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 – 1200С), 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