Sv1ca-4.ru

Строй журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ток сквозной электропроводности диэлектрика

Электропроводность

Электропрово́дность (электри́ческая проводи́мость, проводимость) — способность тела (среды) проводить электрический ток, свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению [1] .

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс (русское обозначение: См; международное: S), определяемый как 1 См = 1 Ом −1 , то есть как электрическая проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом [2] .

Также термин электропроводность (электропроводность среды, вещества) применяется для обозначения удельной электропроводности (см. ниже).

Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток. Ток проводимости практически не зависит от частоты приложенного поля (до определённых пределов, в области низких частот).

Электропроводность среды (вещества) связана со способностью заряженных частиц (электронов, ионов), содержащихся в этой среде, достаточно свободно перемещаться в ней. Величина электропроводности и её механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура.

Общие представления об электропроводности диэлектриков

Сквозной ток — I с к в (ток утечки) протекает по диэлектрику под воздействием постоянного напряжения — обусловлен наличием в диэлектриках свободных носителей заряда различной природы.

Вид диэлектрикаНосители заряда (область слабых полей)Природа носителей заряда (происхождение)
ГазообразныеПоложительные и отрицательные ионыИонизация молекул газа
В сильных полях также электроныГлавным образом ударная ионизация и фотоионизация молекул газа
ЖидкиеИоныДиссоциация молекул примеси (реже собственных молекул)
Коллоидные заряженные частицыХарактерны для эмульсий (коллоидные частицы жидкость) и суспензий (взвешенная фаза твердое вещество)

ТвердыеИоныДиссоциация примесей или собственных молекул
Точечные дефекты кристаллической решетки: вакансии (пустые узлы) межузельные ионыЗависят от структуры кристаллического диэлектрика
Электроны проводимости или дырки в заполненной зонеВ диэлектриках с электронным механизмом проводимости

Зависимость тока от времени приложения постоянного напряжения

В момент включения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает ток смещения — Iсм , обусловленный быстрыми видами поляризаций.

В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости — Iскв .

В полярных и неоднородных диэлектриках протекает также ток абсорбции — Iабс , вызываемый активными составляющими токов, связанных с установлением замедленных (релаксационных) поляризаций. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, Iабс устанавливается за время меньше 1 мин .

Изменение тока через неполярный диэлектрик в зависимости от времени подключения постоянного напряжения показано на рисунке.

Токи абсорбции

Токи абсорбции могут устанавливаться в диэлектрике в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока Iабс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После установления тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток сквозной проводимости.

При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости Iскв , исключая токи абсорбции .

Посмотрите как изменяется ток в зависимости от времени приложения постоянного напряжения к диэлектрику, в котором возникают токи абсорбции.

Механизмы возникновения и уменьшения тока абсорбции Iабс

При ионной проводимости наличие блокирующих контактов (БК) с электродами.

Блокирующие контакты препятствуют прохождению носителей заряда через границу электрод-диэлектрик или разряда носителей, подходящих из объема на границе с электродом.

Зонная структура проводников (металлов)

В металлах валентная зона занята не полностью, и при воздействия на проводник разности потенциалов электроны могут свободно перемещаться из точек с меньшим потенциалом в точку с большим потенциалом.

Также в проводниках зона проводимости пересекается с валентной зоной. Получившаяся зона пересечения заполнена не полностью.

Почему проводимость металлов не растет с увеличением валентности?

Валентность — это способность атома вещества образовать определенное число химических связей. Проще говоря, способность «прикрепить» к себе другой атом.

Однако электропроводность зависит не от количества валентных электронов на один атом, а от числа электронов в валентной зоне, для которых существуют свободные энергетические уровни. Так, у двухвалентных металлов число электронов, которые могут перейти под действием внешнего поля в свободное состояние меньше, чем у одновалентных. Таким образом, электропроводность двухвалентных металлов меньше, чем одновалентных.

Полупроводники

Полупроводники по своей удельной проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. От проводников они отличаются повышенной зависимостью электропроводности от содержания примесей, от действия различных видов излучения и от температуры: вблизи абсолютного нуля (0 К) полупроводники приобретают свойства диэлектрика, а при росте температуры их электрическая проводимость усиливается. От диэлектриков полупроводники отличаются значительно меньшей шириной запрещенной зоны и меньшей величиной энергии, необходимой для отрыва электрона от атома (1,7 · 10 -19 Дж / моль против 11,2 · 10 -19 Дж / моль).

Возникновение электропроводности в полупроводниках объясняется следующим образом. В полупроводниковых кристаллах атомы соединены между собой ковалентными связями, образованными при перекрытии орбиталей валентных электронов — значит, валентная зона заполнена полностью. Но под влиянием внешних факторов (температура, электрическое поле или облучения) некоторые электроны получают энергию, достаточную для отрыва от атомных ядер, и переходят из валентной зоны в зону проводимости. За счет этих электронов может происходить перенос электрического тока, обеспечивает n-проводимость — так обозначают проводимость, обусловленную перемещением электронов (от лат. слова negative).

Читать еще:  Розетка с отключением питания для открытой установки

Вследствие отрыва электронов от атома и перехода в зону проводимости, на их местах в валентной зоне возникают электронные вакансии (не полностью заняты электронами энергетические уровни) — так называемые дырки , количество которых равно количеству электронов.

В валентной зоне электрон, который размещается рядом с дыркой, перемещается на это свободное место, оставляя после себя новую дырку, на которую передвигается следующий электрон и т.д. Такой дрейф электронов эквивалентен перемещению дыр в противоположном направлении. В электрическом поле дырки ведут себя как положительные заряды, но следует еще раз подчеркнуть, что перемещение дырки — это не движение носителя электрического заряда, а результат перескакивание электронов. Это явление получило название p-проводимости (от лат. слова positive).

Электронно-дырочный механизм электропроводности проявляется в собственных полупроводниках — таких, которые не содержат примесей.

Если необходимо усилить проводимость n-типа в полупроводник вводят примесные доноры, атомы которых способны отдавать электроны, увеличивая проводимость. Например, в кристалле кремния Si, атомы которого имеют четыре электрона на внешнем уровне один атом Si замещается атомом Р, на внешнем уровне которого содержится пять электронов; четыре из них образуют ковалентные связи с соседними атомами Si, а один электрон находится на свободной орбитали атома фосфора. При получении кристаллом Si небольшой энергии (≈ 4,4 кДж / моль) этот электрон легко отщепляется от примесного атома Р и переходит из валентной зоны через запрещенную зону в зону проводимости, то есть играет роль переносчика электрического тока. Но в целом кристалл Si сохраняет электронейтральность. По отношению к кремнию Si примесными донорами являются р-элементы V группы.

При необходимости усиления проводимости р-типа вводят примесные акцепторы, Атомы которых способны повышать дырочную проводимость. Например, в кристалле Si (с четырьмя электронами на внешнем уровне атома) один из атомов Si замещается атомом бора B, на внешнем энергетическом уровне которого находится только три электрона. При образовании атомом бора четырех ковалентных связей с атомами Si возникает дефицит одного электрона в каждом узле кристаллической решетки, содержащий атом B. При получении таким кристаллом небольшого количества энергии атом бора захватывает электрон из соседнего ковалентной связи, превращаясь в отрицательно заряженный ион, а на месте захваченного электрона возникает дырка. Если поместить кристалл в электрическое поле, то дырка становится как бы носителем заряда. Однако электрическая нейтральность кристалла не нарушается. По отношению к кремнию Si примесными акцепторами могут быть р-элементы III группы, а также Zn, Fe, Mn.

В зависимости от механизма проводимости полупроводники делят на таки типы:

  • электронные полупроводники (n-типа)
  • дырочные полупроводники (p -типа).

Иногда полупроводники классифицируют по их химической природе, рассматривая неорганические и органические полупроводники. Однако чаще всего для полупроводников используют другую классификацию, согласно которой их делят на простые и сложные.

Простые полупроводники

Они бывают двух типов:

  1. Собственные полупроводники, к которым относятся сверхчистые кристаллы простых веществ (Si, Ge, Se, Te, B); для собственных полупроводников присуща p-проводимость;
  2. Примесные полупроводники, в которых количество электронов не равно количеству дырок, так как атомы примесей, содержащих в кристаллической решетке основного вещества, могут или отдавать электроны (донорные примеси), или захватывать их (акцепторные примеси). Например, донорные примеси Р, As, Sb в кристаллической структуре германия Ge отдают электроны, в результате чего электронная проводимость таких полупроводников превышает дырочную. Если же в кристаллическую решетку германия ввести акцепторные примеси (Al, Ga, In), то дырочная проводимость такого полупроводника будет преобладать над электронной.

Сложные полупроводники

Сложные полупроводники отличаются нестехиометрическим составом и содержат одновременно донорные и акцепторные примеси. При близости концентраций донорных и акцепторных примесей полупроводник называется компенсированным. В зависимости от того, какой компонент является избыточным, сложный полупроводник может проявлять проводимость n- или p- типа. К сложным полупроводникам относятся соединения р-элементов III группы с р-элементами V группы (GaP, InP, InSb), p-элементов II группы с элементами V и группы (ZnS, ZnTe, CdSe, CdS), p-элементов IV группы (ShC ). Известно много полупроводников более сложной природы (GaAsxP1-x , InxGa1-xSb, ZnS1± x ), в которых варьирование проводимости достигается за счет изменения соотношения атомов металла и неметалла в кристалле.

Полупроводники широко применяются для изготовления электронных приборов, используемых для преобразования и передачи информации (диоды, транзисторы, фото- и термоэлектронные приборы, микросхемы), также как лазерные материалы, в голографии и др.

Заключение

Дистиллированная вода в целом не передает ток. Это обусловлено дефицитом в ней солей и иных примесей, которые могут выступать его хорошими проводниками. В связи с этим в стерильных смесях отсутствуют свободные ионы.

У таких смесей очень маленькая удельная электропроводимость. Уровень диэлектрической проницаемости позволяет говорить о том, что дистиллят является диэлектриком, т.е. плохо передает электроразряды.

При этом плохим проводником будет только идеально чистая среда. Домашняя очищенная вода даже после очистки все равно будет иметь в составе соли. Из-за этого она может слабо пропускать токи.

Читать еще:  Блок розеток iec320 c13

Электропроводность при постоянном напряжении.

Транспортировка заряда в диэлектрических жидкостях происходит в основном за счет движения положительных и отрицательных ионов, возникающих в результате диссоциации примесей или продуктов распада жидкости при ее старении, а также наличия электронов, влиянием которых при не слишком высоких напряженностях поля можно пренебречь [8.8, 8.9]. Причиной этого является быстрая рекомбинация появившихся свободных электронов с положительными ионами или прилипание к молекулам и образование отрицательных ионов [8.10]. Поэтому плотность свободных электронов пренебрежимо мала. К ионной проводимости добавляется электрофоретическая, если жидкость содержит примеси в виде суспензии или эмульсии. Частицы этих примесей могут получать заряд от окружающей среды и участвовать в переносе заряда.
Плотность тока J в постоянном поле зависит от заряда q, концентрации п и средней подвижности носителей заряда, а также от напряженности поля Е. Можно записать следующее уравнение: J=qnbE. (8.6)
Если справедлив закон Ома, т. е. отсутствуют насыщение и ионизационные процессы, электропроводность
e=qnb. (8.7)

Подвижность зависит как от значения заряда q, так и от радиуса r носителя зарядов (ионов) и обратно пропорциональна вязкости жидкости, т. е.

(8.8)
где η — вязкость жидкости.
Характерной особенностью жидких диэлектриков является то, что при постоянном напряжении их электропроводность со временем снижается. Приблизительно эту зависимость (рис. 8.5) можно разбить на четыре области.
В области А ток уменьшается вследствие ориентации диполей. Область Б характеризуется движением свободных носителей зарядов в электрическом поле к электродам. Электропроводность в этой области обозначается фактической электропроводностью, так как соответствует измеренной при 50 Гц (см. 8.1.2.4).
Снижение тока в области В объясняется обеднением концентрации быстрых носителей зарядов и образованием объемных зарядов у электродов. В области Г наблюдается стационарный ток, обусловленный непрерывным возникновением ионов за счет диссоциации.
Вследствие температурных зависимостей концентрации носителей заряда и вязкости электропроводность меняется при изменении температуры по закону Ван Гоффа
(8.9)
где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; σο, F— постоянные вещества.
Коэффициент F характеризует энергию активации подвижности носителей зарядов и процессов диссоциации за счет электролитических примесей. Точное разделение влияния подвижности носителей зарядов и их количества на электропроводность изоляционных масел провести, как правило, невозможно.

Рис. 8.5 Электропроводность σ при постоянном напряжении изоляционного масла в зависимости от времени воздействия напряжения [8.11]


Рис. 8.6. Зависимость плотности тока / изоляционной жидкости от напряженности поля Е:
I — линейная область, где справедлив закон Ома; // — область, в которой резко увеличивается плотность тока

Рис. 8.7. Удельное сопротивление р минерального масла при температуре 40 °C в зависимости от содержания воды w
Закон Ван Гоффа справедлив в предположении, что выполняется закон Ома, т. е. отсутствуют насыщение и ионизационные явления. Это предположение о линейной связи плотности тока с напряженностью поля справедливо только до определенных значений напряженностей, зависящих от рода жидкости и наличия примесей. Если напряженность превышает некоторое граничное значение напряженности, то плотность тока начинает быстро возрастать (рис. 8.6).

Такое резкое возрастание плотности тока связано с увеличением концентрации носителей зарядов и начинается при тем меньшей напряженности, чем выше температура жидкости. Для сухого трансформаторного масла при температуре 20 °C оно наблюдается при Е=20 кВ/см, а при температуре 70°C — при Е—8 кВ/см (см. также 8.1.2.4, рис. 8.14). Для конденсаторных изоляционных жидкостей, например для синтетической жидкости финилксилилэтан, при температуре 60 °C начинается быстрый рост тока, а следовательно, и tg δ при Е=50 кВ/см. Поэтому жидкую изоляцию можно рассматривать как слабый электролит, в котором увеличение напряженности поля приводит к образованию новых носителей зарядов за счет диссоциации (эффект Вина [8.12]). К этому процессу добавляется ток, вызванный инжекцией электронов с катода. Процесс инжекции облегчается высокой напряженностью поля у катода, возникающей за счет наложения основного поля и поля положительного объемного заряда [8.10].
Как уже упоминалось, перенос заряда осуществляется в основном благодаря движению ионов, образованных диссоциацией примесей и продуктов распада жидкости при ее старении. Примеси в изоляционном масле, влияющие на электропроводность, могут быть самые разнообразные. Обычно всегда имеются газообразные компоненты и пары воды.

Влияние растворенных газов на электропроводность, а следовательно, на сопротивление утечки не обнаруживается, в то время как сопротивление утечки жидкой изоляции при малом содержании влаги изменяется незначительно, а при большом — весьма существенно (рис. 8.7).

Тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость.

Свойства диэлектрика определяются тангенсом угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемостью. Их значения и зависимости от температуры, частоты и напряжения являются определяющими при использовании того или иного материала, а также служат критерием качества, степени чистоты материала и его состояния в процессе старения.

Основные понятия, определения и схемы замещения изоляции.

Изоляция представляет собой емкость с потерями, а ее характеристики определяются диэлектрической проницаемостью и удельным сопротивлением.
Относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала определяется как отношение емкости конденсатора, диэлектриком которого является рассматриваемый материал, к емкости того же конденсатора, диэлектрик которого заменен вакуумом:

Электрическая постоянная ε0 равна диэлектрической проницаемости вакуума, т. е.

Рис. 8.8. К определению tg δ

Тангенс угла диэлектрических потерь определяется как отношение активной Ра и реактивной Рр мощностей при приложении к конденсатору напряжения U:

Читать еще:  Фильтры для кофеварки розетка

при этом для изоляции с потерями можно использовать схему с параллельным соединением Р и комплексной емкости С, для которой и рассчитывается tg δ.
Ток через изоляцию в комплексной форме

Таким образом, tgδ складывается из двух составляющих, причем tgδl характеризует потери за счет проводимости (преимущественно ионной), a tgδp — за счет переполяризации молекул диэлектрика.

8.1.2.4. Механизмы электропроводности и поляризации.

Ионная проводимость. Электропроводность за счет движения носителей зарядов (ионная проводимость) при не очень высоких частотах принципиально имеет тот же механизм, что и при постоянном напряжении (см. 8.1.2.1), — перемещение свободных носителей под действием электрического поля. По причинам, указанным в 8.1.2.1, эти процессы в жидкости называют ионной проводимостью. Однако было бы более правильным называть рассматриваемые процессы проводимостью за счет движения носителей заряда, так как при высоких напряженностях ионная проводимость перекрывается током, обусловленным электронными процессами (эффект Вина).
Независимо от рода носителей зарядов электропроводность при переменном напряжении связана с их смещением в переменном поле, а ее значение при 50 Гц совпадает со значением электропроводности спустя 10-2 с после приложения постоянного напряжения (см. рис. 8.5). Поэтому согласно (8.7)
σ

=qnb, т. е. электропроводность определяется зарядом, концентрацией и подвижностью участвующих в переносе частиц и поэтому в диапазоне от одного до нескольких сотен герц не зависит от частоты. Отсюда следует, что для заданного устройства с жидкой изоляцией существует конечное сопротивление R, которое в соответствии

Поляризационные потери. Наряду с потерями за счет проводимости в жидких изоляционных материалах имеют место дополнительные потери при переменном напряжении, учтенные в (8.18) членомЭти так называемые поляризационные потери могут вызываться следующими механизмами.
Отдельные молекулы или атомы в составе молекул колеблются в такт с приложенным напряжением. Аналогичные колебания иногда возникают между ядром и электронной оболочкой, в этом случае речь идет о неполярном веществе. Описанный механизм поляризационных потерь называется деформационной поляризацией.
Другим механизмом потерь является поляризация на граничных поверхностях. В неоднородной, например, частично кристаллизованной среде на границах участков с различными свойствами накапливаются заряды, которые в такт с приложенным напряжением изменяют свой знак. Однако, учитывая структуру жидкостей, этот вид поляризации маловероятен.
Наконец, существует ориентационная поляризация. Она наступает тогда, когда изоляционный материал содержит перманентные диполи. Под перманентными диполями имеются в виду такие молекулы, центры положительных и отрицательных зарядов которых не совпадают. При наложении электрического поля диполи в такт с изменением напряжения в большей или меньшей степени выстраиваются по направлению поля.
В жидкостях доминирующим механизмом является ориентационная поляризация. В соответствии с (8.18) частотная зависимость поляризационных потерь определяется комплексной проницаемостьюкоторая связана с частотой ω уравнением Дебая [8.14]:

ИЛИ
(8.23) где τ — время релаксации соответствующего механизма поляризации; εст — реальная часть комплексной проницаемости в пределах частот вплоть до релаксационной частоты (статическая проницаемость); εr∞ — реальная часть комплексной проницаемости при частотах, существенно больших, чем частота релаксации.
Отсюда получается зависимость tgδp от частоты в виде
(8.24)
В результате можно построить зависимости tgδp, реальной и мнимой составляющих проницаемости от частоты (рис. 8.10).

В соответствии с описанным в 8.1.2.1 эффектом Вина tg δ растет е увеличением напряженности поля, если она превышает некоторую граничную напряженность, в пределах которой еще соблюдается закон Ома. На рис. 8.14,в представлены экспериментальные зависимости tg δ трансформаторного масла от Е. Измерительное устройство в этих экспериментах было выполнено таким образом, чтобы до напряженностей 200 кВ/см не возникало частичных разрядов (чувствительность устройства 0,1 пКл), способных исказить результаты. Очевидно, что повышение как температуры, так и содержания влаги приводит к возрастанию tg δ при меньших напряженностях поля.

Продажа шагающий экскаватор 20/90

Цена договорная
Используются в горнодобывающей промышленности при добыче полезных ископаемых (уголь, сланцы, руды черных и
цветных металлов, золото, сырье для химической промышленности, огнеупоров и др.) открытым способом. Их назначение – вскрышные работы с укладкой породы в выработанное пространство или на борт карьера. Экскаваторы способны
перемещать горную массу на большие расстояния. При разработке пород повышенной прочности требуется частичное или
сплошное рыхление взрыванием.
Вместимость ковша, м3 20
Длина стрелы, м 90
Угол наклона стрелы, град 32
Концевая нагрузка (max.) тс 63
Продолжительность рабочего цикла (грунт первой категории), с 60
Высота выгрузки, м 38,5
Глубина копания, м 42,5
Радиус выгрузки, м 83
Просвет под задней частью платформы, м 1,61
Диаметр опорной базы, м 14,5
Удельное давление на грунт при работе и передвижении, МПа 0,105/0,24
Размеры башмака (длина и ширина), м 13 х 2,5
Рабочая масса, т 1690
Мощность механизма подъема, кВт 2х1120
Мощность механизма поворота, кВт 4х250
Мощность механизма тяги, кВт 2х1120
Мощность механизма хода, кВт 2х400
Мощность сетевого двигателя, кВ 2х1600
Напряжение питающей сети, кВ 6
Более детальную информацию можете получить по телефону (063)0416788

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector