Поверхностная электропроводность диэлектриков

Вследствие неизбежного увлажнения, окисления и загрязнения поверхности у твердых диэлектриков создается заметная поверхностная электропроводность.

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата поверхности любых размеров. Так как

R_s = ρ_v

где: ρ_v – объемное удельное сопротивление поверхности глубиной a, шириной b и длиной l, то

R_s =ρ_s

где: ρ_s –удельное поверхностное сопротивление,[ ].

Полное сопротивление изоляции диэлектрика

R_из=

Чтобы увеличить R_s длину поверхности изоляторов стараются увеличить.

Все материалы делятся на не растворимые в воде (парафины, керамика, янтарь), частично растворимые (стекла), с пористой структурой (бумага).

С увеличением влажности окружающей среды удельное поверхностное сопротивление падает тем сильнее, чем лучше материал растворяется в воде, чем больше он загрязнен.

Присутствие загрязнений на поверхности мало сказывается на электропроводности гидрофобных (не смачиваемых водой) диэлектриков и сильно влияет на электропроводность гидрофильных (смачиваемых водой) диэлектриков.

 

СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ В ПЕРЕМЕННЫХ

ПОЛЯХ

Комплексная диэлектрическая проницаемость,

Тангенс угла потерь

Поместим линейный однородный диэлектрик между обкладками плоского конденсатора, находящегося под напряжением U=Um_*e ^jωt, где Um - амплитуда напряжения, ω - круговая частота, t - текущее время (рис.1).

Такой конденсатор можно представить схемой замещения (рис.2).

Схема замещения не отражает сути физических процессов, происходящих в диэлектрике, и введена условно. Этот рисунок является схемой замещения конденсатора, если ее реакция на воздействие внешнего напряжения такая же, как у самого конденсатора, т.е. одинаковы частотные характеристики, равны углы сдвига фаз между током и напряжением, равны запасаемые и теряемые энергии. Емкость С характеризует запасаемую электрическую энергию в конденсаторе, сопротивление R - потери энергии в диэлектрике, идущее на его нагрев. Предположим, что потери на сквозную проводимость и потери в обкладках конденсатора отсутствуют. Построим векторную диаграмму токов и напряжения в реальном конденсаторе (рис.3).

Реактивный ток I_Р опережает напряжение U на четверть периода (90^о), причем

I_p=I_c0+ +I_МГH ,

 

I_c0 - емкостной ток через конденсатор при отсутствии диэлектрика между его обкладками; I_{МГH и} - токи мгновенной и медленной поляризаций, связанные с запасаемой энергией.

Активный ток I_a = , где - составляющая абсорбционного тока, связанная с теряемой энергией.

Ток через конденсатор I = I_me ^{j(ω t + φ)}, где Im - амплитуда тока; φ – угол сдвига фаз между током I и напряжением U; δ – угол потерь, дополняющий угол φ до 90°.

Закон Ома для параллельной схемы замещения

I = U*

Для диэлектриков в переменных полях вводят понятие комплексной диэлектрической проницаемости e˙ = e ¢ - j e ¢¢, где ε ¢ действительная часть e˙, причем, e ¢ = , C₀ – емкость вакуумного конденсатора, ε¢¢ – мнимая составляющая e˙.

Тогда

I=U ( +jwe¢C₀) = jwC₀U(e¢+ = jwC₀U(e¢-je¢¢)

Отсюда

I_a =wC₀e¢¢U, Ip =wC₀e¢U

Из рис.3 видно, что

tgδ=

Запасаемая мощность

P_p=UI_p=U²wC, тогда tg δ =

Отсюда видно, что потери мощности важно учитывать на высоких частотах, особенно при больших рабочих напряжениях. Если существует сквозная активная проводимость, то на диаграмме к току I’_абс следует добавить I_скв (ток сквозной) и tgδ будет большим.