Conductivitatea electrică a dielectricilor
Conductivitatea electrică a materialelor izolatoare este determinată de starea substanței: gazoasă, lichidă sau solidă și, de asemenea, depinde de umiditate și temperatura ambiantă. Un efect asupra conductivității dielectricilor este de asemenea exercitat de intensitatea câmpului din proba la care se face schimbarea. Cu funcționarea prelungită sub tensiune, curentul prin dielectrici solizi și lichizi poate scădea sau crește în timp. O scădere a curentului cu timpul sugerează că conductivitatea electrică se datorează ionilor de impurități străine și a scăzut datorită curățării electrice a probei.
Cresterea curentului cu timpul indica participarea la ea a incarcarilor, care sunt elementele structurale ale materialului propriu-zis, si procesul de imbatranire ireversibila care are loc in el, capabil sa conduca treptat la distrugerea dielectricului.
Conductivitatea electrică a gazelor
Gazele la valori scăzute ale intensității câmpului electric au o conductivitate redusă. Gazele curente pot apărea numai dacă există ioni sau electroni liberi în ele. Ionizarea moleculelor de gaze neutre apare fie sub influența factorilor externi, fie ca urmare a coliziunilor particulelor încărcate cu molecule. Factorii externi care provoacă ionizarea gazului sunt raze X, raze ultraviolete, raze cosmice, radiații radioactive și efecte termice (încălzire puternică a gazului).
Conductivitatea electrică a unui gaz, datorată acțiunii ionizatorilor externi, se numește non-auto-susținută.
Pe de altă parte, în special în gazele evacuate, este posibilă crearea unei conductivități electrice datorită ionilor formați ca urmare a coliziunii particulelor încărcate cu molecule de gaze. Iodizarea cu șoc are loc într-un gaz în acele cazuri în care energia cinetică a particulelor încărcate, dobândită sub acțiunea unui câmp electric, atinge valori suficient de mari.
Conductivitatea electrică a unui gaz, datorată ionizării prin șoc, se numește independentă.
În câmpurile slabe, ionizarea șocurilor este absentă și nu există o conductivitate electrică independentă. Când gazul este ionizat din cauza factorilor externi, moleculele se împart în ioni pozitivi și negativi. În același timp, o parte a ionilor pozitivi, care leagă părțile negative, formează molecule neutre - acest proces este recombinarea.
Prezența recombinării previne creșterea nelimitată a numărului de ioni în gaz și explică stabilirea unei anumite concentrații de ioni la scurt timp după declanșarea acțiunii ionizatorului extern.
Conductivitatea electrică a lichidelor
Conductivitatea electrică a dielectricilor lichizi este strâns legată de structura moleculelor lichide. În lichide nepolare, conductivitatea electrică depinde de prezența impurităților disociate, inclusiv de umiditate; în lichide polare, conductivitatea electrică este determinată nu numai de impurități, ci uneori de disocierea moleculelor lichidului însuși. Curentul din lichid se poate datora atât mișcării ionilor, cât și mișcării particulelor coloidale încărcate relativ mari. Purificarea dielectricilor lichizi din impuritățile conținute în ele crește semnificativ rezistența lor specifică. Cu transmiterea prelungită a unui curent electric printr-un dielectric lichid neutru, se poate observa și o creștere a rezistenței datorată transferului de ioni liberi la electrozi (curățare electrică). Conductibilitatea specifică a oricărui lichid depinde puternic de temperatură. Cu o temperatură în creștere, mobilitatea ionilor crește datorită scăderii vâscozității, iar gradul de disociere termică poate crește. Ambii acești factori măresc conductivitatea. Conductivitatea crește odată cu scăderea vâscozității. La intensități puternice ale câmpului electric, de ordinul a 10-100 MV / m. după cum arată experiența, curentul din lichid nu respectă legea lui Ohm, care se explică prin creșterea numărului de ioni care se mișcă sub influența câmpului.
Conductivitatea electrică a solidelor
Conductivitatea electrică a solidelor este cauzată de mișcarea atât a ionilor dielectricului însuși cât și a ionilor impurităților aleatorii, iar în unele materiale poate fi cauzată de prezența electronilor liberi. Conductivitatea electronică este cea mai vizibilă în câmpurile electrice puternice. Tipul conductivității electrice este stabilit experimental folosind legea Faraday.
În timpul trecerii unui curent electric printr-un dielectric solid, ionii de impurități conținute în el pot fi parțial îndepărtați, care apar la electrozi, ca în cazul lichidelor.
În dielectricii solizi ai structurii ionice a materiei, conductivitatea electrică se datorează în principal mișcării ionilor eliberați sub influența fluctuațiilor mișcării termice. La temperaturi scăzute, ionii slab fixați se mișcă, în special ionii de impurități. La temperaturi ridicate, unii ioni sunt de asemenea eliberați din nodurile rețelei cristaline. În dielectrice cu o latură atomică sau moleculară, conductivitatea electrică este asociată doar cu prezența impurităților, conductivitatea lor specifică este foarte mică. În fiecare caz în parte, problema mecanismului de conductivitate electrică este rezolvată pe baza datelor despre energia de activare a purtătorului de sarcină.
În corpurile unei structuri cristaline cu o latură ionică, conductivitatea electrică este legată de valența ionilor. Cristalele cu ioni monovalenți au o conductivitate mai mare decât cristalele cu ioni multivalenți. În cristale, conductivitatea nu este aceeași pentru diferitele axe de cristal. Astfel, conductivitatea cuarțului într-o direcție paralelă cu axa principală este de aproximativ 1000 de ori mai mare decât în direcția perpendiculară pe această axă. Conductibilitatea specifică a corpurilor de amfore este aceeași în toate direcțiile și este determinată de compoziția materialelor și de prezența impurităților. În polimerii organici cu înaltă moleculară organică și organoelementară depinde și de gradul de polimerizare, de gradul de vulcanizare (pentru ebonit). Dielectricii amorfe nonpolare organice, cum ar fi polistirenul, au o conductivitate foarte scăzută.
Conductivitatea suprafeței
Conductivitatea electrică de suprafață se datorează prezenței umidității și a altor impurități pe suprafața dielectricului. Apa înmoaie, așa cum sa indicat mai sus, conductivitatea semnificativă. Un strat subțire de umiditate este suficient pe suprafața dielectricului, astfel încât se observă o conductivitate vizibilă, determinată în principal de grosimea acestui strat. Cu toate acestea, deoarece rezistența filmului de umiditate adsorbit este legată de natura materialului pe a cărui suprafață este localizată, conductivitatea de suprafață este de obicei considerată ca proprietate a dielectricului însuși.
Adsorbția umidității pe suprafața dielectricului este strâns legată de umiditatea relativă a mediului înconjurător. Prin urmare, umiditatea relativă este cel mai important factor care determină valoarea conductivității specifice a suprafeței dielectrice.
Conductivitatea specifică a suprafeței este mai mică cu cât polaritatea substanței este mai mică, cu atât este mai mică suprafața dielectrică și cu atât mai bine este lustruită. Valorile cele mai ridicate ale rezistenței specifice la suprafață sunt dielectrice nepolare a căror suprafață nu este udată de apă.
Defalcarea dielectricilor
Defalcarea unui dielectric se numește un fenomen în care un dielectric își pierde proprietățile electrice de izolare.
În timpul creșterii tensiunii aplicate izolației, câmpul electric în dielectric este mai mare decât o anumită valoare critică, o prin care curge curent prin izolator crește brusc în sus, iar rezistența dielectrică este redusă la o valoare astfel încât se produce scurtcircuitarea electrozilor.
Valoarea tensiunii la timpul de defect Unp se numește tensiunea de defalcare, intensitatea câmpului electric Epr este puterea electrică.
În funcție de proprietățile izolației și de puterea sursei de energie electrică, prin intermediul căreia se aplică o tensiune pentru eșantion, după defalcarea izolației se pot observa următoarele modificări. În locul defectării, apare o scânteie și la o putere mare a sursei - chiar și un arc electric, sub acțiunea căruia apar fuziunea, arderea, crăparea și schimbările similare în dielectric și electrozi. Într-un dielectric solid perforat în locul defectării, este posibil să se detecteze o gaură spartă, topită, arsă - marcajul de defectare. Dacă tensiunea este aplicată în mod repetat unei astfel de probe de izolație solidă, defalcarea apare, de regulă, la U. mult mai mică decât Unp, prima defalcare. În defalcarea dielectricelor gazoase și lichide după îndepărtarea U, decupajul perforat restabilește valorile inițiale ale Unp. deoarece atomii și moleculele de gaz și lichid difuzează instantaneu în volumul ocupat de particulele distruse în timpul procesului de descompunere.
Valoarea determinată experimental a Epr depinde de grosimea probei dielectrice, forma și suprafața electrozilor, rata de urcare și timpul de acțiune al tensiunii aplicate. Valoarea Epr la un curent constant poate fi foarte diferită de cea a unui curent alternativ sau a unui dielectric sub acțiunea tensiunilor de impuls. Pe epr. afecta și alți factori. Prin urmare, determinarea rezistenței electrice se realizează prin metode standard. Numai în acest caz este posibilă compararea dielectricilor între ele și controlul calității lor.
Tipuri de defalcare a dielectricilor solizi
Dezvoltarea acestei sau acelei forme de defalcare depinde de natura dielectricului solid și de condițiile de determinare a acestuia.
Defalcarea electrică este un proces în care un dielectric este distrus de forțele care acționează în câmpul electric asupra încărcărilor electrice ale atomilor, ionilor sau moleculelor sale. Acest tip de defecțiune are loc în timpul, adică aproape instantaneu. Este cauzată de ionizarea șocurilor de electroni. În calea medie liberă, un electron într-un câmp electric de forță E capătă energie, unde e este încărcarea de electroni. Dacă energia electronului WI este suficientă pentru ionizare, atunci electronul le ionizează atunci când se ciocnește cu atomii, ionii sau moleculele care alcătuiesc dielectricul. Ca rezultat, apar electroni noi, care sunt, de asemenea, accelerați de câmpul electric la energia WI. Astfel, numărul de electroni liberi crește avalanșa, ceea ce duce la o creștere accentuată a conductivității și a defecțiunilor electrice.
Pentru defalcarea electrică a dielectricelor solide, următoarele caracteristici sunt caracteristice. Odată cu creșterea lui E, curentul j crește exponențial înainte de defalcare. Pentru cele mai diverse în proprietățile dielectrice, Eq. variază în limite destul de restrânse (107. 108V / m). Valoarea lui Епр. nu depinde de proprietățile din jurul dielectricului mediului. Valoarea Epr nu depinde de timpul de expunere al eșantionului la tensiune și de grosimea sa.
Cu defecțiune electrică, Epr nu depinde de temperatură. Cu toate acestea, la di-electricieni, care au defecte care formează capcane pentru electroni, ionizarea termică a capcanelor este posibilă și, în consecință, o creștere a concentrației de electroni și o scădere a echilibrului. Rezistența electrică a cristalelor ionice la tensiunile pulsate cu temperatură în creștere poate crește oarecum. Acest lucru se datorează inhibării electronilor din banda de conducere atunci când interacționează cu ionii din locurile de cristal. Cu distrugerea electrică într-un domeniu omogen, Epr este mai mare decât într-un câmp neomogen.
Distrugerea electrică termică este cauzată de o eliberare progresivă a căldurii în dielectric sub acțiunea pierderilor dielectrice sau a conductivității electrice, adesea denumită defalcare termică.
Distrugerea termică apare atunci când echilibrul dintre căldura eliberată în dielectric și căldura care este eliberată în mediul înconjurător este perturbată. Dacă căldura eliberată este mai mare decât căldura îndepărtată, dielectricul este încălzit și în locurile celui mai rău chiuvetă de căldură crește temperatura la o valoare la care are loc arderea, penetrarea, adică defalcare. Timpul de dezvoltare a distrugerii și valoarea Unp în cazul defectării electrotermale depind de proiectarea produsului izolator electric și de condițiile de eliminare a căldurii eliberate în mediu în dielectric. Defalcarea termică se dezvoltă în timpul adică de multe ori mai lent decât defectarea electrică. Valoarea Epr poate ajunge la 107V / m.
Distribuția electrică, ca regulă, apare la locul eșantionului în care condițiile de transfer de căldură sunt cele mai grave. Tensiunea Unp depinde de starea radiatorului, adică de din proprietățile mediului în care eșantionul este plasat în timpul încercărilor. În timpul unei expuneri mai lungi la tensiune, dielectricul este încălzit de pierderile dielectrice mai mult, deci Enp este redus. În descompunerea probelor groase, transferul de căldură din regiunile lor interioare este dificil, prin urmare, acestea sunt supraîncălzite mai mult decât straturile situate mai aproape de electrozii. Pe măsură ce grosimea eșantionului este mărită, supraîncălzirea straturilor interioare crește, iar Eq. (Unp) scade.
Cu defalcare electrotermică Епр. scade odată cu creșterea temperaturii ambientale, care este cauzată de o creștere a căldurii eliberate în eșantion datorită pierderilor dielectrice și de o scădere a căldurii eliberate din eșantion în mediul înconjurător.
defalcare electrochimică (îmbătrânire electrică) cauzate de schimbări lente ale compoziției chimice și a structurii dielectricului, care se dezvoltă sub influența unui câmp electric sau o descărcare parțială într-un dielectric sau izolator în mediul înconjurător. Timpul de dezvoltare a defecțiunilor electrochimice poate atinge. Cu o creștere a intensității câmpului electric în dielectric sau în temperatură, timpul de dezvoltare al defecțiunii scade ca regulă. Procesul de defecțiune electrochimică se dezvoltă în câmpuri electrice cu o putere mult mai mică decât rezistența electrică a unui dielectric.
Cauza principală a îmbătrânirii electrice a polimerilor sunt descărcările parțiale, în special intense la tensiunea alternativă. Sub acțiunea evacuărilor parțiale în procesele de incluziune a gazelor apar cele care duc la distrugerea dielectricului într-un volum adiacent incluziunii gazului. Un astfel de proces este formarea tuburilor dendrite - subțiri ramificate (1 μm în diametru), canale cu gaze prin care se produce o descompunere a izolației. Un astfel de mecanism de defecțiune are loc în izolarea cu hârtie a uleiului de cabluri, în izolație pe bază de rășini epoxidice.
Îmbătrânirea dielectricilor anorganici are loc mai intens la o tensiune constantă. În procesul de conductivitate electrică ionică, se transportă ioni, ceea ce duce la o schimbare ireversibilă a compoziției chimice a materialului în volumul probei sau al articolului. De aceea, dielectricul dielectric poate să scadă și să apară defalcarea acestuia.