5.2. Пробои диэлектриков

Нарушение электрической прочности диэлектрика в электрическом поле называют пробоем.

Напряжение, при котором происходит пробой, называют пробивным -

U_пp, а соответствующее значение напряженности электрического поля –пробивной напряженностью Е_пр. При этом

Е_пр=

Пробой газов обусловлен ударной ионизацией и фотоионизацией, сопровождается коронным разрядом. Пробивная напряженность зависит от химического состава газа, температуры, давления, расстояния между электродами, от формы воздействующего напряжения. При нормальных условиях пробивная напряженность воздуха

Е_пр=

Длительность подготовки пробоя газов составляет, 10-7-10-8с. Чем больше величина приложенного к газовому промежутку напряжения, тем быстрее развивается пробой.

Пробивное напряжение при воздействии импульсов выше, чем при воздействии постоянного напряжения, что оценивается коэффициентом импульса β= , величина β достигает 1,5.

При уменьшении зазора между электродами Е_пр увеличивается (рис.6), что объясняется трудностью формирования разряда.

График зависимости Е_пр воздуха от давления показан на рис.7.

При увеличении давления от Р_о уменьшается расстояние между молекулами, уменьшается длина свободного пробега, Е_пр растет. При уменьшении давления от Р_о уменьшается число молекул в единице объема, уменьшается вероятность столкновения атомов с электронами, Е_пр также растет.

Влияние частоты f на Е_пр воздуха видно из рис.8

С увеличением частоты до 5*10⁶ Гц, Е_пр сначала уменьшается, что объясняется искажениями поля, обусловленными образованием объемных зарядов в воздухе и вследствие различия в подвижностях ионов и электронов. При увеличении частот больше 5*10⁶ Гц Е_пр растет, что объясняется тем, что ударная ионизация не успевает развиваться за полупериод приложенного напряжения.

Влияние химического состава газа на пробивную напряженность видно из следующих данных: для азота, для гексафторида серы (элегаза)SF₆ это отношение равно 2,5; для фреона CCl₂F₂ -2,6; для паров четыреххлористого углерода – 6,4.

На Е_пр также влияет степень однородности поля. В неоднородном поле возможно возникновения коронного разряда в критических местах (между остриями). Неоднородность поля ведет к уменьшению Е_пр.

Пробой жидкостей происходит при более высоких напряженностях, чем в газах. Пробивная напряженность сильно зависит от концентрации примесей, особенно воды. Сотые доли процентов воды снижает Е_пр в несколько раз. Пробой жидкостей объясняется диссоциацией молекул примесей и собственных молекул при высоких напряженностях поля, а также ударной ионизацией.

6. Органические диэлектрики

6.1. Основы строения и классификация органических диэлектриков

Диэлектрики делятся на органические и неорганические. Основой органических материалов служит углерод, а неорганических - кремний. Встречаются также и кремний-органические материалы. Органические диэлектрики делятся на естественные и синтетические. Это высокомолекулярные соединения-смолы. К естественным, или природным, смолам относятся канифоль, шеллак, янтарь, натуральный воск, горный воск (озокерит). Канифоль получается из соков деревьев хвойных пород, янтарь - ископаемая смола, шеллак- отложение испражнений насекомых тропических стран.

Синтетические смолы получаются путем химических реакций полимеризации или поликонденсации. Реакция полимеризации - это химический процесс соединения молекул простых по составу веществ(мономеров) в большие молекулы(полимеры) без получения побочных продуктов. Например, этилен C₂H₄

Здесь n - степень полимеризации, т.е. число молекул мономера в молекуле полимера.

Соединения, содержащие единицы молекул мономера - газы, десятки-жидкость, сотни- твердые вещества. С увеличением количества атомов углерода увеличивается температура размягчения вещества.

Если в реакции участвует несколько полимеров - это реакция сополимеризации и получаемое вещество сополимер.

Реакция поликонденсации - химический процесс образования высокомолекулярных соединений, когда в молекулу полимера входят не все молекулы мономера и образуется низкомолекулярные побочные продукты в виде воды, аммиака и других. По строению молекулы полимеров делятся на линейные и пространственные. Линейные полимеры образуются. Когда молекула мономера имеет две реактивные точки (две свободные валентности), создающие связи между молекулами, как у этилена. При большом количестве реактивных точек получаются пространственные полимеры. Линейные полимеры гибки и эластичны, легко размягчаются и расплавляются при повышении температуры, легко растворяются в растворителях.

Пространственные полимеры обладают большой жесткостью, плавятся при высоких температурах, а многие из них при высоких температурах разрушаются(сгорают, обугливаются), растворяются плохо, многие практически нерастворимы. Линейные полимеры термопластичны, то есть их свойства меняются при нагревании и охлаждении. Термопластичные материалы легко перерабатываются литьем, прессованием, выдавливанием. Линейные полимеры могут иметь аморфную структуру, а также содержать и кристаллическую фазу (до 90%). Материалы с кристаллической фазой теряют способность растворяться. Пространственные полимеры термореактивны, то есть при нагревании переходят в новое состояние.

Полимеризационные смолы термопластичны, поликонденсационные-бывают как термопластичными (новолак и полиамидные смолы), так и термореактивными (глифталевые, бакелитовые). Поликонденсационные смолы полярные и гигроскопичные, полимеризационные смолы могут быть полярными и неполярными. Неполярные смолы практически не гигроскопичны.