Mpk-prometey.ru

МПК Прометей
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Электропроводность материалов объясняет зонная теория.
Все вещества состоят из ядер (протоны + нейтроны) и электронов, распределённых по орбитам, которым соответствуют определённые энергетические уровни. У проводников валентные электроны, наиболее удалённые от ядра, довольно свободно переходят от одного атома к другому, что и соответствует большой электрической проводимости. Для этого (то есть перехода на другой уровень) электроны должны возбуждаться, то есть получать добавочную энергию – порциями, квантами. В невозбуждённом состоянии электроны могут иметь только определённые значения энергии, соответствующее энергетическим уровням оболочек атома. Эти уровни образуют полосу – зону, которая заполнена электронами. В атомах есть и другие, «дозволенные» уровни энергии, которые электроны могут занять, если получат дополнительную энергию, например, при нагреве. Связь электронов с атомами в таких случаях является непрочной, и электроны легко меняются местами, то есть передвигаются. Если значения энергии заполненной зоны и зоны проводимости перекрываются, то при незначительном возбуждении электроны будут переходить из заполненной зоны в зону проводимости – то есть материал обладает большой электрической проводимостью, это и есть проводник.
У других материалов между уровнями энергии, соответствующих заполненной зоне и зоне проводимости, имеется промежуточная зона недозволенных уровней (запрещённая зона). Это зона значений энергии, которые электроны данного тела не могут иметь. Если запрещённая зона широка, то есть нужно иметь много энергии для ее преодоления, то для перевода электронов из заполненной зоны в зону проводимости теплового возбуждения недостаточно.
Такие материалы называются диэлектриками, в них переход заметного числа электронов в зону проводимости – случайное явление. В большинстве диэлектриков электропроводность в основном не электронная, а ионная, вызванная движением в электрическом поле свободных ионов, появляющихся вследствие диссоциации примесей и части молекул самого диэлектрика.
Основные электрические характеристики диэлектрика:

1) удельное электрическое сопротивление ρv и ρs;

2) диэлектрическая проницаемость Е, относительная – Еr = E/E;

3) электрическая прочность Епр = Uпр : h, В/м.
1. Сопротивление диэлектрика
Способность материала проводить электрический ток называется электрической проводимостью или электропроводностью. Величина ей обратная – электрическое сопротивление.
Если для проводников удельное сопротивление более 10 -9 Ом .

м, то для диэлектриков оно более 10 10 ÷ 10 19 Ом . м, поэтому диэлектрики используются как изоляционный материал. Величина сопротивления диэлектриков говорит о том, что сквозной ток проводимости в диэлектриках очень и очень мал. Однако он существует и его тоже надо учитывать.
Ток в диэлектрике, вызванный электропроводностью, называют током утечки. В твёрдых диэлектриках различают два тока утечки – объёмный Iv, идущий через толщу диэлектрика, и поверхностный Is, идущий по поверхности диэлектрика. Сумма этих токов определяет общий ток утечки. Соответственно двум видам токов утечки различают объёмное удельное сопротивление ρv и поверхностное удельное сопротивление ρs. Единица измерения объёмного удельного сопротивления [ρv] – Ом . м. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата поверхности материала, когда постоянный ток подведён к двум противоположным сторонам квадрата: [ρs] = 1 Ом. Тогда единицы измерения удельных проводимостей: объемной – См/м (сименс/м), поверхностной – См (сименс).

Для определения ρv и ρs необходимо разделить в образце диэлектрика токи утечки Iv и Is, замерить их отдельно, по напряжению и току посчитать сопротивление и потом уже рассчитать ρv и ρs. Для этого используется трёхэлектродная схема (см. учебник).

Читайте так же:
Розетка у кровати ребенка

2. Относительная диэлектрическая проницаемость
Относительная диэлектрическая проницаемость εr показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этом диэлектрике меньше силы взаимодействия этих зарядов в вакууме. Существует также понятие абсолютная диэлектрическая проницаемость:

где εr – безразмерная величина, а εо – диэлектрическая проницаемость вакуума (называется также электрической постоянной, это – коэффициент пропорциональности в законе Кулона, ее значение зависит от системы единиц, в СИ она равна 8,85 . 10 -12 или 8,86 . 10 -12 Ф/м (фарад/метр). Диэлектрическая проницаемость характеризует процесс поляризации диэлектрика во внешнем электрическом поле.
Поляризациейназывается смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием приложенного электрического поля. В атомах и молекулах диэлектрика электроны и ионы упруго связаны, в целом они электрически нейтральны. При наложении электрического поля по-разному заряженные частицы атома стремятся к противоположно заряженным электродам, при этом они изменяют своё пространственное положение, они смещаются друг относительно друга (хотя и не намного). При этом частицы превратятся в диполи, то есть материальные частицы, несущие на одном конце положительный, на другом отрицательный заряды, пространственно смещённые на некоторое расстояние и электрически не компенсирующие друг друга.
Таким образом, под действием электрического поля в изоляторе возникает особый электрический ток в форме пространственно ограниченного перемещения остающихся взаимосвязанными положительных и отрицательных зарядов. Такой ток называется током смещения. Если направление поля остаётся неизменным, ток смещения длится короткое время, затем прекращается. Если поле будет периодически менять свой знак, заряды будут перемещаться то в одну, то в другую сторону, и в диэлектрике всё время будет иметь место ток смещения.
Различают следующие виды поляризации:
1) электронная – смещение электронов внутри атомов (на малые расстояния в пределах данного атома);
2) ионная – образуется смещением ионов во внешнем электрическом поле, если диэлектрик является ионным кристаллом, например, поваренная соль NaCl: (–)←Na + Cl — →(+). Ионы смещаются на небольшие расстояния от положения равновесия.
Эти два вида поляризации называются упругими, так как при исчезновении электрического поля электроны и ионы возвращаются на свои места без необратимого поглощения энергии. Электронная поляризация есть всегда, в любом диэлектрике при его попадании во внешнее электрическое поле, ионная накладывается на электронную (но её может и не быть).
Другие виды поляризации называются неупругими, так как происходят с потерями энергии, которая переходит в тепло).
3) дипольная поляризация – возникает, если молекулы диэлектрика несимметричны и поэтому обладают электрическим дипольным моментом (вода, гидроксильная группа ОН и другие). Без внешнего электрического поля все молекулы-диполи ориентированы по-разному, в целом диэлектрик неполяризован. Во внешнем электрическом поле все молекулы-диполи выстраиваются в направлении поля, на поверхнистях диэлектрика появляются заряды. Поворот молекул происходит с «трением», то есть потерями энергии. Дипольная поляризация добавляется к ионной (если она есть) и электронной (которая есть всегда) поляризации.

4) ионно-релаксационная – в некоторых твёрдых диэлектриках отдельные ионы слабо связаны с другими (из-за примесей, дефектов кристаллической решётки, своей химической природы) и могут быть переброшены внешним электрическим полем.
5) миграционная поляризация – образуется в слоистой, твёрдой изоляции, состоящей из разных диэлектриков.

6) доменная поляризация – присуща сегнетоэлектрикам, веществам, в которых имеется спонтанная поляризация – без наличия внешнего электрического поля в диэлектрике есть области со смещенными электрическими зарядами. Во внешнем электрическом поле они могут переориентироваться, значит, их относительная диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности электрического поля, а также от температуры.
От комбинации разных видов поляризации (то есть от вида диэлектрика) зависит способность материала к поляризации, которая и характеризуется абсолютной диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость определяет ёмкостные свойства диэлектрика, показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с диэлектриком больше ёмкости того же самого конденсатора в вакууме.

Читайте так же:
Распиновка розетки прицепа кмз

3. Электрическая прочность
Любой диэлектрик может быть использован при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определённых условиях. При напряжении выше этих предельных значений наступает явление пробоя диэлектрика – то есть полная потеря им изоляционных свойств с образованием канала высокой проводимости, приводящего к короткому замыканию электродов. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжениемUпр. Напряжённость электрического поля, при которой произошёл пробой, называется электрической прочностью Епр =Uпр / h, В/м, где h – расстояние между плоскими электродами (эта формула справедлива для равномерного поля). То есть электрическая прочность диэлектрика Епр – это напряжённость электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой.
На твёрдых образцах вместо пробоя – КЗ через толщу диэлектрика – может наблюдаться явление поверхностного разрядаили перекрытия, когда КЗ происходит за счёт пробоя окружающей среды – воздуха, трансформаторного масла – по поверхности диэлектрика. Напряжение перекрытия является параметром данной электроизоляционной конструкции, но зависит также от материала диэлектрика.

Ток утечки диэлектрика это

3. Электрические характеристики

Удельное электрическое сопротивление (р).

Любой электротехнический материал — проводник, полупроводник и даже диэлектрик проводит электрический ток. Для того чтобы определить степень электропроводности того или иного материала надо определить его удельное электрическое сопротивление р (Ом *м) рассчитывается по формуле:

R − общее электрическое сопротивление образца материала Ом.

L − длина пути тока в образце материала м.

S − площадь образца материала, через которую протекают токи проводимости м 2

Удельные сопротивления металлических проводников очень малы. Это указывает на большую электрическую проводимость проводниковых материалов.

Большие удельные сопротивления диэлектриков указывает на их весьма малую электрическую проводимость. У диэлектриков надо учитывать два удельных сопротивления: Удельное объёмное сопротивление ри и удельное поверхностное сопротивление ps.

u позволяет оценить электрическое сопротивление диэлектрика при прохождении тока через его объём, a ps − электрическое сопротивление при протекании тока по его поверхности. Численное значение рu всегда больше ps В проводниковых и полупроводниковых материалах измеряют общее р, т.к. в них нельзя рассчитать токи ри и ps. Это объясняется повышенной электрической проводимостью данных материалов.

Для газообразных и жидких диэлектриков поверхностное сопротивление не рассчитывается.

Электропроводность диэлектриков зависит не только от агрегатного состояния вещества, но и от содержания примесей, от температуры, влажностных характеристик материала, состояния поверхности и других характеристик.

1- проводник;2- полупроводник; 3- диэлектрик

Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКР

С увеличением температуры объёмное сопротивление уменьшается, т.е. ТКр для диэлектриков имеет отрицательное значение.

ТКр. − позволяет оценить изменение удельного электрического сопротивления материалов при изменении его t. При линейном изменении удельного сопротивления (в узком интервале t) значение рассчитывается по формуле:

где p1 и p2 удельное электрическое сопротивление материала при начальной . На рисунке видно ТКР проводников >0. Это указывает на рост сопротивления с повышением температуры. У диэлектриков ТКР < 0, что указывает на уменьшение сопротивления этих материалов с повышением t.

Читайте так же:
Розетка колодка двухместная с защитными крышками iek

Электрическая прочность Епр.

Под воздействием внешнего электрического поля и других факторов в диэлектрике может образоваться проводящий канал, т.е. могут теряться изоляционные свойства. Потеря диэлектриком изоляционных свойств называется пробоем.

Минимальное напряжение, приложенное к диэлектрику, при котором наступает пробой, называется пробивным напряжением Uпр.

Напряжение пробоя зависит от толщины диэлектрика и не является однозначной характеристикой его прочности. Электрической прочностьюпр) диэлектриков считается минимальная напряжённость однородного электрического поля (однородным называется электрическое поле, напряжённость во всех точках которого одинакова), при которой происходит пробой — разрушение диэлектрика с образованием в нём сквозного канала с очень большой проводимостью. Рассчитывается по формуле:

Unp-пробивное напряжение, при котором наступает пробой диэлектрика (В).

h − толщина диэлектрика в месте пробоя (м).

Т.к. диэлектики пробиваются при очень больших напряжениях (1000В) значения электрической прочности выражают в MB на м толщины.

Электрическая прочность диэлектриков зависит от агрегатного состояния и структуры материала, наличия примесей, однородности поля, расстояния между электродами (толщины диэлектрика), площади электродов и других факторов.

Епр уменьшается с увеличением толщины диэлектрика и с повышением температуры. Это связано с увеличением тока проводимости и возрастанием количества теплоты, выделяемой в диэлектрике.

При изготовлении электротехнического оборудования электрическая прочность изоляции (Епр) должна обеспечить надёжную работу оборудования в течение срока службы (20-40 лет). Это означает, что напряжение пробоя изоляции Uпр должно быть больше как максимального рабочего напряжения, так и возможных перенапряжений, которые могут возникать в электрических установках и системах. Эти перенапряжения могут превышать рабочие напряжения в 2-3 раза и более.

Виды пробоя.

В зависимости от механизма развития проводящего канала различают следующие виды пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.

Электрический пробой возникает в сильных электрических полях и обусловлен электронными процессами – ударной и фотонной ионизацией. Этот вид пробоя преобладает в газообразных диэлектриках.

В жидких и твёрдых диэлектриках электрический пробой имеет место при больших значениях напряжённости электрического поля и при наличии в этих материалах газовых включений.

Тепловой пробой возникает при уменьшении электрического сопротивления диэлектрика за счёт нагрева. увеличение температуры диэлектрика возможно как за счёт увеличения тока утечки через диэлектрик, так и в результате нагрева токоведущих проводников при перегрузках и недостаточном охлаждении. Этот процесс может носить лавинообразный характер – вплоть до термического разрушения диэлектрика. Такой механизм пробоя характерен для жидких и твёрдых материалов.

Электрохимическим пробоем называется механизм образования проводящего канала в диэлектрике в результате одновременного воздействия как электрических, так и химических процессов. Он может развиваться в жидких и твёрдых диэлектриках, а также на поверхности твёрдых материалов.

Что может произойти с вашей электроникой, если ее на нее не подавать питание длительное время

Вы никогда не сталкивались с такой ситуацией, что при подаче питания на электроприбор, то есть при его включении, после длительного перерыва в работе, например, более года, он внезапно выходит из строя? Хотя до последнего выключения он работал исправно. А это имеет место быть. И чем больше был перерыв в работе электроприбора, тем больше вероятность его выхода из строя при включении. Нет, я не утверждаю, что при включении электроприбора в данной ситуации он обязательно выйдет из строя. Но! Вероятность этого события при этом увеличится.

Читайте так же:
Подключение розетки сцепного устройств
реклама

Давайте разберемся, почему это происходит. Почти все электроприборы, от компьютера, до стиральной машины содержат в своем составе электролитические конденсаторы. И в этой статье речь пойдет о них, как об основных виновниках выхода из строя электроприборов. Чтобы понять физические процессы происходящие при этом в электролитических конденсаторах, рассмотрим их устройство.

Электролитический конденсатор состоит из герметичной колбы, в которую запрессованы две обкладки свернутые в спираль. Положительная и отрицательная. Положительная обкладка выполнена из алюминиевой фольги, покрытой тонкой пленкой оксида алюминия, которая исполняет роль диэлектрика в конденсаторе между обкладками.

реклама

Отрицательной обкладкой является жидкий электролит, которым пропитана бумажная лента и которая имеет гальванический контакт с неоксидированной (непокрытой пленкой оксида алюминия) алюминиевой фольгой, обеспечивающей надежный контакт между отрицательным выводом конденсатора и электролитом, благодаря их большой площади соприкосновения.

При длительном перерыве в работе, то есть при отсутствии на конденсаторе напряжения в течении этого времени, происходит постепенное разрушение диэлектрика (оксида алюминия) при его взаимодействии с электролитом в отсутствии напряжения на обкладках конденсатора. Это приводит к утончению диэлектрического слоя, к увеличению тока утечки и как следствие, увеличению вероятности пробоя конденсатора при подаче на него номинального напряжения. Этот эффект начинает проявляться при перерыве в работе конденсатора длительностью более года.

Специалисты в таких случаях рекомендуют проводить тренировку (формовку) конденсаторов, суть которой заключается в подаче на конденсатор в течении длительного времени постепенно увеличивающегося напряжения, с контролем тока утечки. При этом, подача в начале тренировки малого значения напряжения, не приведет к пробою конденсатора, и начнется процесс восстановления диэлектрического слоя (оксида алюминия) благодаря процессу электролиза. И по мере восстановления диэлектрического слоя, напряжение на конденсаторе увеличивается до номинального. Скорость увеличения напряжения определяется по значению тока утечки.

реклама

Рекомендации одного из производителей электролитических конденсаторов по проведению тренировки (риформинга).

Еще выдержка из технической документации производителя конденсаторов EPCOS.

реклама

Проведем практическую проверку этого эффекта. В качестве подопытного возьму недавно купленный на радиорынке электролитический конденсатор на 3300 мкФ., с номинальным напряжением 25 В., дата изготовления сентябрь 2016 года.

Предполагаю, что с даты изготовления, и до сегодняшнего дня на него никто не подавал напряжение. И потому для эксперимента он подходит, как нельзя лучше. Подам на него с лабораторного источника питания 25 В., и после его заряда в разрыв включу амперметр (прибор Ц-43101) для измерения тока утечки.

Ссылка на видео: https://disk.yandex.ru/i/B1R4rwUrHpjyyQ

Отсюда видно, что ток утечки составил 35 мкА. (вся шкала прибора 250 мкА). Оставляю его под напряжением на 1 час, и повторю измерение.

Ссылка на видео: https://disk.yandex.ru/i/k8fSGwiW3YpzgQ

В этом случае, как мы видим, ток утечки составил 7 мкА. Итого ток утечки уменьшился в 5 раз. Отсюда вывод, вышеизложенное явление подтверждено на практике.

Но не будете, же вы выпаивать из своих компьютеров и телевизоров конденсаторы для их тренировки, после их длительного перерыва в работе. Поэтому включайте свою электронику (подавайте на нее питание) хотя бы раз в год. А иначе после включения, особенно если в вашей электронике применены дешевые конденсаторы из них может выйти белый дым.

Читайте так же:
Распиновка розетки прицепа легкового автомобиля кронштейн

Во время моей учебы, мой преподаватель по предмету «радиокомпоненты» как то спросил у нас: так на чем работает вся электроника? Многие начали отвечать, что работает на упорядоченном движении заряженных частиц, и так далее. На что преподаватель в шутку сказал, что вся электроника работает на белом дыме. Пока белый дым находится в электронике, она работает. Как только белый дым выходит из электроники, она перестает работать. Так и в данном случае с нашими электролитическими конденсаторами, подобное может произойти.

Кроме того, электролитические конденсаторы подвержены высыханию. И это их основная проблема, каждый второй ремонт электроники по моему опыту заканчивается заменой именно этой детали. Высыхание происходит из-за плохой герметизации корпуса. Вследствие чего электролит постепенно испаряется, а поскольку он является одной из обкладок конденсатора, то и получается, что испаряется одна обкладка конденсатора. И емкость уменьшается до нуля. Опять же это зависит от качества конденсаторов. С качественными конденсаторами вероятность подобного значительно меньше. Но, к сожалению, при покупке электроники возможности изучить применяемую в ней элементную базу, какие там стоят конденсаторы не всегда возможно.

Подобных недостатков лишены полимерные конденсаторы.

Поэтому, выбирая комплектующие компьютерной техники, старайтесь выбирать комплектующие, выполненные на полимерных конденсаторах. Тем более, что во многих комплектующих визуально открыт доступ к используемой элементной базе. И легко, например, увидеть на материнской плате, какие конденсаторы применяются.

Удельное сопротивление диэлектриков

Автор: Евгений Живоглядов.
Дата публикации: 15 марта 2015 .
Категория: Статьи.

Выше мы убедились, что технический диэлектрик не является абсолютным изолятором. Поэтому во время работы диэлектрик пропускает ток. Величина этого тока очень мала по сравнению с рабочими токами, протекающими по токоведущим частям электрической установки (провода, шины, кабели).

Ток утечки диэлектрика

Ток имеет два пути своего прохождения: сквозь толщу диэлектрика и по его поверхности (рисунок 1). Общий ток – ток утечки Iу равен сумме токов: тока, проходящего сквозь толщу (по объему) диэлектрика – Iоб, и тока, проходящего по поверхности диэлектрика – Iпов.

Проходя двумя путями, ток преодолевает объемное сопротивление rпов. Полное сопротивление изоляции rиз определится:

Полное сопротивление изоляции

Сопротивление единицы объема называется удельным сопротивлением и обозначается ρU.

За единицу объемного сопротивления принимают сопротивление вырезанного из данного материала кубика с ребром 1 см, если ток проходит через две его противоположные грани (рисунок 2). Объемное сопротивление измеряется в омсантиметрах (Ом × см) и определяется по формуле:

Объемное сопротивление

где h – толщина диэлектрика в см; S – площадь боковой грани в см².

Рисунок 2. Объемное сопротивление диэлектрика

Сопротивление единицы поверхности диэлектрика называется удельным поверхностным сопротивлением, обозначается ρS и измеряется в омах.

За единицу поверхностного сопротивления принимают сопротивление прямоугольника (любых размеров), выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две противоположные стороны этого прямоугольника (рисунок 3).

Рисунок 3. Поверхностное сопротивление диэлектрика

Поверхностное сопротивление определяется по формуле:

Поверхностное сопротивление

где a – расстояние между параллельно поставленными электродами; b – ширина электродов.

Удельное сопротивление диэлектрика зависит от состояния вещества (твердое, жидкое или газообразное), состава диэлектрика, влажности и температуры окружающей среды.

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560 с.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector