книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

Д. М. КАЗАРНОВСКИЙ

МАТЕРИАЛЫ И ДЕТАЛИ

ЭЛ ЕКТРОТЕХНИ ЧЕСКОЙ

АППАРАТУРЫ

Д В И К А

им.А.Ф.Можанского

ЛЕНИНГРАДСКАЯ ВОЕННАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ КРАСНОЗНАМЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени А. Ф. МОЖАЙСКОГО

Ленинград — 19Q4 >

ВВЕДЕНИЕ

Создание материально-технической базьь коммунистического общества в нашей стране связано с быстрым развитием производ­ ства разнообразных материалов для народного хозяйства. В про­ грамме КПСС, принятой на XXII съезде партии в 1961 г., отме­ чается, что в течение двух десятилетий намного повысится удель­ ный вес синтетических м-атериалов, металлов и сплавов с новыми свойствами.

Большое внимание уделяется, в частности, материалам, при­ меняемым в электротехнических устройствах. Эти материалы, об­ ладающие особыми характеристиками в условиях воздействия электрических и магнитных полей, получили название электротех­ нических. Они охватывают изоляционные, проводниковые, полу­ проводниковые и магнитные материалы.

Такие материалы играют важную роль в области производ­ ства, передачи, потребления и преобразования электрической энер­ гии, в системах автоматики и связи, в экспериментальных и тех­ нологических установках, в схемах контроля и управления произ­ водственными процессами и т. гт. Более того, электротехнические материалы уже давно перешагнули границы электротехники и радиотехники и сделались достоянием многих отраслей знания: они используются в химии и биологии, в геологии и в медицине и в других областях.

Свойства, рассматриваемых материалов-в сильной мере зави­ сят от их структуры и состава. С другой стороны, эти свойства мо­ гут в значительной степени меняться под влиянием окружающих условий, режима и срока службы работы электротехнического устройства. Поэтому при изучении данного курса необходимо по­ стоянно держать в поле зрения связь между структурой и свой­ ствами материалов, а также представления о закономерностях изменения свойств "под влиянием внешних факторов.

Содержанием курса являются происходящие в электротехни­ ческих материалах процессы, общие характеристики материалов и закономерности их изменения под влиянием климатических, физико-химических и электромагнитных воздействующих факто­ ров; типовые материалы, выпускаемые промышленностью, при­ менения материалов и их рациональная эксплуатация в электро­ технических устройствах.

ГЛАВА I

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АБСОРБЦИЯ

1-1. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

Технические изоляционные материалы не являются идеальны­ ми диэлектриками. Под воздействием постоянного напряжения че­ рез изоляцию протекает электрический ток, в нормальных усло­

чается от сквознЬго тока утечки 1ут (рис. 1-1), длительно протекаю­ щего при постоянном напряжении. По величине 1ЦЗ определяют общую проводимость образца G. Она складывается из объемной и поверхностной проводимости

0 = G v + Gr (Ы )

Объемная проводимость — это электрическая проводимость, обус­ ловленная прохождением тока через объем изоляции. При изме­ рении объемной проводимости обычно принимают меры для

5

исключения поверхностной проводимости. При этих условиях объемная проводимость зависит от толщины образца h и площади электродов 5

Величину у называют удельной объемной проводимостью, она из­ меряется в ом~х см-I. Численно она равна проводимости кубика диэлектрика с ребром в один сантиметр. Объемная проводи­ мость у пропорциональна концентрации заряженных частиц — но­ сителей зарядов N, величине заряда частицы Q0 и средней подвиж­ ности частиц р.

Подвижность р представляет собой путь, проходимый частицей вдоль направления поля (точнее проекцию этого пути) в единицу

I — образец; 2 — электроды

времени при напряженности поля, равной единице; величина р из­ меряется в см2 ■в~1 сек,~х.

Поверхностная проводимость — электрическая проводимость

порциональна расстоянию А между электродами и прямо пропор­ циональна длине электрода В (рис. 1-2,6)

Величину ys называют удельной поверхностной проводимостью; она измеряется в омах.

Таким образом, для оценки свойств проводимости диэлектри­ ка служат параметры у и ys. Сквозной ток утечки обусловлен нейтрализацией электрических зарядов на электродах и равен ве­

6

личине, к которой стремится объемный ток при неограниченно долгом 'воздействии постоянного напряжения.

Ток абсорбции 1аб (рис. 1-1) обусловлен перемещением заря­ дов, не нейтрализующихся на электродах. Для оценки абсорб­ ционных свойств диэлектрика можно использовать зависимость тока абсорбции от времени т, считая ее экспоненциальной.

X

где т.аб— постоянная времени.

Можно для этой цели использовать и другую зависимость. Если кратковременно замкнуть накоротко заряженный обра­

зец (предварительно отключив источник питания) для разряда геометрической емкости и затем снять короткозамыкающий про-

Рис. 1-3. К определению коэффициента абсорбции:

(рис. 1-3). Появление этого напряжения можно рассматривать как результат зарядки геометрической емкости Сг зарядом, сохра­ нившимся в абсорбционной емкости.

Пренебрегая утечками в течение короткого периода измерения,

Отношение восстанавливающего напряжения Ueoc к первоначаль­ ному U0 получило название коэффициента абсорбции по напря­ жению.

I

1-2. ПРИРОДА ОБЪЕМНОЙ ПРОВОДИМОСТИ

Проводимость изоляционных материалов имеет при нормаль­ ных условиях по преимуществу ионный характер. Появление ио­ нов, могущих перемещаться под влиянием поля, в неполярных жидких диэлектриках обусловлено наличием примесей, растворен­ ных или находящихся во взвешенном состоянии. В полярных жид­ ких диэлектриках проводимость вызывается как ионами примесей, так и ионами, появившимися вследствие термической диссоциа­ ции молекул, т. е. вследствие распада молекул на ионы. В сильно полярных жидких веществах этот процесс резко выражен. В твер­ дых диэлектриках проводимость обусловлена в первую очередь ионами примесей. В ионных кристаллах, кроме ионов примесей, влияют также ионы, находящиеся в дефектных местах кристалли­ ческой решетки; при высотах температурах появляется добавоч­ ная проводимость, вызванная тепловой диссоциацией основных ионов кристаллической решетки. Составматериалов и технологияизготовления в сильной степени сказываются на их проводимости. Так, проводимость многих смол зависит от степени полимериза­ ции, эбонита^-от степени вулканизации; проводимость стекла увеличивается при введении в его состав окислов щелочных ме­ таллов КгО, и в особенности ИагО, так как при этом увеличивается число слабозакрепленных ионов К и Na.

Помимо ионной в диэлектриках появляется и заметная элек­ тронная проводимость. Это происходит в сильных электрических

где у,, — начальное значение проводимости,

Т— абсолютная температура,

В— энергия активации, т. е. энергия вырывания иона с его места в структуре (для кристаллов — в кристаллической решетке).

Приближенная зависимость проводимости от температуры для жидких и твердых материалов имеет вид

Причина повышения проводимости с ростом температуры для, жидких диэлектриков заключается, во-первых, в уменьшении вяз­ кости, и, во-вторых, в повышении степени тепловой диссоциации молекул, что связано с ростом числа свободных ионов. В твердых

8

диэлектриках проводимость возрастает из-за увеличения числа сврбодных ионов, появляющихся как за счет тепловой диссоциа­ ции, так и за счет ионов примесей, освобождаемых при повышен­ ных температурах в областях с неоднородностями и дефектами строения. Своеобразный характер имеет температурная зависи­ мость твердого диэлектрика, поглотившего некоторое количество

значительно увеличить у. Это объясняется тем, что имеющиеся в воде примеси диссоциируют на ионы, или же присутствие воды, имеющей высокую диэлектрическую проницаемость, может способ­ ствовать диссоциации молекул самого вещества. Таким образом, условия работы электрической изоляции ухудшаются при увлаж­ нении изоляции.

Весьма сильно влияет увлажнение на изменение у волокнистых и некоторых других материалов, в которых влага может образо­ вывать сплошные пленки на поверхности волокон — «мостики»,

9