Токи в диэлектриках

В момент включения и выключения постоянного электрического поля через диэлектрик электрического конденсатора протекает обусловленный быстрыми видами поляризаций ток смещения I_см за время около 10 ^{- 15} с. В неполярных однородных диэлектриках затем устанавливается ток сквозной проводимости - I_скв. В начальный момент времени и при выключении постоянного поля через полярные и неоднородные диэлектрики протекает также ток абсорбции - I_абс, причиной которого являются замедленные (релаксационные) поляризации. Во многих диэлектриках, используемых в качестве электрической изоляции, I_скв устанавливается за время меньшее 1 мин. В переменном электрическом поле через диэлектрик протекают все, характерные для него виды токов.

Сквозной ток - I_скв (ток утечки) обусловлен наличием в диэлектриках указанных в таблице свободных носителей заряда различной природы.

В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока I_абс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток I_скв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости I_скв, исключая токи абсорбции.

Основными характеристиками электроизоляционных материалов являются удельная объёмная проводимость g_v и удельная поверхностная проводимость g_s. Для их сравнительной оценки пользуются значениями удельного объемного сопротивления r_v и удельного поверхностного сопротивления r_s.

Удельное объемное сопротивления r_v равно объемному сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной (рис.1.13).

, [Ом·м].

Удельное поверхностное сопротивление r_s равно сопротивлению прямоугольника, мысленно выделенного из поверхности материала, если ток проходит через него от одной его стороны к противоположной.

, [Ом],

где b – расстояние между электродами, a – ширина электродов.

R_s – поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной a, отстоящих друг от друга на расстояние b.

; .

Полное сопротивление диэлектрика составит .

Удельная объёмная проводимость .

Удельная поверхностная проводимость .

Электропроводность зависит от состояния вещества (твёрдое, жидкое, газообразное), а также от влажности и температуры окружающей среды, наличия ионизирующего излучения.

Поверхностный ток – ток, обтекающий поверхность образца i_s. Он зависит от чистоты поверхности диэлектрика – загрязнения, влажности, коррозии.

.

Объемный ток – ток, протекающий внутри диэлектрика по всему объёму i_v. Он зависит от свойств самого диэлектрика.

.

 

 

ЛЕКЦИЯ №3

Диэлектрические потери.

Диэлектрические потери газообразных, жидких и твёрдых диэлектриков. Основные

понятия и определения. Угол диэлектрических потерь (tg ).Виды диэлектрических

потерь. Влияние различных факторов на диэлектрические потери.

 

 

Любой диэлектрик, помещённый в электрическое поле, обладает реактивной проводимостью, обусловленной упругими видами поляризаций и активной проводимостью, вызванной токами абсорбции и сквозными токами. Все эти токи нагревают проводник и энергия в виде тепла выделяется в окружающую среду. Для оценки качества диэлектриков вводится понятие диэлектрических потерь. Диэлектрические потери – это мощность, рассеиваемая в диэлектрике при воздействии на него электрического поля, вызывающая нагрев диэлектрика.

Потери вызываются тепловым движением молекул, электропроводностью и медленными поляризациями. В диэлектриках, содержащих газовые поры, присутствуют потери на ионизацию газа.

Потери наблюдаются как при постоянном, так и при переменном напряжении. При включении диэлектрика на постоянное напряжение протекают следующие токи (рис.1.17):

- емкостной ток I_с. Вызван упругим смещением электронных оболочек атомов и молекул. Процесс протекания очень быстрый, поэтому не вызывает потерь;

- ток абсорбции I_абс. Обусловлен поворотом дипольных молекул и упругим смещением зарядов диполей, поэтому потери присутствуют;

- сквозной ток Iскв вызван перемещением ионов в диэлектрике и переносом зарядов ионами сквозь объём диэлектрика. Ток с течением времени не изменяется, вызывает потери.

Полный ток I равен геометрической сумме токов.

На векторной диаграмме токов, протекающих через диэлектрик (рис.1.18), ёмкостной ток будет опережать напряжение на 90°. (так как диэлектрик можно представить как конденсатор определенной емкости). Ток абсорбции определяется поляризациями, процесс установления которых связан с потерями энергии. Поэтому он имеет активную I_аа и реактивную составляющие I_ра. Сквозной ток совпадает по направлению (и по фазе) с приложенным напряжением. Полный ток получаем геометрическим сложением векторов, причем он имеет активную и реактивную составляющие.

; .

Полный ток опережает напряжение на угол , меньший 90° (угол сдвига фаз). Угол, дополняющий угол сдвига фаз до 90°, называется углом диэлектрических потерь и обозначающийся . Значение мало, поэтому используется tg 

где - угловая частота.. , где - - частота.

Активная составляющая тока .

Мощность диэлектрических потерь .