ізація діелектриків
-15 с, що можна порівняти з періодом світлових коливань.
Іонна поляризація спостерігається в іонних кристалах і відбувається в результаті виникнення диполів внаслідок відносного зсуву (зрушення) позитивних і негативних іонів під впливом електричного поля. При цьому має місце також деформація електронних оболонок іонів, що породжує електронну поляризацію. Час встановлення іонної поляризації приблизно на порядок більше (≈ 10 -14 с).
Дипольна (орієнтаційна) поляризація спостерігається в полярних діелектриках (наприклад, в твердому H2 S). Існуючі в відсутності електричного поля електричні диполі орієнтовані хаотично. При включенні поля диполі набувають переважну орієнтацію. Цей процес і називають дипольний або орієнтаційної поляризацією.
64. Поняття електропровідність діелектриків, втрати в діелектрику, пробій в діелктрікеЕлектропроводность діелектриків. Використовувані діелектрики містять в своєму обсязі невелика кількість вільних зарядів, які переміщаються в електричному полі. Цей струм називається наскрізним струмом витоку. У діелектриках вільними зарядами, які переміщаються в електричному полі, можуть бути іони (позитивні і негативні), електрони і електронні вакансії (дірки), полярони. Ширина забороненої зони в діелектриках 3. 7 еВ, енергію, достатню для переходу в зону провідності електрони можуть придбати в результаті нагрівання діелектрика або при іонізуюче опромінення. У сильних полях можлива інжекція зарядів (електронів, дірок) в діелектрик з металевих електродів; можливе утворення вільних зарядів (іонів і електронів) в результаті ударної іонізації, коли енергія вільних зарядів достатня для іонізації атомів при зіткненні. Основні види електропровідності діелектріков1.Абсорбціоннимі струмами називаються струми зміщення різних видів сповільненій поляризації. Абсорбція струми при постійній напрузі протікають в діелектрику до моменту встановлення рівноважного стану, змінюючи свій напрямок при включенні і виключенні напруги. При змінній напрузі абсорбційні струми протікають протягом усього часу перебування діелектрика в електричному полі.
Струм абсорбції можна визначити через струм зміщення jсм - швидкість зміни вектора електричної індукції D
Наскрізний струм визначається переносом (рухом) в електричному полі різних носіїв заряду.
2.Електронние електропровідність характеризується переміщенням електронів під дією поля. Крім металів вона присутня у вуглецю, оксидів металів, сульфідів і ін. Речовин, а також у багатьох напівпровідників.
3.Іонная - обумовлена рухом іонів. Спостерігається в розчинах і розплавах електролітів - солей, кислот, лугів, а також у багатьох діелектриках. Вона поділяється на власну і примесную провідності. Власна провідність обумовлена рухом іонів, одержуваних при дисоціації молекул. Рух іонів в електричному полі супроводжується електролізом- перенесенням речовини між електродами і виділенням його на електродах. Полярні рідини диссоційовані більшою мірою і мають велику електропровідність, ніж неполярні.
У неполярних і слабополярная рідких діелектриках (мінеральні масла, кремнійорганічні рідини) електропровідність визначається домішками.
4.Моліонная електропровідність - обумовлена рухом заряджених частинок, званих моліонамі. Спостерігають її в колоїдних системах, емульсіях, суспензіях. Рух моліонов під дією електричного поля називають електрофорезом. Електрофоретична електропровідність спостерігається, наприклад, в оліях, що містять емульгованих воду.
Електропровідність газу. обумовлена дією зовнішніх іонізаторів і зникає після припинення його дії називається несамостійною. А електропровідність, обумовлена ударною іонізацією і не зникає після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійною. У слабких полях, в яких ударна іонізація відсутня, самостійна електропровідність не спостерігається.
У слабких полях в газах виконується закон Ома, ток лінійно змінюється з величиною прикладеної напруги. При більш високих напряженностях електричного поля аж до виникнення ударної іонізації спостерігається струм насичення, величина якого не залежить від величини поля. У полях, величина яких достатня для іонізації газу при зіткненні частинок, настає пробою газу.
Електропровідність рідких діелектриків залежить від багатьох чинників: будови молекул, температури, наявності домішок, наявності великих заряджених колоїдних частинок і інших чинників.
Електропровідність неполярних рідин залежить від наявності дисоційованому домішок і вологи. У полярних рідинах електропровідність створюється крім домішок диссоційованними іонами самої рідини. Полярні рідини мають підвищену провідність в порівнянні з неполярними. З підвищенням діелектричної проникності провідність зростає. Послуги з очищення рідин від домішок зменшує їх провідність.
Електропровідність твердих діелектриків про бусловлена, як пересуванням іонів самого діелектрика, так і іонів домішок, а у деяких матеріалів і наявністю вільних електронів. Електронна електропровідність спостерігається при сильних електричних полях. При низьких температурах пересуваються слабо закріплені іони і іони домішок, а при високих температурах рухаються термічно звільняються іони кристалічної решітки. Іонна електропровідність, на відміну від електронної, супроводжується переносомвещества. Фізико - механічні та хімічні властивості діелектриків. При виборі ізоляційного матеріалу доводиться враховувати не тільки електричні властивості, а й вологості, теплові, хімічні, механічні властивості, хімічну стійкість і активність діелектрика його тропікостойкость і радіаційну стойкость.Діелектріческімі втратами називають потужність розсіюється в діелектрику при впливі на нього електричного поля і викликає нагрівання діелектрика . Втрати потужності в діелектриках спостерігаються як при змінній напрузі, так і при постійному, оскільки діелектрики не є ідеальними і в них завжди присутній наскрізний струм, обумовлений електропровідністю. При постійній напрузі втрати викликаються тільки однією наскрізною провідністю (об'ємної і поверхневої), а при змінній напрузі до них додаються втрати на поляризацію, пов'язані з подоланням сил внутрішнього тертя при повороті дипольних молекул діелектрика. Втрати при змінній напрузі завжди більше, ніж при постійному.
Діелектричні втрати по їх фізичну природу і особливостям поділяють на чотири основних види:
1. втрати на електропровідність;
2. релаксаційні втрати;
4. резонансні втрати
Пробій діелектриків, різке зменшення електричного опору (збільшення щільності струму j) діелектрика. наступає при досягненні певної величини напруженості прикладеного електричного поля Епр.
Види пробою 1) Електричний пробій - викликається ударної іонізацією електронами, коли під дією великої напруженості електричного поля з невеликого числа початкових електронів в діелектрику утворюється сильна електронна лавина. 2) Тепловий пробій - якщо в результаті діелектричних втрат тепла в діелектрику виділяється більше, ніж відводиться в результаті його охолодження, то діелектрик нагрівається і в місці найменшого тепловідведення діелектрик проплавляется, прожигается, тобто відбувається КЗ - пробою. 3) Електрохімічний пробій - з яких-небудь причин хімічний склад і структура діелектриків повільно змінюються так, що пробій може наступити при напрузі меншому Uпр початкового діелектрика. Змішані види пробою 4) Іонізаційний пробою - в твердих діелектриках, в яких є пори (паперу, картони) до пробою самого діелектрика починається іонізація газів (повітря) в порах. Утворені лавини викликають ерозію стінок пір, хімічну реакцію з озоном, нагрів діелектрика навколо пір, розширення діелектрика в результаті нагрівання - утворюються тріщини, через них легко в діелектрик проникає вода, яка зменшує опір діелектриків і т.д. Ізоляційні властивості газоподібних і рідких діелектриків після пробою відновлюються (хоча у рідких діелектриків після кожного пробою властивості потроху погіршуються), а у твердих - немає, залишаються сліди (також і при поверхневому пробої).
65.Классіфікація діелектричних матеріалів. Газоподібні, рідкі, тверді діелектричні матеріали. Діелектричними називають матеріали, основним електричним властивістю яких є здатність до поляризації і в яких можливе існування електростатичного поля. Реальний (технічний) діелектрик тим більше наближається до ідеального, чим менше його питома провідність і чим слабкіший у нього виражені уповільнені механізми поляризації, пов'язані з розсіюванням електричної енергії та виділенням тепла. В газоподібних, рідких і твердих діелектриках електричні заряди міцно пов'язані з атомами, молекулами або іонами і в електричному полі можуть лише зміщуватися, при цьому відбувається поділ центрів позитивного і негативного зарядів, т. Е. Поляризація. Діелектрики містять і вільні заряди, які переміщаючись в електричному полі, обумовлюють електропровідність. Однак кількість таких вільних зарядів в діелектрику невелика, тому струм малий. Використовувані в якості ізоляційних матеріалів діелектрики називають пасивними. Існують активні діелектрики, параметри яких можна регулювати, змінюючи напруженість електричного поля, температуру, механічні напруги.
Електроізоляційні матеріали класифікуються за:
агрегатному стані - газоподібні, рідкі, тверді і тверднуть (лаки, компаунди) матеріали;
по хімічній природі - органічні, неорганічні, елементоорганіческіе матеріали.
Повітря і гази є ідеальними діелектриками до процесу їх іонізації. При іонізації космічною радіацією, нагріванням їх електроізоляційні властивості різко знижуються.
Електрична міцність повітря при нормальному тиску 2,1 МВ / м. Електрична міцність повітря помітно залежить від частоти електричного поля. Повітря при високому тиску перевершує по електричної міцності такі діелектрики, як фарфор і трансформаторне масло.
Рідкі діелектрики п одразделяются на 3 групи:
1) нафтові олії 2) синтетичні рідини; 3) рослинні масла.
Рідкі діелектрики використовують для просочення кабелів високої напруги, конденсаторів, для заливки трансформаторів, вимикачів і вводів. Крім цього вони виконують функції теплоносія в трансформаторах, дугогасітеля в вимикачах та ін.
Нафтові масла являють собою суміш вуглеводнів парафінового і нафтенового рядів. Вони широко застосовуються в електротехніці в якості трансформаторного, кабельного і конденсаторного масел. Масло, заповнюючи проміжки і пори всередині електротехнічних установок і виробів, підвищує електричну міцність ізоляції і покращує тепловідвід від ізделій.Трансформаторное масло отримують з нафти шляхом перегонки. Кабельне та конденсаторне масла відрізняються від трансформаторного більш високою якістю очищення.
Синтетичні рідкі діелектрики за деякими властивостями перевершують нафтові електроізоляційні масла.
Хлоровані углеводороди.Совтол - суміш совола з трихлорбензол. Використовується для ізоляції вибухобезпечних трансформаторів.
Кремнійорганічні рідини. Найбільшого поширення мають полідіметілсілоксановие. полідіетілсілоксановие. полиметилфенилсилоксанової рідини.
Полісилоксанової рідини - рідкі кремнійорганічні полімери (поліорганосилоксани), мають такі цінні властивості як: висока нагревостойкость, хімічна інертність, низька гігроскопічність, низька температура застигання, високі електричні характеристики в широкому інтервалі частот і температур.
Полідіетілсілоксани - отримують при гідролізі діетілдіхлорсілана і тріетілхлорсілана. Мають широкий інтервал температур кипіння.
Властивості залежать від температури кипіння. Електричні властивості збігаються з властивостями полидиметилсилоксана.
Рідкі поліметілфенілсілоксани п олучают гідролізом фенілметілдіхлорсіланов і ін. Масло в'язке. Після обробки NаОН в'язкість підвищується в 3 рази. Витримує нагрівання протягом 1000 год до 250 ° С. Електричні властивості збігаються з властивостями полидиметилсилоксана.
Фторорганічні рідини - С8 F16 - негорючі та вибухобезпечні, високонагревостойкі (200 ° С), мають малу гігроскопічність. Пари їх мають високу електричну міцність. Рідини мають низьку в'язкість, летючі. Мають краще теплоотводом, ніж нафтові масла і кремнійорганічні рідини.
Органічні полімерні матеріалиПоліетілен. являє собою неполярний полімер лінійної структури. Виходить полімеризацією газу етилену С2 Н4 при високому тиску (до 300 МПа), або при низькому (до 0,6 МПа). Молекулярна маса поліетилену високого тиску - 18000 - 40000, низького - 60000 - 800000.
Фторопласти. Існує кілька видів фторуглеродних полімерів, які можуть бути полярними і неполярними.
Фторопласт - 4 (політетрафторетилен) - пухкий порошок білого кольору.
Молекули фторопласта мають симетричну будову. Тому фторопласт є неполярних діелектриком
Фторопласт можна модифікувати, застосовуючи наповнювачі - скловолокно, нітрид бору, сажу та ін. Що дає можливість отримувати матеріали з новими властивостями і поліпшити наявні властивості.
66. Власні і домішкові напівпровідники. За значенням свого питомого опору напівпровідники займають проміжне положення між металами і діелектриками. Однак поділ речовин на групи по їх питомою опорам умовно, так як під дією ряду факторів (нагрівання, опромінення, наявність домішок) питомий опір багатьох речовин змінюється, причому у напівпровідників вельми значно. Якщо у металів з ростом температури опір збільшується, то у напівпровідників зменшується. До напівпровідників відносять 12 хімічних елементів в середній частині періодичної системи, багато оксиди і сульфіди металів, деякі органічні речовини. Найбільше застосування в науці і техніці мають германій і кремній. Розрізняють напівпровідники власні (тобто Бездомішкові) і домішкові. Домішкові ділять на донорні і акцепторні. Провідність власних напівпровідників Розглянемо механізм на прикладі кремнію. Кремній володіє атомною просторової гратами з ковалентним типом зв'язку між атомами. При абсолютних температурах, близьких до абсолютного нуля, всі зв'язки є заповненими, тобто вільних заряджених частинок в кристалі немає. При нагріванні або опроміненні деякі парноелектронную зв'язку розриваються, з'являються вільні електрони і вакантні місця, звані дірками
У власних напівпровідників число з'явилися при розриві зв'язків електронів і дірок однаково, тобто провідність власних напівпровідників в рівній мірі забезпечується вільними електронами і дірками. Провідність домішкових напівпровідників Якщо впровадити в напівпровідник домішки з валентністю більшою, ніж у власного напівпровідника, то утворюється донорний напівпровідник. (Наприклад, при впровадженні в кристал кремнію пятивалентного миш'яку. Один з п'яти валентних електронів миш'яку залишається вільним). У Донорно полупроводнике електрони є основними, а дірки неосновними носіями заряду. Такі напівпровідники називають напівпровідниками n- типу, а провідність електронної. Якщо впроваджувати в напівпровідник домішки з валентністю меншою, ніж у власного напівпровідника, то утворюється акцепторні напівпровідник. (Наприклад, при впровадженні в кристал кремнію тривалентного індію. У кожного атома індію не вистачає одного електрона для утворення парноелектронную зв'язку з одним із сусідніх атомів кремнію. Кожна з таких незаповнених зв'язків є діркою). У акцепторних напівпровідниках дірки є основними, а електрони неосновними носіями заряду. Такі напівпровідники називаються напівпровідниками p- типу, а провідність доречний.
При дуже низьких температурах напівпровідники є діелектриками.