Проводники и полупроводники
Задача 1
Дайте краткое описание физического смысла и практического значения пробоя. Приведите величины измерений величины характеристик для разных групп диэлектриков
Каждый диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление – пробой диэлектрика. В результате пробоя происходит соединение проводников, находящихся под напряжением, друг с другом.
- напряжение, при котором происходит пробой – пробивное напряжение, измеряемое в киловольтах.
- электрическая прочность диэлектрика, измеряемая в или - в практике, - в системе СИ.
Вида пробоя:
§ Тепловой пробой. В результате нагрева диэлектрика проходящим через него электрического тока, сопротивление диэлектрика непрерывно уменьшается. Это вызывает увеличение тока, вследствие чего повышается температура, до тех пор, пока ток не достигнет величины, при которой диэлектрик термически разрушается (плавится). В этом случае зависит от температуры диэлектрика.
§ Электрический пробой. С повышением напряженности электрического поля происходит процесс быстрого нарастания количества свободных электронов, который заканчивается пробоем диэлектрика.
Кривую зависимости от времени воздействия приложенного напряжения называют «кривой жизни диэлектрика», так как по ней можно определить время жизни диэлектрика при заданной напряженности поля.
§ Электрическая проницаемость диэлектрика при электрическом пробое не зависит от температуры, но при более высоких температурах диэлектрика переходит в тепловой пробой.
При этом диэлектрика уменьшается с ростом его температуры.
1. Пробой газов – явление чисто электрическое, зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой
§ Пробой в однородном поле. В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. Появление искры при заданном расстоянии между электродами используют для определения значения приложенного напряжения.
Электрическая прочность газа в сильной мере зависит от давления, если температура постоянна. При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа:
где: - пробивное напряжение при данных температуре и давлении
- пробивное напряжение при нормальных условиях
()
§ Пробой в неоднородном поле. Особенностью пробоя в таком поле является возникновение частичного заряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой заряд и дугу при возрастании напряжения.
2. Пробой жидких диэлектриков. В жидких диэлектриках на явление пробоя влияет наличие примесей, так как получить предельно чистую жидкость очень трудно. Теорию электрического пробоя можно применить к жидкостям максимально очищенным от примеси. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняются местным перегревом жидкостей, который приводит к образованию газового канала между электродами. Вода в виде капелек в трансформаторном масле, при нормальной температуре значительно снижает . Под влиянием электрического поля сферические капельки воды поляризуются, приобретая форму эллипсоидов и, притягиваясь между собой разноименными концами, создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой. Сажа и обрывки волокон искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности жидких диэлектриков. Очистка жидких диэлектриков от примесей значительно повышает электрическую прочность.
3. Пробой твердых диэлектриков. Различают четыре вида пробоя:
§ Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется быстрым развитием: протекает за меньше, чем с, и не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое в некоторой степени зависит от температуры.
§ Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Характерен для технических диэлектриков, содержащих газовые включения. Развивается весьма быстро. Электрическая прочность твердых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого её значения. Выше этого значения наблюдается заметное снижение электрической прочности, что говорит о появлении механизма теплового пробоя.
§ Тепловой пробой. Возникает в том случае, когда количество теплоты, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает количество теплоты, которое может рассеиваться в данных условиях, при этом нарушается тепловое равновесие, а процесс приобретает лавинообразный характер. Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температуры окружающей среды. Также «электротепловое» пробивное напряжение зависит от нагревостойкости материала. Механизм теплового пробоя наиболее вероятен при повышенных температурах, когда можно ожидать, что преобладающими будут потери сквозной электропроводности. По толщине диэлектрика получается перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление первого резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градентам напряжения в поверхностных слоях. Теплопроводность материала электродов также играет важную роль.
(с), где:
§ Электрохимический пробой. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Для его развития требуется длительное время, поскольку он связан с явлением электропроводности.
Задача 2
Дайте определение диэлектрика пластмасса. Укажите, к какой классификационной группе относится данный диэлектрик. Приведите основные характеристики материала, единицы измерения и величины этих характеристик. Кратко опишите достоинства и недостатки, а также перечислите области применения материала.
Диэлектрик – электроизоляционный материал, применяемый в технике с целью созданий условий, препятствующих нейтрализации электрических зарядов, то есть недопускающий утечки тока.
По условию задан диэлектрик – пластмасса, относящаяся к пассивным электроизоляционным материалам, обладающие высокой теплостойкостью, нагревостойкостью, малым водопоглащением, что позволяет использовать их для изготовления электроизоляционных и конструкционных изделий.
Особенностью свойств пластмассы является инертная высокополимерная структура. Для изготовления пластмассовых изделий исходный материал – прессовочные порошки, на основе резольных и новолачных смол, являющиеся термореактивными материалами. Пластмассы на их основе – фенопласты. Они обладают высокой стабильностью свойств и противостоят воздействию воды, кислот и органических растворителей. Различают три типа фенопластов, содержащих в качестве наполнителей древесную муку и минеральные вещества. Пресспорошки (II тип) на основе резольных смол обладают улучшенными электроизоляционными свойствами, поэтому их широко применяют для изготовления электроизоляционных деталей. Из фенопластов I и III типа, содержащих новолочную смолу, изготовляют низковольтные электроизоляционные изделия. Недостатком фенопластов является их низкая стойкость к электрическим искрам и дугам, вызывающих науглероживание изделий. Прессований изделий из фенопластов производят при удельном давлении без предварительного подогрева пресспорошков при температуре или с предварительным подогревом при . При предварительном подогреве время прессования уменьшается.
Основные характеристики фенопластов
|
Характеристики |
Группа I |
Группа II |
Группа III |
|
Удельный вес, г/см3 |
1,4 |
1,4 |
1,5 |
|
Удельная ударная вязкость, кГ*см/см2 |
4,0 |
4,2 |
4,5 |
|
Предел прочности при изгибе, кГ/см2 |
550 |
600 |
650 |
|
Предел прочности при сжатии, кГ/см2 |
1600 |
1500 |
1700 |
|
Водопоглащаемость, г/дм2 |
0,12 |
0,10 |
0,12 |
|
Теплостойкость, |
110 |
100 |
110 |
|
Удельное объёмное сопротивление , Ом*см |
109 |
1012 |
1010 |
|
Удельное поверхностное сопротивление , Ом*см |
109 |
1013 |
1010 |
|
Тангенс угла диэлектрических потерь , при 50 гц |
0,1 |
0,05 |
0,1 |
|
Электрическая прочность, кв/мм |
10 |
13 |
7 |
|
Текучесть, мм |
150 |
150 |
180 |
Изделия из пресспорошков, содержащие в качестве наполнителя асбестовые или стеклянные волокна, - волокниты, обладают повышенной нагревостойкостью. У этих материалов удельная ударная вязкость и теплостойкость значительно выше, чем у фенопластов с предыдущими наполнителями. В качестве связующего в этих пресспорошках применяют резольные смолы.
