8. Механические и физико-химические свойства диэлектриков

В процессе работы диэлектрики подвергаются воздействию не только электрических полей, но и механических нагрузок, высоких и низких температур, влажности и т.д. Поэтому необходимо учитывать механические, тепловые, химические свойства.

Механические свойства оцениваются по следующим показателям: прочность на разрыв δр, сжатие δс, изгиб δи, относительное удлинение Δе / л, твердость.

Тепловые свойства характеризуются нагревостойкостью, т.е. способностью диэлектриков сохранять длительное время исходный уровень свойств при постоянном или прерывистом воздействии высоких температур.

Для изоляционных материалов введены классы нагревостойкости по допустимым рабочим температурам (табл. 1):

Аналогично определяется морозостойкость, т.е. способность сохранять свойства при воздействии низких температур. Эти два параметра определяют интервал рабочих температур.

Таблица 1

Класс нагревостойкости	Y	А	Е	В	F	Н	С
Допустимая температура, С	90	105	120	130	155	180	>180

Другие параметры:

• теплопроводность - для Д низка;

• теплоемкость - велика для жидких диэлектриков;

• тепловое расширение аl = 1/L*l/T;

• влагостойкость — способность сохранять свойства в атмосфере, близким к насыщенным парам;

• тропикостойкость (влажность 98-100 %, температура 30-40 0С) Химические свойства:

• растворимость для получения лаков, эмалей и т.д.;

• скорость растворения;

• предельная растворимость и т.д.

9. Газообразные диэлектрики

Наиболее распространен газ диэлектрик - воздух. Он состоит из смеси газов (К, О, СО₂) и паров воды. В технике применяют помимо воздуха составляющие его газы в чистом виде, чаще инертные газы, а также газы, полученные искусственно химическим способом.

Основное применение - охлаждение различных устройств и аппаратуры.

Основной вид поляризации - электронная, подразделяется:

• неполярные:О₂, НеСl₂;

• полярные: СО, HF, H₂S.

Газы обладают малой плотностью, хорошей теплопроводностью, высоким удельным электрическим сопротивлением в слабых полях, высокой температурной стабильностью, что позволяет использовать их для создания эталонных конденсаторов.

Диэлектрическая проницаемость ε газов возрастает с увеличением размера атомов, увеличивается с ростом температуры, уменьшается с ростом давления г аза.

Электропроводность газов сильно зависит от приложенного напряжения.

Рисунок 9. Зависимость тока газообразных диэлектриков от величины приложенного напряжения

Три процесса в газах, влияющие на электропроводность:

• ионизация;

• рекомбинация ионов;

• нейтрализация ионов на электродах.

При низких напряжениях преобладает процесс рекомбинации, т.е. взаимная нейтрализация разнообразных ионов газа при соударении. При этом изменение тока пропорционально напряжению.

При достижения некоторой температуры Uнас дальнейшее увеличение U не вызывает увеличение тока. Ток насыщения не велик и составляет для большинства, газов 10^-18…10^-20 A/см².

Основной процесс в диапазоне напряжений от Uнас до Uкр - нейтрализация ионов на электродах, т.е. перенос зарядов ионами обоих знаков.

При достижении Uкр в газе начинает развиваться ударная ионизация молекул, что приводит к резкому увеличению концентрации ионов, увеличению плотности тока, электрическому пробою.

Электрическая плотность газов не велика и составляет для природных газов 2-3 МВ/м и сильно зависит от давления, особенно в области низких давлений. С уменьшением давления электрическая прочность сначала уменьшается, а затем возрастает ввиду уменьшения концентрации молекул в единице объема и падает вероятность соударения частиц.

Диэлектрические потери в газах малы, что важно для применения их на высоких частотах.

Приведем некоторые параметры наиболее распространенных газообразных диэлектриков:

Воздух - смесь газов, пара и пыли. Кислород воздействует на металл и другие материалы. Предохранение конструкций от вредного воздействия воздуха достигается применением защитных покрытий, фильтрацией и осушкой воздуха.

Азот по диэлектрическим свойствам аналогичен воздуху. Применяется, когда недопустимо присутствие О2.

Водород обладает высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Используется для охлаждения радиотехнических устройств в смеси с О₂ пожаро и взрывоопасен.

Аргон - инертный газ, широко применяется для создания защитной от окисления атмосферы, для охлаждения аппаратуры.

Элегаз (гексафторид серы)- искусственно полученный газообразный диэлектрик с высокой нагревостойкостью (~ 800° С) и электрической прочностью. Химически стойкий, не горючий. Допускается длительное применение при температуре 150°С, препятствует возникновению дуги. Применяется для заполнения герметичных высоковольтных трансформаторов и переключателей.