ответы ЭТМ. Роль электротехнических материалов

• Название: Роль электротехнических материалов
• Дата: 17.06.2021
• Размер: 1.55 Mb.
• Имя файла: ответы ЭТМ.docx
• Тип: Документы; #218593
• страница: 8 из 13

37. Влияние влаги на электропроводность диэлектриков.

1. 
   Диэлектрик, смачиваемый водой и поглощающий влагу.
   
2. 
   Диэлектрик смачиваемый, но не поглощающий влагу.
   
3. 
   Диэлектрик, не смачиваемый и не поглощающий влагу.
   

У качественного диэлектрика объемное и поверхностное сопротивления должны иметь следующие значения:

и

Влияние влаги.Электропроводность диэлектрических материалов в большой степени определяется содержанием влаги в объеме и на поверхности образца. Известно, что вода обладает значительной электропроводностью 10^-3-10^-4 Ом^-1∙м^-1 и высокой относительной диэлектрической проницаемостью (′=81 при 20°С и частоте менее 10⁵ Гц). Кроме того, в воде легко диссоциируют молекулы многих других веществ (прежде всего электролитических примесей), что существенно увеличивает число свободных носителей заряда и, следовательно, повышает проводимость материалов. Иногда электроизоляционные материалы находятся в прямом контакте с водой, однако, чаще всего источником влаги является обычный атмосферный воздух, относительная влажность которого может меняться в широких пределах от 20 до 100%.

При соприкосновении твердого диэлектрика с окружающей средой, содержащей влагу, протекают два процесса: адсорбция воды на его поверхности и абсорбция воды внутрь материала. В целом это явление называется сорбцией.

Причина адсорбции – силы, действующие между полярными молекулами воды и молекулами поверхности диэлектрика. Эти силы могут быть притягивающими, такие поверхности называют гидрофильными, а могут быть и отталкивающими, тогда говорят, что поверхность гидрофобна. К первому типу в основном относятся полярные диэлектрики со смачиваемой поверхностью, ко второму типу – неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой. Достаточно тончайшего слоя влаги, чтобы обнаружить заметную поверхностную проводимость, которая определяется толщиной этого слоя. Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в непосредственной зависимости от относительной влажности атмосферы, поэтому относительная влажность является основным фактором, влияющим на удельную поверхностную проводимость конкретного материала. Пленка влаги – мономолекулярный слой воды – появляется при 20°С, начиная с 30% относительной влажности воздуха.

Причиной абсорбции (проникновения влаги внутрь диэлектрика) является диффузия. Поскольку эффективный диаметр молекулы водысоставляет 2,58 Ǻ, то она способна диффундировать практически во все материалы. Межмолекулярная пористость различных веществ колеблется в пределах

10–50 Ǻ, а внутримолекулярная пористость может достигать 10 Ǻ.

Существует целый ряд показателей, позволяющих оценить количество поглощенной материалом влаги: влагопроницаемость, влагопоглощаемость и т.п. Однако решающим является не количество поглощенной воды, а вызванное увлажнением ухудшение электрических характеристик изоляции, которое для разных материалов при одинаковом содержании влаги различно.

Влияние влаги на диэлектрик зависит и от того, каким образом вода входит в его структуру. Существует две формы связи воды с твердыми веществами: сорбционная и химическая. В первом случае вода, проникающая в толщу материала в процессе сорбции не входит в его структуру, не вызывает необратимых явлений и ее присутствие или удаление не приводит к образованию новой структуры вещества. Химическая или кристаллогидратная форма связи воды с диэлектриком приводит к получению новых веществ, различным по физическим свойствам, вызывает структурное изменение и перестройку кристаллической решетки. Промежуточное положение между сорбционной и химической формами связи занимают вещества, в которых вода связывается с материалом, образуя водородные связи. К таким диэлектрикам относятся бумага, эфиры целлюлозы и другие.

Кроме вида связи воды с материалом, большое значение имеет форма ее распределения. Форма распределения влаги в диэлектрике определяет его электрические параметры, поскольку систему с водяными включениями можно рассматривать как неоднородный диэлектрик с полупроводящими элементами.

Поглощенная материалом вода может располагаться или в виде сферических образований или в виде нитей и пленок, причем наиболее благоприятной формой, вызывающей наименьшее снижение характеристик, является сфера, характерная для неполярных диэлектриков.

Лучшей влагостойкостью обладают неорганические материалы: вакуумплотная керамика, глазурованный фарфор, бесщелочное стекло, и т.п. Пористые же неорганические материалы, например асбест, мрамор, пористая керамика, а также композиционные материалы типа слюдопластов и т.п., поглощают много воды и резко снижают в связи с этим в процессе эксплуатации свои электроизоляционные характеристики.

Из органических материалов меньше всего поглощают влагу и ухудшают электроизоляционные свойства неполярные материалы, например парафин, полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (тефлон или фторопласт-4). Полярные органические диэлектрики, например поливинилхлорид, термореактивные пластмассы, поглощают больше воды, чем неполярные. Особенно легко увлажняются материалы на основе целлюлозы, такие как бумага, картон, лакобумага, гетинакс, ткани, текстолиты. Эти виды изоляции можно использовать только в сухом состоянии, причем они должны защищаться от влаги лакированием, пропиткой. Однако все виды защиты лишь замедляют процесс увлажнения. Единственно надежным средством является герметизация, что не всегда возможно и целесообразно.

Как уже говорилось, электропроводность твердых изоляционных материалов обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных или технологических примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана перемещением свободных электронов. То есть в диэлектриках электропроводность обусловлена перемещением ионов, вырываемых из кристаллической решетки под влиянием флуктуаций теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности, ионы примесей. При высоких температурах движутся ионы основной кристаллической решетки и свободные собственные электроны.

Проанализируем общую зависимость электропроводности. Число диссоциированных ионов (свободных носителей заряда) экспоненциально зависит от температуры: n= n₀ exp(–W_дис/ kT), (6)

где n₀ – общее число ионов в 1м³ (концентрация ионов), W_дис – энергия диссоциации, k –постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Подвижность ионов также экспоненциально зависит от температуры, но с другой энергией активации: =₀exp(–W_пер/ kT), (7)

где ₀ – предельная подвижность иона, W_пер – энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного состояния в другое, то есть: = q n₀ exp(-(W_дис+ W_пер) / kT). (8)

Отсюда видно, что чем больше значение энергии диссоциации и энергии перемещения, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры. Поскольку обычно W_дис>>W_пер, температурная зависимость проводимости определяется главным образом изменением концентрации свободных носителей. В случае существования в диэлектрике нескольких типов ионов выражение для удельной электропроводности имеет более сложный вид:

, (9)

где A_i= q_i n_0i_0i, W_i– энергия активации электропроводности, i = 1,2,3…

Поэтому кривые логарифмической зависимости удельной электропроводности от температуры могут иметь изломы. При низких температурах электропроводность обусловлена в основном ионизированными примесями, при высоких температурах она становится собственной. В некоторых случаях эти изломы могут быть связаны с различной энергией диссоциации ионов основного вещества. При анализе температурной зависимости электропроводности диэлектриков необходимо учитывать и наличие влаги в них. Известно, что с повышением температуры от 20^оС до 100^оС происходит постепенная сушка увлажненного диэлектрика. При этом в некоторых случаях при повышении температуры наблюдается рост объемного и (или) поверхностного сопротивления, вместо ожидаемого спада.