В рабочем режиме электрооборудования электроизоляционные конструкции являются средой электрического поля. В простейшем виде диэлектрик между двумя токоведущими деталями представляет собой конденсатор.
Под воздействием электрического поля диэлектрик поляризуется — происходит смещение электрических зарядов в атомах, ионах и молекулах. Это смещение зарядов и, следовательно, появление соответствующего тока возникает в направлении поля и следует за каждым изменением приложенного напряжения. По природе электрических зарядов и структур молекул различают три основных вида поляризации: электронную, ионную и дипольную.
Электронная поляризация обусловлена смещением электронов, упруго связанных в атомах или ионах, в направлении, обратном направлению электрического поля. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков независимо от их физического состояния и структуры и происходит почти мгновенно в течение 10-15…10_13с. Эта поляризация, являясь вполне упругой, не сопровождается потерей энергии.
Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обусловливается смещением упруго связанных ионов. Величина поляризуемой частицы с повышением температуры возрастает в результате расширения тела, увеличения расстояния между частицами и ослабления упругих сил, действующих между ионами. Время установления ионной поляризации не превышает 10-13 с. В большинстве случаев ионная поляризация сопровождается весьма малым рассеянием энергии.
Дипольная поляризация отличается от электронной и ионной тем, что она связана с тепловым движением частиц. Во многих диэлектриках в различном агрегатном состоянии — и в газообразном, и в жидком, и в твердом —молекулы, если они имеют несимметричную структуру, обладают электрическим дипольным моментом при отсутствии внешнего электрического поля. У таких молекул центры положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга на некоторое расстояние. Дипольные, или, как их еще называют, полярные, молекулы поляризованы самопроизвольно, спонтанно, без воздействия электрического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под воздействием поля, что и является причиной поляризации.
Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля.
С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать дипольную поляризацию, однако в это же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. В связи с этим степень дипольной поляризации с увеличением температуры сначала возрастает, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чём возрастание хаотического теплового движения. Затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, степень дипольной поляризации с ростом температуры начинает уменьшаться.
Поворот диполей в направлении поля требует определенного времени даже при газообразном состоянии вещества. В вязких жидкостях и твердых телах сопротивление поворотам молекул настолько велико, что при быстро переменных полях диполи не успевают ориентироваться и дипольная поляризация уменьшается с увеличением частоты приложенного напряжения. Кроме того, время дипольной поляризации определяется размером молекулы, оно тем больше, чем крупнее молекула.
Дипольная поляризация сопровождается рассеиванием энергии. В диэлектрике, находящемся в переменном электрическом поле промышленной частоты, электронная и ионная поляризация за полупериод тока успевает устанавливаться, а дипольная поляризация может не установиться. Для того чтобы она установилась, необходимо, чтобы время полупериода переменного тока было больше времени, за которое происходит поворот дипольных молекул. Таким образом, от частоты переменного тока и температуры диэлектрика зависит только дипольная поляризация. Выше были рассмотрены три основных вида поляризации, характерных для диэлектриков простой структуры. В веществах более сложного строения обнаруживается еще один вид поляризации — структурная. Структурная поляризация наблюдается только в твердых дипольных телах (аморфных и кристаллических) и в ионных веществах с аморфной структурой (неорганические стекла). Теория структурной поляризации основывается на неоднородном строении частиц и подчиняется тем же законам, что и теория дипольной поляризации.
Близка по существу протекающих явлений к структурной поляризации ионно-релаксационная поляризация. Она заключается в образовании пространственных поляризационных зарядов внутри диэлектрика за счет переброса электрическим полем неупруго связанных ионов, имеющих с соседними частицами данного тела ослабленные связи. В кристаллических телах эти явления могут происходить за счет различных примесей или нарушений закономерностей роста кристалла при его образовании.. Под действием поля образуются пространственные заряды: положительные в зоне отрицательного заряда, отрицательные в зоне положительного. Изменение зарядов во времени обусловливает появление добавочного тока ионно-релаксационной поляризации. Неупругий характер перемещения ионов при ионно-релаксационной поляризации связан с необратимым поглощением энергии вследствие образования добавочных зарядов за счет переброса ионов, частиц со сравнительно большой массой, на довольно большие расстояния. Время установления ионно-релаксационной поляризации больше времени установления поляризации ионного смещения и различно для разных диэлектриков.
Ионно-релаксационная поляризация так же, как и ионная, зависит от температуры. Добавочная поляризация может наблюдаться в сложных диэлектриках. Например, в слоистой изоляции происходит между слойная поляризация, которая проявляется в случае, если диэлектрики слоев имеют различные значения электрических характеристик.
Помимо названных выше, у сегнетодиэлектриков наблюдается спонтанная (самопроизвольная) поляризация. В отличие от полярных диэлектриков, у которых самопроизвольно поляризованы молекулы, сегнетодиэлектрики имеют самопроизвольно поляризованные области (домены), элементарные ячейки кристаллической решетки. Под влиянием приложенного напряжения происходит однообразная ориентация дипольных моментов доменов (целых областей)— спонтанная поляризация, которая приводит к созданию очень большого суммарного электрического момента и большому поляризационному заряду, а следовательно, большому емкостному току. Сегнетодиэлектрическими свойствами обладают некоторые неорганические кристаллы. Подробные характеристики некоторых сегнетодиэлектриков будут рассмотрены ниже.
При длительном воздействии сильного постоянного поля при соответствующих условиях у органических воскообразных сильно полярных диэлектриков, а также неполярных органических и даже неорганических, в частности керамических, диэлектриков происходит электретная поляризация. Диэлектрик приобретает электретное состояние — переходит в электрет, который способен очень длительно сохранять поляризованное состояние, иногда в течение нескольких лет, создавая в окружающем его пространстве электрическое поле.
Всякая поляризация, связанная с образованием зарядов, создает некоторую противо -э. д. с. поляризации. В большинстве случаев эта противо -э. д. с. поляризации невелика. Однако в ряде случаев происходит образование сильно сосредоточенных пространственных зарядов, вызывающих появление весьма больших разностей поляризационных потенциалов, направленных противоположно потенциалам, приложенным к электродам. Эта разновидность поляризации получила название высоковольтной. Она была достаточно подробно изучена А. Ф. Иоффе, который показал, что высоковольтная поляризация устанавливается довольно медленно, иногда часами, что она практически не наблюдается при частотах, выше звуковых, и при достаточно высоких температурах.
Поляризационные явления, происходящие в диэлектриках под воздействием электрического поля, оцениваются диэлектрическими характеристиками материалов, к которым относятся: а) диэлектрическая проницаемость; б) сопротивление изоляции; в) диэлектрические потери; г) электрическая прочность.
Литература — Пястолов А. А. и др. Монтаж, эксплуатация и ремонт электрооборудования. — 1981.
Загрузка...