електропровідність діелектриків
Електропровідність ізоляційних матеріалів обумовлюється станом речовини: газоподібним, рідким або твердим, а також залежить від вологості і температури навколишнього середовища. Деякий вплив на провідність діелектриків надає також напруженість поля в зразку, при якій проводиться зміна. При тривалій роботі під напругою струм через тверді і рідкі діелектрики з плином часу може зменшуватися або збільшуватися. Зменшення струму з часом говорить про те, що електропровідність була, обумовлена іонами сторонніх домішок і зменшувалася за рахунок електричної очищення зразка.
Збільшення струму з часом говорить про участь в ньому зарядів, які є структурними елементами самого матеріалу, і про перебіг в ньому необоротний процес старіння напруги, здатному поступово привести до руйнування діелектрика.
електропровідність газів
Гази при невеликих значеннях напруженості електричного поля мають виключно малою провідністю. Струм в газах може виникнути тільки при наявності в них іонів або вільних електронів. Іонізація нейтральних молекул газу виникає або під дією зовнішніх факторів, або внаслідок зіткнень заряджених частинок з молекулами. Зовнішніми факторами, що викликають іонізацію газу, є рентгенівськими промені, ультрафіолетові промені, космічні промені, радіоактивне випромінювання, а також термічний вплив (сильне нагрівання газу).
Електропровідність газу, обумовлена дією зовнішніх іонізаторів, називається несамостійною.
З іншого боку, особливо в виряджених газах, можливе створення електропровідності за рахунок іонів, що утворюються в результаті зіткнення заряджених частинок з молекулами газу. Ударна іонізація виникає в газі в тих випадках, коли кінетична енергія заряджених частинок, що купується під дією електричного поля, досягає досить великих значень.
Електропровідність газу, обумовлена ударною іонізацією, носить назву самостійної.
У слабких полях ударна іонізація відсутня і самостійної електропровідності не виявляється. При іонізації газу, обумовленої зовнішніми факторами, відбувається розщеплення молекул на позитивні і негативні іони. Одночасно частина позитивних іонів, з'єднуючись з негативними частинами, утворює нейтральні молекули - цей процес рекомбінація.
Наявність рекомбінації перешкоджає безмежного зростання числа іонів в газі і пояснює встановлення певної концентрації іонів через короткий час після початку дії зовнішнього іонізатора.
електропровідність рідин
Електропровідність рідких діелектриків тісно пов'язана з будовою молекул рідини. У неполярних рідинах електропровідність залежить від наявності дисоційованому домішок, в тому числі вологи; в полярних рідинах електропровідність визначається не тільки домішками, але іноді і дисоціацією молекул самої рідини. Струм в рідині може бути обумовлений як пересуванням іонів, так і переміщення щодо великих заряджених колоїдних частинок. Очищення рідких діелектриків від містяться в них домішок помітно підвищує їх питомий опір. При тривалому пропущенні електричного струму через нейтральний рідкий діелектрик також можна спостерігати зростання опору за рахунок перенесення вільних іонів до електродів (електрична очищення). Питома провідність будь-якої рідини сильно залежить від температури. Зі збільшенням температури зростає рухливість іонів в зв'язку зі зменшенням в'язкості і може збільшуватися ступінь теплової дисоціації. Обидва ці фактори підвищують провідність. Провідність зростає при зменшення в'язкості. При великих напруженості електричного поля, порядку 10-100 МВ / м. як показує досвід, ток в рідини не підкоряється закону Ома, що пояснюється збільшенням числа рухаються під дією поля іонів.
Електропровідність твердих тіл
Електропровідність твердих тіл обумовлюється пересуванням як іонів самого діелектрика, так і іонів випадкових домішок, а у деяких матеріалів може бути викликана наявністю вільних електронів. Електронна електропровідність найбільш помітна при сильних електричних полях. Вид електропровідності встановлюють експериментально, використовуючи закон Фарадея.
В процесі проходження електричного струму через твердий діелектрик містяться в ньому іони домішки можуть частково підуть, виділяючись на електродах, як це має місце і в рідинах.
У твердих діелектриках іонного будови речовини, електропровідність обумовлена головним чином переміщенням іонів, які звільняються під впливом флуктуації теплового руху. При низьких температурах пересуваються слабо закріплені іони, зокрема іони домішок. При високих температурах звільняються і деякі іони з вузлів кристалічної решітки. У діелектриках з атомної або молекулярної гратами електропровідність пов'язана тільки з наявністю домішок, питома провідність дуже мала. В кожному окремому випадку питання про механізм електропровідності вирішується на підставі даних про енергію активації носія заряду.
У тілах кристалічної будови з іонної гратами електропровідність пов'язана з валентністю іонів. Кристали з одновалентними іонами мають більшу провідність, ніж кристали з багатовалентними іонами. У кристалах провідність неоднакова по різних осях кристала. Так, провідність кварцу в напрямку, паралельному головній осі, приблизно в 1000 разів більше, ніж в напрямку, перпендикулярному цій осі. Питома провідність амфорних тел однакова у всіх напрямках і обумовлюється складом матеріалів і наявністю домішок. У високомолекулярних органічних і елементоорганічних полімерів вона залежить також від ступеня полімеризації, від ступеня вулканізації (для ебоніту). Органічні неполярні аморфні діелектрики, як, наприклад, полістирол, відрізняються дуже малою питомою провідністю.
поверхнева електропровідність
Поверхнева електропровідність обумовлена присутністю вологи та інших забруднень на поверхні діелектрика. Вода пом'якшується, як зазначалося вище, значною питомою провідністю. Досить найтоншого шару вологи на поверхні діелектрика, щоб була виявлена помітна провідність, обумовлена в основному товщиною цього шару. Однак, оскільки опір адсорбированной плівки вологи пов'язано з природою матеріалу, на поверхні якого вона знаходиться, поверхневу електропровідність зазвичай розглядають як властивість самого діелектрика.
Адсорбція вологи на поверхні діелектрика знаходиться в тісній залежності від відносної вологості навколишнього середовища. Тому відносна вологість є найважливішими факторами, що визначає значення питомої поверхневої провідності діелектрика.
Питома поверхнева провідність тим нижче, чим менше полярність речовини, чим нижче поверхню діелектрика і чим краще вона відполірована. Найбільш високими значеннями питомого поверхневого опору мають неполярні діелектрики, поверхня яких не змочується водою.
пробій діелектриків
Пробоєм діелектрика називають явище, при якому діелектрик втрачає свої електроізолюючі властивості.
В ході підвищення прикладеної до ізоляції напруги напруженість електричного поля в діелектрику перевищує деяке критичне значення, наскрізний струм, що протікає через діелектрик, різко зростає до, а опір діелектрика зменшується до такого значення, що відбувається коротке замикання електродів.
Значення напруги в момент пробою Unp називають пробивним напругою, напруженість електричного поля Епр - електричною міцністю.
Залежно від властивостей ізоляції та потужності джерела електричної енергії, за допомогою якого подається напруга на зразок, після пробою в ізоляції можуть спостерігатися такі зміни. У місці пробою виникає іскра, а при великій потужності джерела - навіть електрична дуга, під дією якої відбуваються оплавлення, обгорання, розтріскування і тому подібні зміни діелектрика і електродів. У пробитому твердому діелектрику в місці пробою можна виявити пробите, проплавлення, пропалені отвір - слід пробою. Якщо до такого зразку твердої ізоляції напруга докласти повторно, то пробій відбувається, як правило, при значно менших U. ніж Unp, першого пробою. При пробої газоподібних і рідких діелектриків після зняття U пробитий проміжок відновлює початкові значення Unp. так як атоми і молекули газу і рідини миттєво дифундують в об'єм, який займали зруйновані в процесі пробою частки.
Експериментально визначається величина Епр залежить від товщини зразка діелектрика, форми і площі електродів, швидкості підйому і часу впливу прикладеного напруги. Значення Епр при постійному струмі може сильно відрізнятися від Епр при змінному струмі або від Епр діелектрика при впливі імпульсних напрузі. На Епр. впливають і інші фактори. Тому визначення електричної міцності проводиться стандартними методами. Тільки при цьому можливі порівняння діелектриків між собою і контроль їх якості.
Види пробою твердих діелектриків
Розвиток тієї чи іншої форми пробою залежить від природи твердого діелектрика і умов визначення його Епр.
Електричний пробій - це процес, в результаті якого діелектрик руйнується силами, що діють в електричному полі на електричні заряди його атомів, іонів або молекул. Цей вид пробою протікає протягом, тобто майже миттєво. Він викликається ударної іонізацією електронами. На довжині вільного пробігу електрон в електричному полі з напруженістю Е набуває енергію, де е -заряд електрона. Якщо енергія Wи електрона достатня для іонізації, то електрон при зіткненні з атомами, іонами або молекулами, з яких складається діелектрик, іонізує їх. В результаті з'являються нові електрони, які також прискорюються електричним полем до енергії Wи. Таким чином, кількість вільних електронів лавинно зростає, що призводить до різкого збільшення провідності і електричного пробою.
Для електричного пробою твердих діелектриків характерними є такі ознаки. При збільшенні Е струм j перед пробоєм зростає експонен-ціально. Для самих різних за властивостями діелектриків Епр. змінюється в досить вузьких межах (107. 108В / м). Значення Епр. не залежить від властивостей, навколишнього діелектрик середовища. Значення Епр не залежить від часу витримки зразка під напругою і його товщини.
При електричному пробої Епр не залежить від температури. Однак в ді-електриках, які мають дефекти, що утворюють пастки для електронів, можлива термічна іонізація пасток, а отже, збільшення концентрації електронів і зменшення Епр. Електрична міцність іонних кристалів при імпульсних напружених зі зростанням температури може трохи збільшуватися. Це викликано гальмуванням електронів в зоні провідності при їх взаємодії з іонами у вузлах кристалічної решітки. При електричному пробої в однорідному полі Епр більше, ніж в неоднорідному.
Електротеплової пробою обумовлений прогресивно наростаючим виділенням теплоти в діелектрику під дією діелектричних втрат або електропровідності, його часто називають тепловим пробоєм.
Тепловий пробій виникає, коли порушується рівновага між теплотою, що виділяється в діелектрику, і теплотою, яка відводиться в навколишнє середовище. Якщо теплота, що виділяється більше відводиться, то діелектрик нагрівається, і в місцях найгіршого тепловідведення температура зростає до такого значення, при ко-тором відбувається пропал, проплавление, тобто пробою. Час розвитку пробою і величина Unp при електротеплового пробої залежать від конструкції електроізоляційного вироби і умов відведення виділяється в діелектрику теплоти в навколишнє середовище. Тепловий пробій розвивається протягом тобто у багато разів повільніше електричного пробою. Значення Епр може досягати 107В / м.
Електротеплової пробою, як правило, відбувається в тому місці зразка, де умови тепловідведення найгірші. Напруга Unp залежить від умови тепловідведення, тобто від властивостей того середовища, в яку при випробуваннях поміщається зразок. За час більш тривалої витримки під напругою діелектрик нагрівається за рахунок ді-електричних втрат більше, тому Enp знижується. При пробої товстих зразків тепловідвід від їх внутрішніх областей утруднений, тому вони перегріті більше, ніж шари, розташовані ближче до електродів. При збільшенні товщини зразка перегрівання внутрішніх шарів збільшується, і Епр. (Unp) зменшується.
При електротеплового пробої Епр. зменшується з ростом температури навколишнього середовища, що викликається збільшенням теплоти, що виділяється в зразку за рахунок діелектричних втрат, і зменшенням теплоти, що відводиться від зразка в навколишнє середовище.
Електрохімічний пробій (електричне старіння) обумовлений повільними змінами хімічного складу і структури діелектрика, які розвиваються під дією електричного поля або часткових розрядів в діелектрику або в навколишньому діелектрик середовищі. Час розвитку електрохімічного пробою може досягати. Зі збільшенням напруженості електричного поля в діелектрику або температури час розвитку пробою як правило, зменшується. Процес електрохімічного пробою розвивається в електричних полях з напруженістю, значно меншою, ніж електрична міцність діелектрика.
Основною причиною електричного старіння полімерів є часткові розряди, особливо інтенсивні на змінній напрузі. Під дією часткових розрядів в газовому включенні протікають процеси, які призводять до руйнування діелектрика в обсязі, що примикає до газового включенню. Одним з таких процесів є утворення дендритів - розгалужених тонких (діаметром 1 мкм) трубочок, заповнених газом каналів, по яких відбувається пробій ізоляції. Такий механізм пробою відбувається в паперово-масляної ізоляції кабелів, в ізоляції на основі епоксидних смол.
Старіння неорганічних діелектриків протікає більш інтенсивно при постійній напрузі. В процесі іонної електропровідності відбувається перенесення іонів, що призводить до необоротної зміни хімічного складу ма-териала в об'ємі зразка або вироби. Тому Епр діелектрика може зменшитися і станеться його пробою.