Реферат: Жидкие диэлектрики
Министерство образования Российской Федерации.
Государственное образовательное учреждение.
Воронежский авиационный техникум им. В.П.Чкалова.
Выполнил: студент гр. АП-021
Селиванов М.Г.
Проверил: преподаватель материаловедения
Сологуб Е.Л.
2003
План:
1. Диэлектрики. Общие сведения.
2. Роль жидких диэлектриков в современном мире.
3. Особенности жидкого состояния вещества.
4. Электропроводность жидких диэлектриков.
5. Пробой жидких диэлектриков.
Диэлектрики. Общие сведения.
Все вещества по электрическим свойствам условно делятся на три группы –
проводники, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других
веществ прочными связями электрических положительных и отрицательных зарядов,
входящих в их состав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно
перемещаться под влиянием приложенной разности потенциалов. В отличие от
диэлектриков в проводниках электрического тока электрические заряды не имеют
таких связей, поэтому в проводниках электроны могут свободно перемещаться,
создавая явление электрического тока. Практически в диэлектриках в силу ряда
причин всегда имеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных
перемещаться внутри вещества на большие расстояния. Иными словами, диэлектрики
не являются абсолютными непроводниками электрического тока. Однако в нормальных
условиях таких зарядов в диэлектриках очень мало, и обусловленный ими
электрический ток, называемый током утечки, невелик. Проводимость диэлектриков
проводимости проводников. Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие
удельную электрическую проводимость не больше 10-7 – 10-8
См/м, проводникам – имеющие проводимость больше 107 См/м. К
диэлектрикам относятся все газы (включая пары металлов), многие жидкости,
кристаллические, стеклообразные, керамические, полимерные вещества. Поскольку
свойства вещества сильно зависят от его агрегатного состояния, обычно
рассматривают отдельно физические явления в газообразных, жидких и твёрдых
диэлектриках.
Роль жидких диэлектриков в современном мире.
В последние годы исследования механизма ионизации, электрической проводимости
и пробоя жидких диэлектриков получили большое развитие в связи с важной
ролью, которую эти явления играют во многих современных разделах физики,
химии, техники и радиобиологии. Исследования жидких диэлектриков тесно
связаны с физикой плазмы, физикой полупроводников, дозиметрией ионизирующего
излучения, физикой и техникой электрической прочности материалов и т.д.
Исследования механизма ионизации и электрической проводимости жидких
диэлектриков имеют большое значение для так называемой физики здоровья и для
медицины. Результаты этих исследований заполняют большой пробел в наших
знаниях о механизме ионизации в газах и в жидкостях, а в особенности
ионизации тканей и всего живого организма. Знания эти играют в настоящее
время очень большую роль как в радиологии, так и во многих более общих
проблемах, связанных с воздействием ионизирующего излучения на материю
Особенности жидкого состояния вещества.
Законы теплового движения атомов и молекул в жидкостях особенно сложны. С
одной стороны, расстояния между молекулы (атомами) жидкости почти такое же,
как в твёрдом теле, поэтому поступательные перемещения ограничены и тепловое
движение носит главным образом колебательный характер. С другой – в отличие
от твёрдого тела при определённых условиях в жидкостях появляется возможность
кооперативного перемещения одних групп молекул относительно других, что
обусловливает её текучесть. Ещё одна особенность, отличающая жидкое состояние
от газообразного: благодаря большим силам взаимодействия молекула,
находящаяся в фиксированном положении (в состоянии колебания около
определённой точки), вызывает известное упорядочение в расположении ближайших
к ней молекул. Это упорядочение называют «ближним порядком».
Электропроводность жидких диэлектриков.
В жидких диэлектриках бывают два основных механизма электропроводности:
ионный и молионный. Ионная электропроводность определяется диссоциацией
молекул жидкости, а также различных примесей или загрязнений, которые часто
встречаются на практике, так как жидкости легко загрязняются.
В технически чистых жидких диэлектриках всегда содержатся те или иные
примеси, обычно легче диссоциирующие, чем основной диэлектрик, поэтому
проводимость в них сильно зависит от чистоты жидкости: на собственную
проводимость диэлектрика накладывается примесная проводимость. В зависимости
от природы жидкого диэлектрика в нём могут быть разные диссоциирующие
примеси. Например, нефтяному электроизоляционному маслу сопутствуют некоторые
органические кислоты; само масло является химически нейтральным
углеводородом. Эти кислоты благодаря лёгкой диссоциации заметно повышают
удельную проводимость масла. Загрязнением в жидком диэлектрике, в частности в
том же масле, является и вода, попадающая в него непосредственно из
атмосферного воздуха благодаря известной гигроскопичности масла.
Вода в жидком диэлектрике может быть в трёх состояниях: а) молекулярно-
растворённое; б) в виде эмульсии, то есть в виде мельчайших капель,
находящихся в жидком диэлектрике во взвешенном состоянии; в) в виде
избыточной воды, не удерживающейся в эмульсии, выпадающей из неё. Избыточная
вода или тонет в диэлектрике, если его плотность меньше
1000 кг/м3 (например, нефтяное масло), или всплывает на его
поверхности, если плотность диэлектрика больше 1000 кг/м3 (например,
хлорированный дифенил – совол).
Лёд обычно всплывает на поверхность трансформаторного масла.
Вода в жидком диэлектрике может переходить из одного состояния в другое при
изменении температуры за счёт изменения растворяющей способности диэлектрика.
При повышении температуры растворяющая способность увеличивается и
эмульсионная вода полностью или частично переходит в молекулярно растворённое
состояние, а избыточная вода – в эмульсионное в зависимости от значения
температуры. При понижении температуры происходит обратный процесс. При
длительном воздействии высокой температуры сказывается эффект сушки
(испарения воды) жидкого диэлектрика. Гигроскопичность жидкости зависит от её
состава и от наличия полярных молекул. Полярные молекулы, как правило,
отличаются большой активностью, поэтому полярные жидкости легче смешиваются с
различными примесями и загрязнениями.
Например: молекулярная растворимость воды в масле очень мала вследствие очень
большой разницы между размерами молекул воды и масла. Межмолекулярные силы
взаимодействия в этом случае препятствуют смешению масла и воды. Количество
воды, поглощаемое маслом из воздуха до равновесного состояния,
пропорционально относительной влажности воздуха. Скорость насыщения любой
жидкости влагой, поглощаемой из атмосферного воздуха, увеличивается с
увеличением поверхности соприкосновения. При наличии в нефтяном масле
полярных примесей его гигроскопичность повышается, поэтому у окислившихся
масел с повышенным кислотным числом влагопоглощение больше, сем у свежих.
Известно, что в составе жидких углеводородов могут быть молекулы разной
структуры, что также сказывается на гигроскопичности. В частности масло со
значительным содержанием ароматических углеводородов отличается повышенной
гигроскопичностью.
Жидким загрязнением может быть не только вода, но и какая – либо другая
посторонняя жидкость.
Остановимся на растворимости в масле различных газов. Жидкие диэлектрики в
обычных условиях всегда содержат растворённый газ; в частности, большой
способностью к растворению газов отличается нефтяное масло. Разные газы по –
разному растворяются в жидкости. Эта их способность обычно определяется в
процентах по объёму (коэффициент растворимости). Для примера ниже приведены
значения коэффициента растворимости в масле для некоторых газов: воздух 9.4;
азот 8.6; кислород 16; углекислый газ 120; водород 7.
Благодаря этому состав воздуха, растворённого в масле, отличается от состава
атмосферного воздуха. Обычно атмосферный воздух содержи 78% азота и 21%
кислорода (по объёму), а в масле соотношение их будет таким: 69.8% азота и
30.2% кислорода.
Изменение температуры по – разному влияет на растворимость газов в масле.
Например, при повышении температуры от 20 до 800С растворимость
водорода и азота увеличивается, кислорода несколько понижается, а углекислого
газа резко падает.
Рассмотри ионную электропроводность жидких диэлектриков как основной её вид.
Собственная ионная проводимость зависит от способности молекул к диссоциации.
Легче диссоциируют молекулы, обладающие чисто ионными связями, так называемые
гетерополярные. Диссоциация молекул жидкости происходит и без воздействия
электрического поля; установлено, что отношение количества диссоциированных
молекул в данном объёме жидкостей к их общему количеству, называемое степенью
диссоциации, зависит от относительной диэлектрической проницаемости жидкости.
В соответствии с этим правилом полярные жидкости, имеющие большую
диэлектрическую проницаемость, имеют повышенную степень диссоциации и
повышенную собственную проводимость. У жидкостей неполярных, например
нефтяного электроизоляционного масла, собственная проводимость очень мала из
– за слабой способности молекул углеводородов к диссоциации. У таких
жидкостей электропроводность в основном носит примесный характер, а
проводимость зависит как от свойств примеси, так и от её содержания в
диэлектрике. Полярные жидкости особенно чувствительны к примесям. Это
объясняется тем, что степень диссоциации молекул примесей в жидкости с
большой относительной диэлектрической проницаемостью выше, чем в жидкости с
малой диэлектрической проницаемостью. В связи с такой особенностью полярных
жидкостью у них часто бывает затруднительно отделить собственную проводимость
от примесной.
Рассмотрим закономерности молионной электропроводности. При помощи
современных оптических микроскопов с большой разрешающей способностью в
жидкости можно обнаружить коллоидные частицы разного происхождения и
проследить за характером их движения в электрическом поле. Коллоидные частицы
переносятся электрическим полем к электроду определённого знака (при
определённом напряжении). Для коллоидных частиц примесной жидкости знак
заряда частицы зависит от соотношения относительных диэлектрических
проницаемостей основной жидкости и примесей. Если относительная
диэлектрическая проницаемость примеси меньше, чем основной жидкости, то
частицы примеси заряжаются отрицательно, в противном случае – положительно. В
случае неоднородного электрического поля коллоидные частицы стремятся в зону
максимальной напряжённости электрического поля, к электроду соответствующего
знака, вследствие этого концентрация загрязнений здесь сильно повышается за
счёт известного снижения её в других зонах. Вообще при молионной
электропроводности со временем частицы загрязнений сосредоточиваются у
электродов, и таким образом происходит очистка жидкостей от загрязнений. При
переменном напряжении вследствие непрерывного изменения направления движения
коллоидных частиц эффект очистки от них не наблюдается. Вследствие эффекта
очистки с течением времени после включения постоянного напряжения удельное
сопротивление жидкости увеличивается.
Пробой диэлектриков.
Основные понятия.
Пробой – потеря электрической прочности под действием напряжённости
электрического поля – может иметь место как в образцах различных диэлектриков
и систем изоляции, так и в электроизоляционных системах любого
электротехнического устройства – от мощных генераторов и высоковольтных
трансформаторов до любого бытового прибора. Сочетание в системах изоляции
материалов, разных по электрической прочности, может приводить к серьёзным
осложнениям в эксплуатации самых разнообразных электротехнических устройств,
особенно высокого напряжения, где изоляция работает в сильных электрических
полях и может возникнуть её пробой.
Причины пробоя бывают различными; не существует по этому единой универсальной
теории пробоя. В любой изоляции пробой приводит к образованию в ней канала
повышенной проводимости, достаточно высокой, чтобы произошло короткое
замыкание в данном электротехническом устройстве, создающее аварийную
ситуацию, по существу выводящую это устройство из строя. Однако в этом
отношении пробой может проявлять себя в разных системах изоляции по –
разному. В твёрдой изоляции, как правило, канал пробоя сохраняет высокую
проводимость после выключения, приведшего к пробою напряжения, явление
протекает необратимо. В жидких и газообразных диэлектриках вследствие высокой
подвижности их частиц электрическое сопротивление канала пробоя
восстанавливается вызвавшего его напряжения практически мгновенно.
Особенности пробоя жидких диэлектриков.
Пробой жидких диэлектриков может быть вызван разными процессами,
определяющимися в основном состоянием жидкости, степенью её дегазации и
чистотой. Наиболее часто в жидком диэлектрике встречается влага. Газы,
также, как и вода, могут находиться в жидкости в разных состояниях от
молекулярного до сравнительно крупных включений – пузырьков. Как и в газах, в
жидкостях в неоднородных электрических полях наблюдаются формы пробоя:
неполный пробой – корона, искровой и дуговой разряд. Установлено, что
развитие пробоя начинается с формирования оптических неоднородностей в
межэлектродном пространстве: в местах образования будущих каналов пробоя
жидкость становится малопрозрачной. Наиболее чёткие фотографии позволяют
обнаружить густое переплетение микроскопических тёмных нитей – развивающийся
пробой древовидной формы. Высказываются предположения, что такие оптические
неоднородности связаны с образованием в жидкости газовых пузырей, вызванных
её разогревом токами эмиссии, автоионизацией молекул и ёмкостными токами.
Однако такая гипотеза пока количественно не проанализирована и не приобрела
формы теории.
В теории А.Геманта рассматривается пробой жидкого диэлектрика, содержащего
влагу в виде эмульсии. Согласно расчётам Геманта под действием электрического
поля капельки влаги вытягиваются, приобретая форму эллипсоидов. При
достаточно большой напряжённости поля вытянутые эллипсоиды соединяются между
собой, в результате чего в образовавшемся при этом канале происходит разряд.
Экспериментально установлено, что при повышении напряжения в жидкости,
содержащей растворённый газ, перед пробоем появляются газовые пузырьки. В
результате пробивное напряжение таких жидкостей значительно падает с понижением
давления или с приближением к температуре кипения, то есть в условиях,
облегчающих образование газовых пузырьков. Причины образования газовых
пузырьков рассматривались в теориях Н.Эдлера, П.А.Флоренского,
Ф.Ф.Волькенштейна. Согласно теории Эдлера, вблизи электрода имеется слой
жидкости с повышенным удельным сопротивлением, содержащий микроскопические
зародыши газовых пузырьков. При прохождении тока через этот слой в сильном
электрическом поле выделяется такое количество тепла, что при некотором
напряжении указанный слой нагревается до температуры кипения, происходит
интенсивное газовыделение и наступает пробой. В электроизоляционных маслах,
температура кипения которых выше температуры разложения (110 – 1200
С), появление газовых пузырьков перед пробоем может быть связано не с испарением
жидкости, а с химическим разложением под влиянием нагревания. Кроме того,
образование пузырьков и их рост могут происходить под действием газового
разряда. В этом случае повышается удельный вес, возрастает вязкость масла,
увеличивается температура вспышки. Обработка масел воздействием разрядов
называется вольтализацией и находит применение в технике.
В работе, выполненной под руководством Я.И.Френкеля, изучался пробой жидких
диэлектриков, содержащих металлические частицы. Было установлено, что сначала
частицы приобретают положительный заряд, движутся к катоду, покрывая его
толстым рыхлым слоем. Приобретая у катода отрицательный заряд, многие из них
движутся к аноду, а с течением времени всё пространство между электродами
оказывается заполненным агрегатами частиц, образующих мостики. После этого
может произойти пробой. После пробоя частицы с электродов осыпаются на дно
сосуда, а между электродами наблюдается тонкая нить – мостик из частиц,
сопротивление которой составляет около 25 Ом. Мостик сохраняется около часа,
а при пропускании тока – и более длительное время.
Изучение пробоя жидких диэлектриков, содержащих влагу, растворённый газ,
примеси твёрдых частиц, весьма важно для практики.
Ø Адамчевкий И.
«Электрическая проводимость жидких диэлектриков». Л., 1972
Ø Балыгин И.Е.
«Электрическая прочность жидких диэлектриков». Л., 1964
Ø Борисова М.Э. «Физика диэлектриков». Л., 1979
Ø Корицкий Ю.В. «Основы физики диэлектриков». М., 1979