Vitasvet-energo.ru

Витасвет Энерго
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Особенности тока утечки в твердых диэлектриках

Диэлектрик

Диэле́ктрик (изолятор) (от др.-греч. διά «через; раздельно», и др.-греч. ἤλεκτρον — «янтарь») — материал, относительно плохо проводящий электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Термин введён в науку английским физиком Майклом Фарадеем [1] .

Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10 8 см −3 . В электродинамике диэлектрик — среда с малым на рассматриваемой частоте значением тангенса угла диэлектрических потерь ( t g δ ≪ 1 ,delta ll 1> ) [2] , в такой среде сила тока проводимости [3] намного меньше силы тока смещения.

Под идеальным диэлектриком понимают среду со значением t g δ = 0 ,delta =0> , прочие диэлектрики называют реальными или диэлектриками с потерями. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Исследование диэлектрических свойств касается хранения и рассеивания электрической и магнитной энергии в материалах [4] [5] . Понятие диэлектрики важны для объяснения различных явлений в электронике, оптике, физике твердого тела и клеточной биофизике.

15.1. Подготовка образцов и условия испытаний

Условиями окружающей среды при проведении испытаний называют сочетание температуры и относительной влажности воздуха или температуры и жидкости, в которых находится образец.

Подготовка образцов преследует две цели — устранить предшествовавшие испытанию воздействия среды и стабилизировать свойства материала. Этим целям служат нормализация и кондиционирование.

Нормализация — предварительная обработка образцов твердых электроизоляционных материалов в течение определенного времени и при определенных условиях окружающей среды с целью устранения или частичного снижения предшествующего состояния материала. Если стандартом на материал не предусмотрены особые условия нормализации, то она заключается в выдержке образца в течение 24 ч при 50 ºС и относительной влажности не более 20%.

Кондиционирование — вторичная обработка образцов в определенных условиях в течение определенного времени с целью стабилизации свойств материала.

Условия нормализации, кондиционирования и испытаний указываются в стандартах на материал и должны выбираться из ряда, определенного в ГОСТ 6433.1-71.

В течении этих процессов к образцам должен быть обеспечен свободный доступ окружающей среды. Образцы не должны соприкасаться со стенками камеры или друг с другом. Время между кондиционированием и испытанием не должно превышать, как правило, 5 мин. В тех случаях, когда температуры при подготовке и испытаниях различны, необходимо довести температуру образца до испытательной и выдержать его при этой температуре.

МЭС конспект. Гомеополярная (ковалентная) связь

Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала , тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции — объемный сквозной ток IV — очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности — сквозной поверхностный ток IS. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным:
. (2.3)
Следовательно, проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = IV / U и поверхностной G = IS / U:
. (2.4)
Величины обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции — объемным RV и поверхностным RS. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений:
. (2.5)
Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики RS вводят понятие удельного поверхностного сопротивления S.

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения Iсм, плотность которого Jсм = D / t. Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник — образец, которое обычно мало. Однако ток продолжает изменяться и после этого часто в течение минут и даже часов.

Ток абсорбции [Iабс] — медленно меняющаяся составляющая тока, обусловленная перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей заряда встречает на своем пути дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все дефекты заполнятся носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток Iскв, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов:
(2.6)
Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика — дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным.

Читать еще:  Розетка тройная с крышкой легранд

2.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков .

Электропроводность твердых диэлектриков чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной

зоны в диэлектриках Wg >> kT и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kT. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов по сравнению с подвижностью электронов, ионная проводимость оказывается больше электронной за счет большей концентрации свободных ионов:
, (2.7)
где q – заряд иона, е – заряд электрона.

Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше.

Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков (см/м), как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному закону:
. (2.8)
где µ — подвижность, м²/(В*с), n – число носителей в единице объема (концентрация), q – заряд носителя, W – энергия активации.

В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости γ от обратной величины абсолютной температуры Т должна состоять из двух прямолинейных участков с различными значениями угла наклона к оси абцисс.

При температуре выше точки излома А электропроводность определяется в основном собственными дефектами – это область высокотемпературной, или собственной электропроводности. Ниже излома, в области низких температур, зависимость более пологая.

Рис. 2.4. Зависимость удельной электрической проводимости от температуры.
Однако зависимость  (Т) часто обусловлена не экспоненциальным ростом концентрации носителей, как в полупроводниках, а ростом подвижности.

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной и примесной.

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда  мало, и приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ.

Некоторые диэлектрики обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов.

В кристаллах удельное сопротивление зависит от направления. Вдоль оптической оси оно ниже, чем поперек этой оси.

2.2.2. Электропроводность жидкостей.

Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрация ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону:

, (2.9)
где W- энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость:
. (2.10)
Здесь + и  – подвижности положительных и отрицательных ионов; q — заряд иона; n и А – константы.

Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. Ввиду того, что энергия диссоциации полярных жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная проводимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей (дистиллированная вода, этиловый спирт)  = 10 3 — 10 5 Ом*м, для слабо полярных (касторовое масло)  = 10 8 — 10 10 Ом*м, для неполярных (бензол, трансформаторное масло)  > 10 10 — 10 13 Омм. В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена примесями, особенно полярных веществ.

В жидкостях с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые представляют собой тесную смесь двух веществ (фаз), причем одна фаза в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой. Наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии и суспензии. Стабильность эмульсий и суспензий объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов. Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде электрофореза.

Читать еще:  Ремонт квартиры перенести розетку

2.2.3 Электропроводность газов .

Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц в 1 м 3 воздуха не превышает нескольких десятков миллионов.

Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами: радиоактивным излучением Земли; радиацией, проникающей из космического пространства; излучением Солнца; иногда тепловым движением молекул и т. п. При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.

Заряженные ионы, так же как и окружающие их, не имеющие электрического заряда, молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация.

В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие, при котором число положительных ионов в газе равно числу отрицательных ионов N+ = N, а число рекомбинирующих ионов постоянно Nр =  N+ N, где  — коэффициент рекомбинации ионов газа [м 3 /с].

При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами со скоростями + = +E и  = E, где + и  — подвижности положительного и отрицательного ионов.

Если напряженность поля Е очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрации ионов в газе, плотность тока
(2.11)
Принимая во внимание, что J = Е, получаем выражение для удельной проводимости газа:

(2.12)
При малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда Nр, , + и  можно считать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т. е. в этих условиях соблюдается закон Ома.

Однако при дальнейшем возрастании напряженности поля закон Ома не выполняется. В этом случае все ионы будут уходить на электроды не рекомбинируя. Так как число ионов в газе при малых полях ограничена и не зависит от напряжения, то дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока. Этот ток называют током насыщения. Значение плотности тока насыщения в газах не превышает 10 -16 — 10 -14 А/м 2 .

При дальнейшем повышении Е до значений, близких к электрической прочности Епр, возникает возможность генерации заряженных частиц в электрическом поле из-за появления ударной ионизации. В предпробивных полях создаются условия для возникновения «лавин», и ток очень резко возрастает, пока при Ј = Епр не наступает пробой газа.

2.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков.

Поверхностная электропроводность диэлектриков создается благода­ря неизбежному увлажнению, окислению, загрязнению и т. д. поверхностных слоев электрической изоляции. Поэтому диэлектрик характеризуется значением удельного поверхностного сопротивления ρs:
, (2.13)
где h — расстояние между параллельными друг другу кромками электродов, b -длина электродов.

У проводниковых материалов поверхностные токи малы по сравнению с объемными, поэтому у этих материалов поверхностное сопротивление не учитывается. Не определяется поверхностное сопротивление и у жидких и газообразных диэлектриков. Не имеет смысла определение поверхностного сопротивления и у тонких слоев твердых диэлектриков так как в этом случае практически невозможно отделить поверхностные токи утечки от объемных.

Характер зависимости S диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения . Однако при изменениях влажности окружающей среды значения S изменяются быстрее, чем значения .

Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых — влаги. Кроме того, S падает при загрязнении поверхности диэлектрика.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества и чем чище поверхность диэлектрика. Причем наличие загрязнений на поверхности относительно мало сказывается на удельной поверхностной проводимости гидрофобных диэлектриков и сильно влияет на проводимость гидрофильных диэлектриков.

Читать еще:  Розетки viko karre подключение

К первым в основном относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, ко вторым – полярные и ионные диэлектрики со смачиваемой поверхностью. Наиболее значительное увеличение удельной поверхностной проводимости имеет место у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости. Высокой поверхностной проводимостью обладают и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги в глубь материала стимулирует также и образование ее пленки на поверхности диэлектрика. С целью уменьшения поверхностной проводимости применяют различные приемы очистки поверхности – промывку спиртом, водой с последующей просушкой и т. п. Наиболее эффективной очисткой поверхности достаточно нагревостойкого изделия, не впитывающего воду, является продолжительное кипячение в дистиллированной воде. Покрытие керамики и стекол пленками кремнийорганических лаков способствует сохранению низкой поверхностной проводимости изделий во влажной среде.

Как уменьшить ток утечки конденсатора

Как обсуждалось ранее, конденсатор имеет зависимости от многих факторов. Первый вопрос: как рассчитывается срок службы конденсатора? Ответ заключается в подсчете времени до истечения электролита. Электролит расходуется окислительным слоем. Ток утечки является основным компонентом для измерения степени загрязнения окислительного слоя. Следовательно, уменьшение тока утечки в конденсаторе является основным ключевым компонентом для срока службы конденсатора.

Производство или производственная установка – это первое место в жизненном цикле конденсаторов, где конденсаторы тщательно изготавливаются для обеспечения низкого тока утечки. Необходимо принять меры предосторожности, чтобы диэлектрический слой не был поврежден.

Второй этап – хранение. Конденсаторы должны храниться при надлежащей температуре. Неправильная температура влияет на электролит конденсатора, что еще более ухудшает качество окислительного слоя. Убедитесь, что конденсаторы хранятся при надлежащей температуре окружающей среды, меньше максимальной величины.

На третьем этапе, когда конденсатор припаян на плате, температура пайки является ключевым фактором. Потому что для электролитических конденсаторов температура пайки может стать достаточно высокой, превышающей температуру кипения конденсатора. Температура пайки влияет на диэлектрические слои на свинцовых выводах и ослабляет окислительный слой, что приводит к высокому току утечки. Чтобы преодолеть это, каждый конденсатор поставляется с паспортом, где производитель указывает безопасную температуру пайки и максимальное время выдержки. Нужно быть осторожным с этими оценками для безопасной работы соответствующего конденсатора. Это также применимо к конденсаторам поверхностного монтажа (SMD), пиковая температура пайки оплавлением или волной не должна превышать максимально допустимого значения.

Поскольку напряжение на конденсаторе является важным фактором, напряжение на конденсаторе не должно превышать номинальное напряжение.

Не менее важна балансировка конденсатора в последовательном соединении. Последовательное соединение конденсаторов представляет собой сложную работу по балансировке тока утечки. Это связано с дисбалансом тока утечки, делением напряжения и разделением между конденсаторами. Раздельное напряжение может быть различным для каждого конденсатора, и может быть вероятность того, что напряжение на конкретном конденсаторе может быть больше, чем номинальное напряжение, и конденсатор начнет работать со сбоями.

Чтобы преодолеть эту проблему, два отдельных резистора добавляются параллельно конденсаторам, чтобы уменьшить ток утечки. На рисунке ниже показана методика балансировки, при которой два последовательно соединенных конденсатора уравновешиваются с помощью высококачественных резисторов.

Используя метод балансировки, можно регулировать разницу напряжения, которая влияет на ток утечки.

Обзор измерительных приборов

Существуют специальные приборы для измерения потерь. К ним относят прибор «ИПИ – 10», прибор фирмы Tettex, с его помощью изучаются диэлектрики твердых и жидких веществ. Автоматизированная установка с названием «Тангенс – 3М» используется для определения тангенса угла в жидких диэлектриках (на фото ниже). Также используют измеритель «Ш2 – 12ТМ».

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Теперь вы знаете, что собой представляют диэлектрические потери в диэлектриках, как производится их расчет и измерения. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!

Также рекомендуем прочитать:

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector