Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)
Кафедра «Системы передачи информации»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ИЗОЛЯТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Отчет по лабораторной работе №3 по дисциплине «Материаловедение».
Студентов гр. 22г
______О.А. Артымович
______Е.С. Коньшина
Руководитель-
Доцент кафедры СПИ
В.В. Зайцев
__________
Оценка
Омск 2013
Исходные данные.
Воздушные ёмкости изолятора:
Св1 = 7 пФ,
Св2 =25 пФ,
Св3 = 120 пФ.
Рабочие частоты и напряжения:
ε0 = 8,8 * 10-12 Ф/м.
f1 = 106 Гц, f2 =108 Гц.
UA1 = 100 B, UA2 = 500 В, UA3 = 1200 В.
Характеристики изоляционных материалов для частот f1 и f2 .
|
Изоляционный материал |
εr1 |
εr2 |
tg1 |
tg2 |
|
Полиэтилен |
2,2 |
2,2 |
4*10-4 |
3*10-2 |
|
Тетрафторэтилен |
2,1 |
2,6 |
7*10-4 |
4*10-4 |
|
Полистирол |
2,6 |
2,8 |
5*10-3 |
9*10-3 |
|
Гетинакс |
7,0 |
5,5 |
0,05 |
0,1 |
|
Стеклотекстолит |
5,7 |
5,5 |
0,025 |
0,07 |
По варианту(2):
f2 =108 Гц
UA1 = 100 B
Св1 = 7 пФ
Материалы: тетрафторэтилен, полистирол.
Контрольные вопросы.
1)Что такое поляризация и диэлектрическая проницаемость? Как они связаны между собой?
Ответ: Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Отношение зарядов является одной из важных электрических характеристик диэлектрика и называется относительной диэлектрической проницаемостью
Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.
2)Какие основные виды поляризации наблюдаются у диэлектриков?
Ответ:
Различают следующие виды поляризации.
Электронная поляризация
При подаче напряжения в диэлектрике создается электрическое поле, и электроны в атомах смещаются относительно ядра к положительному электроду.
Смещенные электроны с положительными зарядами ядер атомов образуют пары связанных друг с другом электрических зарядов, которые называются упругими диполями. Образование их происходит мгновенно (10-15 с). Они исчезают, если с диэлектрика снято напряжение. Этот процесс образования упругих диполей называется электронной поляризацией.
Величина зависит от концентрации атомов (молекул) в диэлектрике и их структуры, определяющей поляризуемость αэ атома (молекулы), и описывается выражением
= 1 + nαэ,
где ε – диэлектрическая проницаемость; n – концентрация частиц (атомов, молекул) в диэлектрике; αэ – электронная поляризуемость, определяемая структурой молекулы или атома.
Если диэлектрик кристалл, то у него ε больше, чем у аморфного диэлектрика, т.к. плотность упаковки атомов и молекул больше в кристаллическом состоянии.
Диэлектрическая проницаемость вещества с чисто электронной поляризацией численно равна квадрату показателя преломления света n.
ε = n2.
Хотя деформация электронных орбит не зависит от температуры, электронная поляризация, а, следовательно, диэлектрическая проницаемость ε с увеличением температуры диэлектрика уменьшается, т.к. увеличивается его объем и уменьшается число частиц в единице объема.
Ионная поляризация (или поляризация ионного смещения).
Поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов. Характерна для твердых тел с ионным строением, т.е. для кристаллических диэлектриков. Всякий ионный кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. При наложении напряжения в нем начинают действовать электрические силы, и ионы смещаются: положительные – в одном направлении, отрицательные – в противоположном. Каждая пара ионов образует упругий диполь. Время установления ионной поляризации 10-13 с. Наряду с процессом поляризационного смещения протекает электронная поляризация. Интенсивность этих процессов у кристаллических диэлектриков велика, поэтому больше ε = 7 ÷ 12 и выше.
Электронная и ионная поляризации относятся к упругой поляризации. Остальные, рассматриваемые далее, являются различными проявлениями релаксационной поляризации.
Дипольная релаксационная поляризация (ориентационная).
Поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым движением частиц.
Диэлектрик может состоять из полярных молекул. Такая молекула состоит из положительных и отрицательных ионов и ее дипольный электрический момент
μ = q·l,
q – заряд одного из ионов; l – расстояние между центрами ионов. Такая система зарядов называется твердым диполем, а диэлектрик, состоящий из полярных молекул – полярным.
Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Поворот диполей в направлении поля протекает в вязкой среде и связан с совершением работы по преодолению сил вязкого сопротивления среды, поэтому дипольная поляризация связана с потерями энергии
Под действием поля ориентируются и радикалы (группы атомов) – это дипольно – радикальная поляризация.
С увеличением температуры вязкость среды уменьшается, и дипольная поляризация возрастает, пока велика вязкость. Но постепенно нарастает хаотичность теплового движения и становится преобладающей над ориентацией диполей, т.е. дипольная ориентация с ростом температуры начинает падать.
Эта поляризация свойственна газам и жидкостям, а также твердым полярным органическим веществам, имеющим в составе радикалы. Совершается за время 10-2 с. После снятия поля ориентация ослабевает (происходит релаксация).
Электронно – релаксационная поляризация.
Поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления и электронной электропроводностью, а также полупроводников.
Упруго – дипольная поляризация
Поляризация наблюдается у дипольных молекул некоторых кристаллов, закрепленных и только ограниченно поворачивающихся на небольшой угол.
Междуслойная поляризация
Поляризация обусловлена проводящими и полупроводящими включениями и наличием слоев с различной проводимостью. Поляризация проявляется в твердых телах неоднородной структуры (слоистые пластики) в области низких частот, и связана со значительными потерями электрической энергии.
Самопроизвольная (спонтанная) поляризация
Поляризация характерна для сегнетоэлектриков, веществ, разбивающихся на области (домены), обладающие спонтанным дипольным моментом в отсутствие внешнего поля. Взаимная ориентация дипольных моментов доменов в отсутствие поля такова, что суммарный дипольный момент вещества равен нулю. Наложение поля ориентирует дипольные моменты доменов, что вызывает очень сильную поляризацию.. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости также имеет один или несколько максимумов при определенных температурах (титанатыбария и стронция). Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках проявляется в определенной области температур, исчезая выше некоторой температуры, называемойтемпературой Кюри. При этой температуре в сегнетоэлектрике наблюдается фазовый переход второго рода, т.е. изменяется тип кристаллической структуры.
Остаточная поляризация
Поляризация существует длительное время в диэлектрике после снятия напряжения. Этот тип поляризации наблюдается в электретах. Обладает сильной зависимостью от напряженности электрического поля и температуры.
3)Как изменяется диэлектрическая проницаемость при различных видах поляризации при изменении температуры диэлектрика?
Ответ:
Основные виды поляризаций:
Существуют 2 вида:
Практически мгновенная, вполне упругая, без рассеянной энергии (без выделения тепла).
Не мгновенная, а напрастающаяю, убывающая, замедленная и сопровождающая нагревом диэлектрика (реликционная поляризация).
К первому виду относятся электронная и ионная поляризация, остальные относятся к реликционной поляризации.
Электронная поляризация. Это упругое смещение и деформация электронных атомов и ионов. Например, атомы водорода. При наложении электрического поля они вытягиваются. Время поляризации очень маленькое, следовательно, мгновенная. Она наблюдается у всех видов диэлектриков. Поляризованность частиц не зависит от температуры. Диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема.
Изменения диэлектрической проницаемости при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости:
Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго связанных ионов. С повышением температуры она усиливается, т.к. упругие силы действующие между ионами ослабевает из-за увеличения расстояния между ними при тепловом расширении.
Время для установления ионной поляризации – 10-12 с.
Дипольно-релаксационная (дипольная) поляризация связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы, которые находятся в хаотическом движении под действием электрического поля ориентируется, что является причиной поляризации.
С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, вязкость вещества понижается, но в то же время возрастает тепловое движение молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому с увеличением температуры эта поляризация сначала возрастает затем резко уменьшается. Промежуток времени, в течение которого упорядоченность диполей после снятия электрического поля уменьшается, вследствие теплового движения в 2,7 раза, по сравнению с предыдущим значением называется временем релаксации. Эта поляризация наблюдается в полярных газах и жидкостях, а также в твердых телах, но в этом случае она обусловлена не поворотом самой молекулы, а поворотом имеющихся в ней полярных радикалов (дипольно-радикальная поляризация), например, целлюлоза.
Ионно-релаксационная поляризация. Она встречается в неорганических стеклах и в некоторых ионных органических веществах с неполной упаковкой ионов. В этом случае слабосвязанные ионные вещества под воздействием внешнего электрического поля смещается в направлении электрического поля. После снятия электрического поля ионно-релаксационная поляризация ослабевает.
Электронно-релаксационная поляризация. Возникает вследствие возбуждения тепловой энергии, избыточных электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления, с большим внутренним полем и электропроводностью.
Резонансная поляризация. Встречается в диэлектриках при световых частотах. Зависит от физико-химических особенностей вещества. Может относится к собственной частоте ионов или электронов (при очень высоких частотах) или к характеристической частоте электронов (при более низких частотах).
Миграционная поляризация. Проявляется при низких частотах и связана со значительным рассеиванием электрической энергии. Причинами поляризации является проводящие и полупроводящие включения, наличие слоев с различной проводимостью. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений переключаются в пределах этого включения, образуя поляризацию области.
Спонтанная поляризация (самопроизвольная). Встречается у твердых диэлектриков, обладающих такими особенностями как сегнетова соль и получивших название сегнетоэлектрики.
4)Как изменяется диэлектрическая проницаемость при различных видах поляризации при изменении частоты приложенного напряжения?
Ответ:
Электронная поляризация: При подаче напряжения в диэлектрике создается электрическое поле, и электроны в атомах смещаются относительно ядра к положительному электроду
Ионная поляризация: При наложении напряжения в нем начинают действовать электрические силы, и ионы смещаются: положительные – в одном направлении, отрицательные – в противоположном
Резонансная: Может относится к собственной частоте ионов или электронов (при очень высоких частотах) или к характеристической частоте электронов (при более низких частотах).
Спонтанная:
Поляризация нелинейно зависит от напряжения электрического поля и достигает насыщения при некотором значении напряженности электрического поля. Поэтому диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика нелинейно зависит от напряженности электрического поля, достигая максимума при определенном его значении.
Остаточная: Обладает сильной зависимостью от напряженности электрического поля и температуры.
5)Дайте понятие электропроводности диэлектриков.
Ответ:
Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов, а также инжекция их из электродов приводят к возникновению небольших токов сквозной электропроводности (или сквозных токов).
В большинстве случаев электропроводность диэлектриков ионная, реже – электронная. Электропроводность диэлектриков зависит от их агрегатного состояния, а также от влажности и температуры окружающей среды.
При длительной работе под напряжением сквозной ток через твердые или жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение сквозного тока со временем говорит о том, что электропроводность материала была обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшалась за счет электрической очистки образца.
6)В чем отличие электропроводности диэлектриков в постоянных и переменных электрических полях?
Ответ: В слабых постоянных полях значительно труднее провести четкую грань между диэлектриком и полупроводником; в этом случае критерием является лишь величина электропроводности и отчасти природа носителей тока. Вместе с тем следует подчеркнуть, что величина электропроводности тела, если оно помещено в электростатическое поле, влияет в первую очередь на время установления равновесия электрических зарядов. При очень малой электропроводности время может исчисляться годами; в сущности, только это позволяет говорить о переходе количественного различия в качественное и разделять вещества на полупроводники и диэлектрики. В области сильных постоянных и импульсных полей явления усложняются, возникают разнообразные процессы, приводящие к нарушению так называемой электрической прочности диэлектрика или полупроводника
7)Что такое диэлектрические потери и почему они возникают?
Ответ: Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.
Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении, поскольку в технических материалах обнаруживается сквозной ток утечки, обусловленный электропроводностью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений, которые определяют значение .
При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нем кроме сквозной электропроводности могут проявляться другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому качество материала недостаточно характеризовать только сопротивлением изоляции.
8)С помощью электрической схемы замещения и векторной диаграммы, построенной для неё, дайте понятие угла диэлектрических потерь.
Ответ: Способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле обычно характеризуют углом диэлектрических потерь, а также тангенсом угла диэлектрических потерь. При испытании диэлектрик рассматривается как диэлектрик конденсатора, у которого измеряется емкость и угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Этот угол называется углом диэлектрических потерь.
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь
Для измерения емкости и угла диэлектрических потерь (или tgδ) эквивалентную схему конденсатора представляют как идеальный конденсатор с последовательно включенным активным сопротивлением (последовательная схема) или как идеальный конденсатор с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема).
Рис. 1. Векторная диаграмма тока и напряжения в диэлектрике с потерями
Для последовательной схемы активная мощность:
Р=(U2ωtgδ)/(1+tg2δ), tgδ = ωСR
Для параллельной схемы:
Р=U2ωtgδ, tgδ = 1/(ωСR)
где С - емкость идеального конденсатора;R - активное сопротивление.
9)Пробой в жидких, твердых и газообразных диэлектриках.
Ответ:
Диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свои электроизоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика или нарушения его электрической прочности. Свойство диэлектрика противостоять пробою называется электрической прочностью (Епр). Напряжение, при котором происходит пробой изоляции, называют пробивным напряжением (Uпр) и измеряют чаще всего в киловольтах.
Пробой твердых диэлектриков и пробой газов и жидкостей отличаются друг от друга как по внешним признакам, так и по физике явления.
Пробой газов
Внешней изоляцией во многих видах электротехнических конструкций служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невысока по сравнению с прочностью большинства жидких и газообразных диэлектриков.
Небольшое количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и электронов, находящихся в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получают добавочную скорость и начинают перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию
W = q·U,
Пробой жидких диэлектриков
Жидкие диэлектрики отличаются более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях.
Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков.
Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости, который приводит к образованию газового канала между электродами. Влияние воды, не смешивающейся с трансформаторным маслом при нормальной температуре и держащейся в нем в виде отдельных мелких капелек, показано на рис. Под влиянием поля капельки воды поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.
Пробой твердых диэлектриков
Различают четыре вида пробоя твердых диэлектриков:
электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков;
электрический пробой неоднородных диэлектриков;
тепловой (электротепловой) пробой;
электрохимический пробой.
Электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков. Этот вид пробоя характеризуется весьма быстрым развитием, он протекает за время, меньшее 10-7 – 10-8 с, и не обусловлен тепловой энергией.
Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из немногих начальных электронов в твердом теле создается электронная лавина.
Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обуславливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений.
Электрический пробой неоднородных диэлектриков. Такой пробой характерен для диэлектриков, имеющих газовые включения. Он также характеризуется весьма быстрым развитием. Пробивные напряжения для неоднородных диэлектриков во внешнем однородном и неоднородном поле, как правило, невысоки и мало отличаются друг от друга.
С увеличением толщины образца усиливается неоднородность структуры, возрастает количество слабых мест, газовых включений и снижается электрическая прочность как в однородном, так и в неоднородном поле. Площадь электродов тоже влияет на прочность диэлектрика. Чем меньше площадь электродов, тем выше может быть значение электрической прочности из-за уменьшения количества слабых мест, попадающих в пределы поля.
Низкой электрической прочностью отличаются диэлектрики с открытой пористостью: мрамор, непропитанная бумага, дерево, пористая керамика.
Высокой электрической прочностью характеризуются диэлектрики, имеющие плотную структуру и не содержащие газовых включений: слюда, стекла, бумага, тщательно пропитанная жидким диэлектриком.
Тепловой пробой. Этот пробой сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной электропроводности или диэлектрических потерь. Пробивное напряжение при тепловом пробое зависит от ряда факторов: частоты поля, условий охлаждения, температуры окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя связано с нагревостойкостью материала.
Для того, чтобы температура изолятора не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение изолятора, необходимо правильно установить допустимое напряжение. Если считать, что все изменение температуры происходит вне диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв тепловыделение количеству тепла, отводимого при данной температуре с поверхности изолятора:
U2Ctg= S(Tраб – T0), (1.28)
где U – напряжение, В; U2C– реактивная мощность, В·А; – угловая частота, с-1; С – емкость изолятора, Ф; tg – тангенс угла потерь при рабочей температуре; – коэффициент теплоотдачи , Вт/м2·К; S – площадь поверхности изолятора, м2; Tраб и T0 – температуры поверхности изолятора и окружающей среды, К.
Данное выражение с достаточной степенью точности позволяет рассчитать допустимое напряжение для изделий с известной электрической емкостью и хорошей теплопроводностью диэлектрика, обеспечивающей малый перепад температуры по сечению изделия.
Для более точных расчетов В.А.Фоком и Н.Н.Семеновым получено строгое аналитическое выражение для пробивного напряжения в случае теплового пробоя:
(1.29)
где т – удельная электропроводность диэлектрика, Вт/м·К; f – частота, Гц; tg0 – тангенс угла потерь диэлектрика при температуре окружающей среды; tg – температурный коэффициент tg, 1/K; (cs) – поправочная функция аргумента с, зависящая от теплопроводности металла электродов, коэффициента теплопередачи из диэлектрика в металл, толщины диэлектрика и электродов.
Электрохимический пробой имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обуславливающие необратимое уменьшение сопротивление изоляции.
Такое явление часто называют старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании. Это явление имеет место в органических (пропитанная бумага, резина и т.д.) и некоторых неорганических диэлектриках (титановая керамика).
10)Классификация диэлектриков.
Ответ:
Линейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, применяемым в
основном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика
конденсаторов.
Нелинейные диэлектрики относят к активным диэлектрикам, параметры которых
зависят от величины приложенной разности потенциалов. Емкостью конденсатора с
нелинейным диэлектриком можно управлять электрическим полем. Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул, у
которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают .
Следовательно, неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их
электрический момент равен нулю.
Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул ,
обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного
строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с
ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны кроме
электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации. Принято выделять
группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций электронной и ионной, и с
замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихсяна
электронную и ионную поляризации. К первой группе, в которой наблюдаются только
быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой
ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд и др. Ко второй группе, в
которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой ионов в решетке имеют
также и ионно-релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла,
электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др