Опорный конспект темы «Электрические характеристики.»

1. Удельное электрическое сопротивление.

Всякий электротротехнический материал — проводник, полупроводник, даже диэлектрик — проводит электрический ток. Чтоб оценивать степень электропроводности того или иного материала, приходится определять удельное электрическое сопротивление материала.

Удельное электрическое сопротивление, Ом·м, вычисляется по формуле

где R — общее электрическое сопротивление образца материала, Ом; L— длина пути тока в образце материала, м.; S — площадь образца материала, через которую протекают токи проводимости, м2.

У металлических проводников удельные сопротивления очень малы и находятся в пределах р = 10-4-10-2 Ом·м. Это указывает на большую электропроводность проводниковых материалов.

У полупроводниковых материалов (полупроводников) значения удельных сопротивлений больше, чем у проводников, и составляют р =10-2-108 Ом·м, а у диэлектриков они еще больше р = 106—1018 Ом·м***.

Большие значения удельного сопротивления у диэлектриков указывают на их весьма малую электропроводность.

У диэлектриков приходится учитывать два удельных сопротивления: удельное объемное сопротивление рV и удельное поверхностное сопротивление р S. Численно значения рs всегда меньше значений рV И колеблются в пределах 109—1016 Ом.

У проводниковых и полупроводниковых материалов измеряется только общее удельное сопротивление о, так как у этих материалов нельзя разделить токи объемной и поверхностной электропроводности, а следовательно, нельзя вычислить отдельно удельное объемное и удельное поверхностное сопротивление; это объясняется повышенной проводимостью этих материалов.

Удельное сопротивление электротехнических материалов в значительной степени за-висит от температуры (рис. 3).

2. Температурный коэффициент удельного сопротивления

ТК р — характеристика, позволяющая оценить изменение удельного электрического сопротивления материала с изменением его температуры. При линейном изменении удельного сопротивления (в узком интервале температур) величину ТК р, 1/°С, вычисляют по формуле

где р1 — удельное электрическое сопротивление материала при начальной температуре t1; р2 — удельное электрическое сопротивление материала при температуре t2.

На рис. 3 можно видеть, что у проводников ТК р >0, что указывает на рост электрического сопротивления с повышением температуры проводников. У полупроводников и диэлектриков ТК р <0, что указывает на уменьшение сопротивления с повышением температуры этих материалов.

3. Диэлектрическая проницаемость.

Диэлектрическая проницаемость ε позволяет определить способность диэлектрика образовывать электрическую емкость. Известно, что емкость С плоского конденсатора с двумя металлическими обкладками прямо пропорциональна величине диэлектрической проницаемости ε

где — толщина диэлектрика, м; S — площадь одной металлической обкладки, м2; εо — электрическая постоянная (εо = 8,85416·1012 Ф/м);ε— диэлектрическая проницаемость (величина безразмерная).Диэлектрическая проницаемость электроизоляционных материалов зависит от интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектриках под действием приложенного напряжения. Различают четыре основных вида поляризации диэлектриков: электронную, дипольную, ионную и спонтанную.

Электронная поляризация — это упругое смещение электронных оболочек относительно ядра в атомах диэлектрика. Электронная поляризация протекает во всех диэлектриках без исключения.

Дипольная поляризация представляет собой поворот полярных молекул (диполей). Этот вид поляризации наблюдается только у полярных диэлектриков, состоящих из полярных, электрически заряженных молекул. Диэлектрики же, состоящие из электрически нейтральных молекул, называют неполярными диэлектриками.

Поскольку у неполярных диэлектриков происходит единственный вид поляризации — электронная, то их диэлектрическая проницаемость невелика ε=1—2,2. У полярных диэлектриков интенсивность поляризации больше, чем у нейтральных, так как в этих диэлектриках имеет место два вида поляризации: дипольная и электронная. Поэтому диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков больше, чем у нейтральных, и находится в пределах 3—8.

У ионных кристаллических диэлектриков (слюда, электрокерамика) наряду с электронной поляризацией имеет место ионная поляризация, представляющая собой упругое смещение ионов с мест своего закрепления. Следовательно, интенсивность процесса поляризации у ионных диэлектриков достаточно большая, поэтому диэлектрическая проницаемость у них составляет 8—20 и более.

Спонтанная поляризация протекает у особого вида диэлектриков, называемых сегнетоэлектриками. Типичным представителем этой группы диэлектриков является сегнетова соль NaKC4Н4O6·4 Н2O.

Рис. 4. Зависимость диэлектрической проницаемости

от температуры:

1 - полярный диэлектрик,

2- неполярный диэлектрик

Рис. 5. Зависимость тангенса угла диэлектрических

потерь от температуры диэлектрика:

1— неполярный диэлектрик,

2 - полярый диэлектрик

Внутри сегнетоэлектриков имеются области (домены) со слабо связанными диполями. При приложении напряжения в сегнетоэлектрике начинает интенсивно развиваться процесс спонтанной поляризации. Он представляет собой поворот диполей под действием сил электрического поля внутри сегнетоэлектрика. Наряду с этим в сегнетоэлектрике протекают процессы ионной и электронной поляризации. Поэтому у сегнетоэлектриков диэлектрическая проницаемость достигает значении 1500—4500 и более.

Диэлектрическая проницаемость электроизоляционных материалов изменяется в зависимости от температуры (рис. 4) и других факторов.