для доброякісних діелектриків можна знехтувати значенням tg 2 d в порівнянні з одиницею і вважати Cp »Cs = C. Тоді вирази для потужності, як у паралельній, так і у послідовної схем будуть однакові:
Як видно, тангенс кута діелектричних втрат безпосередньо входить в формулу для розсіюється в діелектрику потужності, тому практично найбільш часто користуються цією характеристикою.
Діелектричні втрати по їх фізичну природу можна розділити на чотири основних види: втрати на електропровідність, релаксаційні втрати, іонізаційні втрати, резонансні втрати.
Мінімальна напруга U пр, що приводить до утворення в діелектрику електропровідного каналу, називається пробивним напругою.
Електрична міцність. тобто здатність діелектрика зберігати високий питомий опір, характеризується напруженістю електричного поля при пробої ізоляції в однорідному електричному полі
U пр - пробивна напруга, В;
d - товщина діелектрика, м.
Електрична міцність не є фундаментальним параметром матеріалу.
Розрізняють такі механізми пробою діелектриків:
У режимі, близькому до електричного пробою, залежність питомої
провідності від напруженості поля описується емпіричною формулою Куля
а в деяких випадках формулою Френкеля
# 947; 0 - питома провідність в області незалежності # 947; від E,
# 946; 1, # 946; 2 - коефіцієнти, що характеризують матеріал.
Електроємність (С) будь-якого конденсатора називається фізична величина, чисельно рівна відношенню заряду (G) однієї з обкладок конденсатора до різниці потенціалів (U) між обкладинками
Електроємність плоского конденсатора в СІ виражається формулою:
Де: - S - площа однієї з обкладок конденсатора;
- d -. відстань між обкладинками
При паралельному включенні конденсаторів їх електроємність складається
При послідовному включенні конденсаторів їх електроємність розраховується за формулою
Енергія (W) зарядженого конденсатора в СІ виражається формулою
Якщо до електродів, між якими розташований будь-якої діелектрик товщиною h, прикласти напругу U, то в діелектрику виникає електричне поле E з напруженістю рівній U / h (В / м)
Розподіл напруженості електричного поля в двошаровому діелектрику описується виразом:
де: - # 949; 1, # 949; 2 - діелектричні проникності матеріал шарів;
- # 917; 1, # 917; 2 -. напруженість електричного поля в даних діелектриках.