Механизмы электропроводности и поляризации в изолирующих жидкостях. Ионная проводимость.
Введение
Установившееся разделение электроустановок на установки низкого и высокого напряжения с границей в 1000 В определяется прежде всего уровнем опасности для человеческого здоровья. Существует, однако, и еще один важный фактор, который приводит к коренному отличию электроустановок низкого и высокого напряжений – это свойства и характеристики изоляции электроустановки. В низковольтных установках в основном своем большинстве случаев изоляционные расстояния определяются из механических соображений, то есть возможностью выдержки механических нагрузок или исключения возможного соприкосновения между собой токоведущих частей. В высоковольтных установках на первый план выходят проблемы возможного повреждения изоляции из-за большого напряжения в ней. Например, для установок напряжением 220 В воздушный промежуток в несколько миллиметров с точки зрения электрической безопасности уже вполне приемлем (хотя и недостаточен из-за возможного механического соприкосновения), то для установок напряжением 10 кВ воздушный промежуток размером в десятки сантиметров уже не является надежной изоляцией и вполне может быть пробит. Собственно, специфический вопрос изоляции установок высокого напряжения ставит перед собой основной задачей техника высоких напряжений, обеспечение достаточного уровня электрической изоляции различных элементов электроустановок, а вместе с этим изучение механизмов поляризации и электропроводности в изолирующих материалах, в том числе и жидкостях является одной из основ техники высоких напряжений.
Механизмы поляризации в изолирующих жидкостях
1.1 Основные характеристики изолирующих жидкостей
Изолирующими веществами (диэлектриками) называют вещества, которые обладают высоким удельным сопротивлением, проницаемостью для внешнего электрического поля и которые способны поляризоваться. Поляризация — основное свойство для любого диэлектрика. В отличии от того, электропроводность или поляризация определяют электрические свойства среды, вещества классифицируются на проводники и диэлектрики. Для проводников характерна высокая проводимость, а также полное экранирование электрического поля (для не очень высоких частот) и практически полное отсутствие поляризации. Удельное сопротивление проводников составляет ~ 10-6 – 10-4 Ом·см, когда у диэлектриков оно находится в диапазоне значений от 106 до 1017 Ом·см.
В электропроводных материалах концентрация свободных (несвязанных) зарядов достаточно высока. Внешнее электрическое поле вызывает направленное перемещение данных зарядов (электрический ток), тем самым приводит к образованию внутреннего поля в проводнике, компенсирующее полностью внешнее поле. В идеальном диэлектрическом материале свободные носители заряда полностью отсутствуют, а все электроны связаны и принадлежат некоторым атомам, поэтому диэлектрики обладают свойством проницаемости для электрического поля (от греческого dia — через +. electric — электрический). Наличие электрического поля приводит к премещению связанных зарядов диэлектрического вещества относительно друг друга, т.е. к поляризации диэлектрика.
Разнообразие свойств изоляционных материалов определяется его химическим составом, агрегатным состоянием, структурой и строением молекул, а также внешними факторами. По виду агрегатного состояния диэлектрики разделяются на твёрдые, жидкие и газообразные; по химическому составу — на неорганические и органические. В состав органических диэлектрических веществ обязательно входит углерод, и они, как правило, отличаются низкой термостойкостью. Своей структурой диэлектрики в твердом состоянии делятся на аморфные и кристаллические. Также диэлектрики могут быть собраны из заряженных ионов, которые закреплены в определенном положении равновесия, или напротив из нейтральных молекул (все газообразные, жидкие и некоторые твёрдые вещества). По молекулярному строению диэлектрики различают на полярные или дипольные и неполярные или нейтральные. Неполярные диэлектрики, состоящие из пространственно-симметричных молекул, обычно обладают свойством негигроскопичности, то есть не смачиваются водой. Молекулы полярных диэлектрических веществ отличает несимметричное распределение зарядов. Данные диэлектрики всегда гигроскопичны и смачиваются водой
В неполярных диэлектриках при отсутствии внешнего поля центр тяжести положительных и отрицательных зарядов молекул совпадает и соответственно отсутствует дипольный момент. В полярных же диэлектриках при тех же условиях некоторые молекулы вещества имеют постоянный дипольный момент, но по причине хаотической ориентации молекул суммарный дипольный момент всего вещества равняется нулю.
Под влиянием внешнего поля и в результате поляризации каждый элементарный объем диэлектрического вещества ∆V получает некоторый наведенный (индуцированный) электрический момент, который отсутствовал до начала воздействия электрического поля и исчезающий при его отсутствии. Состояние диэлектрического вещества, который находится во внешнем поле, можно описать двумя векторными величинами: поляризованностъю диэлектрика P и напряженностью электрического поля Е. Напряженность поля E характеризует силовое воздействие электрического поля на заряженные частицы вещества.
Поляризованность или вектор поляризации — это величина, количественно характеризующее явление поляризации. Она зависит от способности зарядов вещества к смещению центра тяжести в электрическом поле и представляющий собой дипольный момент единицы объема диэлектрического вещества, т.е. равна векторной сумме дипольных моментов молекул (атомов, ионов), которые находятся в единице объема диэлектрика:
где n — число диполей молекул, содержащихся в объеме ∆V диэлектрика;
Pi— индуцированный дипольный момент i-й молекулы (атома, иона).
Зависимость P(E) характеризует электрические свойства диэлектрика. Для большинства диэлектриков в не очень сильных электрических полях справедлива линейная зависимость P от Е
где ε0 — электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Ф/м .
Данный тип диэлектриков называется линейными. Безразмерный параметр χ, характеризует способность вещества к поляризации и называется диэлектрической восприимчивостью диэлектрика.
Вместо вектора поляризации P часто используют вектор электрического смещения D (вектор электрической индукции), определяемый по формуле.Введение
не дает исчерпывающей информации о поведении диэлектрического вещества в электрическом поле, но значительно упрощает изучение поля в самом диэлектрике. Вектор электрической индукции определяется как векторная сумма двух различных физических величин: поляризации объема среды в данной точке диэлектрика и напряженности поля (умноженной на ε0) и в этой же точке. В различных частях неоднородного диэлектрика, где ε отличается по величине, поле вектора Е будет различно, в то время как поле вектора D везде будет одинаково. Единица измерения D (Кл/м3) та же, что и для P
В случае если среда неполяризованная (например, вакуум) P=0 и вектор индукции совпадает с напряженностью поля. Таким образом, электрическая постоянная ε0 характеризует электрическое поле при отсутствии взаимодействия его с веществом.
В диэлектриках вектор электрического смещения (электрической индукции) равен
Коэффициент пропорциональности εа называется абсолютной диэлектрической проницаемостью. Она обусловлена поляризацией диэлектрика и показывает, во сколько раз напряженность электрического поля в диэлектрике меньше напряженности внешнего электрического поля, в которое помещен диэлектрик.
На практике обычно пользуются относительной диэлектрической проницаемостью ε, равной отношению абсолютной проницаемости εа к электрической постоянной ε0 (диэлектрической проницаемости вакуума):
Относительная диэлектрическая проницаемость ε для всех материалов больше единицы. Ее определяют как величину, показывающую, во сколько раз уменьшается сила взаимодействия двух точечных зарядов при переносе их из вакуума в диэлектрик. Для вакуума χ = 0 и ε = 1.
Безразмерные величины χ и ε являются основными характеристиками электрических свойств диэлектрика. Рассмотрим систему конденсатора, состоящую из двух металлических электродов (обкладок), удаленных друг от друга на расстояние h. Поверхностный заряд каждого из электродов обозначим через Q.
Опыт показывает, что заряд Q пропорционален разности потенциалов между обкладками конденсатора C: Q = C·U. Коэффициент пропорциональности между Q и U называется ёмкостью конденсатора С. Ёмкость конденсатора зависит от геометрических размеров и конфигурации электродов. Если между обкладками конденсатора площади S находится вакуум, то ёмкость определяется по формуле
Смещение зарядов в направлении внешнего поля требует затрат энергии, поэтому оно совершается не мгновенно, а в течение некоторого времени, которое называют временем установления поляризации τ. Время установления поляризации является еще одной важной характеристикой процессов поляризации.
С другой стороны, поляризуемость материала обычно рассматривается как обратимый процесс. Обратимость поляризации также требует некоторого времени, чтобы электроны, атомы и диполи вещества успели совершить необходимые перемещения. Время, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается в e раз, называется временем релаксации. Время установления поляризации τ принимается равным времени релаксации.
Диэлектрическая проницаемость ε, диэлектрическая восприимчивость χ и время установления поляризации τ зависят от изменяющихся внешних факторов: частоты приложенного поля, температуры, давления и т.д.
1.2 Механизмы поляризации в изолирующих жидкостях
Измеряемая диэлектрическая проницаемость обычно является результатом наложения нескольких поляризационных процессов, различающихся по своей природе и времени установления. Различают упругую (деформационную), релаксационную (тепловую) и миграционную (объёмно-зарядную) поляризации.
1.2.1 Упругая поляризация
Упругая поляризация представляет собой смещение заряженных частиц (электронов, ионов) или поворот молекул с постоянными диполями относительно положения равновесия под действием внешнего электрического поля. При этом сравнительно слабому внешнему полю противодействуют сильные внутренние поля химических связей между частицами диэлектрика, поэтому смещение заряженных частиц имеет квазиупругий характер, а его величина очень мала по сравнению с межатомным расстоянием.
Электронная упругая поляризация является наиболее общим видом поляризации. Она наблюдается во всех диэлектриках независимо от агрегатного состояния (газ, жидкость, твёрдое тело) и структуры (кристалл, аморфное вещество). Данный вид поляризации обусловлен смещением во внешнем поле электронных оболочек атомов (ионов) относительно ядер. Атомы, из которых состоит диэлектрик, под действием внешнего поля превращаются в электрические диполи.
Для материалов с чисто электронно-упругой поляризацией справедливо равенство ε = n2, где n — показатель преломления видимого света. Электронная поляризуемость тем выше, чем больше размер атома, т.к. увеличение числа электронных слоёв ведет к усилению экранирования ядра внутренними электронными слоями и связь электронов внешней оболочки с ядром становится слабее. Электронная поляризуемость иона будет тем меньше, чем больше его заряд, поскольку при увеличении заряда уменьшается радиус иона и связь электронов с ядром упрочняется. Время установления электронной упругой поляризации составляет 10-16 – 10-17 с.
Ионная упругая поляризация наблюдается в диэлектриках с ионным типом химической связи и обусловлена раздвижением противоположно заряженных ионов во внешнем поле. Этот вид поляризации наблюдается только в тех кристаллических диэлектриках, в которых явно выражен ионный характер связи в кристаллической решетке. Ионное смещение особенно сильно в тех случаях, когда ионы сравнительно слабо связаны друг с другом и имеют большие электрические заряды. При одинаковых зарядах и близких радиусах способность к поляризации будет выше у ионов с большим числом внешних электронов. Время установления ионной поляризации составляет обычно 10-14 – 10-15 с.
Во многих диэлектриках имеются молекулы, обладающие собственным электрическим моментом , т.е
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. они представляют собой диполи даже в отсутствие внешнего поля. Дипольная упругая поляризация характерна для тех видов полярных диэлектриков, в которых дипольные моменты молекул не могут существенно изменять свою ориентацию, а, участвуя в тепловом движении, совершают колебания небольшой амплитуды относительно положения равновесия. При отсутствии внешнего поля результирующая поляризация равна нулю. Наличие внешнего электрического поля приводит к некоторому смещению диполей вдоль поля. При этом диполя должны быть более или менее жёстко связаны, чтобы возникала упругая возвращающая сила при вынужденном изменении направления их ориентации. Такой вид поляризации характерен для жидких кристаллов и пироэлектриков. Простейшим примером полярной молекулы является, например, молекула хлороводорода HCl.
Диэлектрическая проницаемость, обусловленная упругой поляризацией, составляет обычно от 1,5 – 2,5 ед. для электронной поляризации до 15 ед. — для ионной.
1.2.2 Тепловая поляризация
Важным отличием тепловой поляризации от упругой является сильная зависимость поляризуемости от температуры. При тепловом характере поляризации индуцированный внешним полем дипольный момент определяется не только напряженностью электрического поля, но и интенсивностью теплового движения частиц, участвующих в поляризации. Такими частицами являются диполи, ионы и электроны.
Тепловая поляризация наблюдается в диэлектриках, содержащих слабосвязанные заряженные частицы (электроны, ионы) или полярные молекулы, которые могут хаотически перемещаться в процессе теплового движения на расстояния порядка 10-8 – 10-7 см. Внешнее электрическое поле вносит некоторое упорядочение в тепловое движение частиц, в результате чего объем такого кристалла приобретает дипольный момент. Иногда тепловую поляризацию называют релаксационной.
В отличие от упругой поляризации тепловая поляризация устанавливается достаточно медленно. Приложение внешнего электрического поля к диэлектрику приводит к определённой перестройке диэлектрика. В результате через некоторое время, называемое временем релаксации, устанавливается новое поляризованное равновесное состояние. Если электрическое поле выключить, то за счёт тепловых колебаний и перемещений частиц восстанавливается хаотическая ориентация диполей или хаотическое распределение электронов и ионов в «ловушках». Поляризованность через некоторое время исчезает. Уменьшение поляризации со временем описывается формулой
где τ — время релаксации;
t — время после снятия внешнего поля.
t — время после снятия внешнего поля.
Ионная тепловая поляризация играет основную роль в твёрдых диэлектриках со значительным количеством структурных дефектов и примесных ионов. В таких диэлектриках имеются слабосвязанные ионы (находятся вблизи дефектов или в междоузлиях). За счёт тепловых флуктуаций ионы могут переходить из одних положений равновесия в другие, преодолевая потенциальные барьеры. При отсутствии внешнего поля такие перемещения носят случайный характер, и диэлектрик не поляризован. Под действием поля появляется некоторое преимущественное перемещение ионов в дефектных областях. Такие процессы характерны для аморфных веществ (стёкла, органические полимеры) и для ионных кристаллов с неплотной упаковкой частиц.
Диэлектрическая проницаемость этих материалов имеет сравнительно невысокие значения (4 – 20), однако с увеличением температуры проницаемость значительно возрастает. В за-висимости от особенностей структуры диэлектрика и типа дефектов время релаксации при комнатной температуре колеблется от 10-8 до 10-4 с.
В твёрдых диэлектриках, имеющих примесные дефекты (ловушки), возможна электронная поляризация, обусловленная тепловым движением. Под влиянием теплового движения они могут последовательно перемещаться из одного вероятного местоположения в другое, оставаясь локализованными. При отсутствии внешнего поля эти хаотические перемещения не приводит к поляризации, т.к. в среднем происходит их взаимная компенсация. Приложенное внешнее поле стимулирует преобладание перескоков в определенном направлении, приводя к возникновению индуцированного момента в объеме диэлектрика. Время релаксации электронной тепловой поляризации составляет 10-7 – 10-2 с.
Диэлектрикам с электронно-релаксационной поляризацией (керамика на основе окислов титана, ниобия, висмута) присущи электронная электро-проводность, высокий показатель преломления. Они отличается исключительно высокими значениями ε (200 – 500), зависящими от температуры.
Дипольная тепловая поляризация наблюдается в материалах, со-держащих полярные молекулы, связи между которыми невелики. Она заключается в ориентации в направлении внешнего электрического поля имеющих постоянный дипольный момент молекул полярного диэлектрика и так же, как и другие виды релаксационной поляризации, по своей природе связана с тепловым движением молекул. В чистом виде дипольная поляризация может наблюдаться только в газах, жидкостях и аморфных вязких телах (вода, канифоль, смолы).
В кристаллических телах при температуре ниже точки плавления диполи закреплены на своих местах настолько прочно, что ориентироваться не могут, и ориентационная поляризация в них практически не осуществляется.
Способность к поляризации полярных жидкостей и газов будет тем выше, чем больше постоянный дипольный момент молекул и чем меньше их размер. Например, относительно большое значение диэлектрической проницаемости для воды (ε = 81) связано с очень малыми размерами её молекулы.
Диэлектрическая проницаемость, обусловленная дипольно-релакса-ционной поляризацией, может достигать нескольких сотен единиц.
Процессы установления дипольной поляризации так же, как и процессы её ликвидации, после выключения внешнего поля требуют значительно большего времени по сравнению с упругими видами поляризации. Время поляризации возрастает с увеличением размеров молекул и динамической вязкости (коэффициента внутреннего трения) вещества.
1.2.3 Миграционная поляризация
Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках, когда проявляется различие в величине или характере электропроводности в различных областях такого диэлектрика. В этом случае поляризация диэлектрика происходит за счёт накопления зарядов на границах его неоднородностей, приводя к образованию слоев объемного заряда. Время установления миграционной поляризации от 10-8 до 104 с.
Диэлектрическая проницаемость диэлектриков с миграционной поля-ризацией также достигает нескольких сотен единиц.
Рассмотренные механизмы поляризации индуцируются внешним полем. Однако в некоторых твёрдых диэлектриках и жидких кристаллах поляризация может быть вызвана их механической деформацией, изменением температуры, облучением, а в ряде случаев она может существовать и в отсутствие каких-либо внешних воздействий — такие вещества называются сегнетоэлектриками.
В некоторых диэлектриках тепловая энергия может непосредственно превращаться в электрическую. Пироэлектрический эффект заключается в появлении электрических зарядов на поверхности полярного ди-электрика при изменении его температуры.
Диэлектрики, длительное время сохраняющие в объеме или на поверхности электрические заряды и создающие в окружающем пространстве постоянное электрическое поле, называются электретами
1.2.4 Влияние частоты внешнего поля на процессы поляризации
При включении внешнего поля практически мгновенно в диэлектрике
возникает только упругая поляризация. Затем в процессе теплового движения молекул с некоторой конечной скоростью устанавливается равновесная для данного поля ориентация дипольных моментов и поляризованность вещества возрастает до максимально возможной. При увеличении частоты внешнего поля отдельные виды поляризации уже не успевают установиться за один полупериод изменения поля и ε снижается до значений, определяемых более быстрыми процессами поляризации.
Поэтому наибольшее возможное значение диэлектрической проницаемости диэлектрика будет при постоянном напряжении. Оно называется статической диэлектрической проницаемостью εст. Наименьшее значение ε, соответствующее измерениям на частоте световых колебаний, называется оптической диэлектрической проницаемостью εопт. Зависимость ε от частоты колебаний f называется дисперсией диэлектрической проницаемости.
В веществах с неполярными молекулами существует только упругая поляризация, обусловленная квазиупругим смещением электронов относительно ядер или ионов друг относительно друга.
Время установления упругой поляризации близко к периоду собственных колебаний заряженных частиц и составляет 10-16 – 10-17 с — для упругой электронной и 10-12 – 10-13 с для упругой ионной поляризации, т.е. она успевает следовать за полем даже при частотах, близких к оптическим. Поэтому диэлектрическая проницаемость материалов, обладающих преимущественно упругой поляризацией, от частоты практически не зависит (вплоть до очень высоких частот).
В оптическом диапазоне частот для упругой поляризации характерно резонансное изменение ε, сопровождаемое поглощением энергии: при частотах, близких к собственным частотам колебаний заряженных частиц, ε сначала растет, а затем резко уменьшается и, проходя через минимум, достигает высокочастотного значения ε∞ (рис. 1). Масса ионов значительно больше, чем масса электронов, поэтому их собственная частота колебаний существенно ниже. Соответственно область дисперсии ионной поляризации лежит в инфракрасной (ИК) области спектра, а электронной — в ультрафиолетовой (УФ).
Рисунок 1 - Зависимость ε от f для диэлектриков в области высоких частот:
электронная (а), ионная (б) поляризации
Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков при увеличении частоты прикладываемого поля сначала остается неизменной, однако, начиная с некоторой критической частоты, когда ориентационная поляризация уже не успевает устанавливаться, основной вклад в поляризуемость будет определяться упругими видами поляризаций. Следовательно, при увеличении частоты ε снижается, стремясь на высоких частотах к значениям, характерным для неполярных диэлектриков (рис. 2)
Рисунок 2 - Зависимость ε от f для полярных (а) и неполярных (б) диэлектриков
Миграционная поляризация, наблюдающаяся в неоднородных диэлектриках, характеризуется такой же частотной зависимостью, как и релаксационная поляризация, но она проявляется при более низких частотах.
При одновременном наличии в диэлектрике нескольких различных механизмов релаксационной поляризации с различными временами установления поляризации τ в графике зависимости ε(f) может наблюдаться не одно, а несколько снижений (рис. 3).
Рисунок 3 - Частотная зависимость составляющих диэлектрической проницаемости: εмиг — миграционной; εэр — электронно-релаксационной; εдр — дипольно-релаксационной; εи — ионной; εэл — электронной
1.2.5 Влияние температуры на процессы поляризации
В неполярных диэлектриках непосредственно на процесс электронной поляризации в молекулах вещества изменение температуры влияния не оказывает, т.к. поляризуется каждая отдельная молекула. При нагревании ε слабо уменьшается, поскольку при тепловом расширении уменьшается число объектов поляризации в единице объема (рис. 4).
Рисунок 4 - Зависимость ε от Т для неполярных диэлектриков: а — полиэтилен, б — парафин
Если вещество при этом переходит из твёрдого состояния в жидкое или из жидкого в газообразное, что приводит к относительно большому скачкообразному изменению объёма, то наблюдается и сравнительно резкое изменение ε на графике ε(Т) (рис. 4).
В полярных диэлектриках поляризация определяется не только упругой электронной и ионной поляризуемостью, и ориентационной. В области низких температур ориентация молекул в большинстве случаев невозможна. При повышении температуры возможность ориентации молекул облегчается, что приводит к росту ε. Но при дальнейшем увеличении температуры сказывается усиление хаотических тепловых колебаний молекул и степень упорядоченности их ориентации уменьшается. Соответственно кривая зависимости ε(Т) проходит через максимум и затем снижается.
Механизмы электропроводности в изолирующих жидкостях
Удельная электропроводность диэлектриков мала, однако она всегда отлична от нуля. В соответствии с типом носителей заряда электропроводность диэлектриков подразделяется на электронную, при которой ток переносят отрицательные заряженные электроны или положительно заряженные электронные вакансии (дырки); поляронную, когда эти электроны и вакансии сильно связаны с кристаллической решеткой; ионную, при которой ток переносят положительно заряженные катионы или отрицательно заряженные анионы (или ионные вакансии), а также молионную, если носителями являются заряженные группы молекул или даже макроскопические частицы
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
