Лекция 8 Электропроводность и потери в диэлектриках
8.1. Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.
8.2. Особенности электропроводности для различных агрегатных состояний.
8.3. Электропроводность неоднородных диэлектриков.
8.4. Диэлектрические потери.
8.1. Диэлектрическое и резистивное состояние вещества.
Диэлектрические вещества - это такие вещества, в которых возможно накопление, сохранение и распространение электрической энергии.
Объемная концентрация энергии (плотность энергии) определяется выражением
(8.1)
где e0 - диэлектрическая постоянная, e0 = 8.85 10-12 ф/м, e - диэлектрическая проницаемость материала, Е - напряженность электрического поля.
Резистивные вещества - такие вещества, в которых электрическая энергия расходуется, т.е. преобразуется в другой вид энергии, а именно в тепловую энергию.
Удельные потери энергии при действии постоянного напряжения определяются выражением
(8.2)
где r - удельное электрическое сопротивление, t - длительность действия напряжения.
Абсолютной разницы между диэлектрическим и резистивным состояниями нет, потому что в зависимости от условий одно и то же вещество может быть и диэлектриком и резистором. Основное условие, разграничивающее поведение вещества на резистивное и диэлектрическое основано на понятии максвелловского времени диэлектрической релаксации:
e=t0r×e× , (8.3)
Если на материал действует импульсное напряжение с длительностью импульса t , то при t<< t, вещество можно считать диэлектриком, а в случае обратного неравенства материал можно считать проводящим или резистивным. Для случая переменного напряжения следует сравнивать t и 1/w, где w - частота переменного напряжения, т.е. если t >> 1/w - это диэлектрик, а при t << 1/w - проводник.
Физический смысл максвелловского времени диэлектрической релаксации можно понять взяв плоский конденсатор с веществом, имеющим соответствующие e, r (Рис.8.1). Тогда можно, учитывая геометрические параметры конденсатора, найти емкость конденсатора, считая его идеальным диэлектриком и сопротивление постоянному току, считая его проводником .
(8.4.)
Собственно говоря рис.8.1 и изображает простейшую схему замещения реального конденсатора на идеальные конденсатор и сопротивление. Другое название этой схемы - параллельная схема замещения.
Простейшая схема замещения диэлектрика состоит из параллельного соединения емкости и сопротивления.
Из курса ТОЭ известно, что для схемы, изображенной на рис.8 постоянная времени разряда емкости С через сопротивление R при отключенном источнике составляет RC. Используя (8.4.) можно получить RC=e=t0r×e×. Отсюда следует, что физический смысл времени релаксации состоит в разряде собственной емкости через собственное сопротивление.
Рис. 8.1. Простейшая схема замещения диэлектрика.
Рассмотрим некоторые примеры. Хорошо очищенное от примесей трансформаторное масло обладает удельным сопротивлением до r = 1012 Ом·м, диэлектрической проницаемостью e = 2.2, откуда t = e0r×e× » 20 сек. Сравнивая с 1/w » 3·10-3 сек. для переменного напряжения частотой 50 Гц, можно заключить, что t >> 1/w, т.е. трансформаторное масло для этих условий является хорошим диэлектриком. Однако, как отсюда видно, для применения в устройствах постоянного напряжения трансформаторное масло малопригодно. А для загрязненного масла значение r может упасть до двух-трех порядков по величине, что приведет к t £ 0.1 сек., что сравнимо с 1/w. Ясно, что такое масло непригодно и для устройств переменного напряжения.
Для ряда случаев схема замещения диэлектрика может представляться в виде последовательного соединения емкости и небольшого сопротивления r. При этом значения емкостей при параллельном и последовательном представлениях близки друг другу, тогда как сопротивления сильно различаются. Для хороших диэлектриков R>>r.