Газоподібні і рідкі діелектрики

 

Основні характеристики газів та рідин, як діелектриків, це діелектрична проникність, електропровідність, електрична міцність. Розглянемо ретельніше ці властивості.

 

 

Газоподібні речовини характеризуються досить малими щільностями внаслідок великих відстаней між молекулами. Тому діелектрична проникність всіх газів незначна і близька до одиниці. З табл. 1-1 видно, що діелектрична проникність газу тим вище, чим більше радіус молекули.

Зміна числа молекул в одиниці об'єму газу n0 при зміні температури і тиску викликає зміну діелектричної проникності газу (табл. 1-2, 1-3). Число молекул N пропорційне тиску і обернено пропорційне абсолютній температурі.

 

 

Рідкі діелектрики можуть бути побудовані з неполярних молекул або з полярних (дипольних). Значення діелектричної проникності неполярних рідин невеликі і близькі до значення квадрата показника заломлення світла.

 

 

Залежність діелектричної проникності неполярної рідини від температури (рис. 1-2) пов'язана зі зменшенням числа молекул в одиниці об'єму. Поляризація рідин, що містять дипольні молекули, визначається одночасно електронною та дипольною поляризаціями. Такі рідини володіють тим більшою діелектричною проникністю, чим більше електричний момент диполів і число молекул в одиниці об'єму. Температурна залежність діелектричної проникності полярних рідин більш складна, ніж неполярних.

Діелектрична проникність полярних рідин, що використовуються в якості технічних діелектриків, змінюється в межах 3, 5-5, тобто помітно підвищена в порівнянні з εr неполярних рідин (див. табл. 1-4).

 

 

Гази при невеликих значеннях напруженості електричного поля мають малу провідність. Струм в газах може виникнути тільки при наявності в них іонів чи вільних електронів. Іонізація нейтральних молекул газу виникає або під дією зовнішніх факторів, або внаслідок зіткненні заряджених частинок з молекулами.

Зовнішніми факторами, що викликають іонізацію газу, є рентгенівські промені, ультрафіолетові промені, космічні промені, радіоактивне випромінювання, а також термічний вплив (сильне нагрівання газу). Електропровідність газу, обумовлена дією зовнішніх іонізаторів, називається несамостійною.

З іншого боку, особливо в розріджених газах, можливе створення електропровідності за рахунок іонів, що утворюються в результаті зіткнення заряджених частинок з молекулами газу. Ударна іонізація виникає в газі в тих випадках, коли кінетична енергія заряджених частинок, яку отримують під дією електричного поля, досягає досить великих значень. Електропровідність газу, обумовлена ударною іонізацією, носить назву самостійної.

У слабких полях ударна іонізація відсутня і самостійної електропровідності не існує. При іонізації газу, обумовленій зовнішніми факторами, відбувається розщеплення молекул на позитивні і негативні іони. Одночасно частина позитивних іонів, з'єднуючись з негативними частками, утворює нейтральні молекули. Цей процес називається рекомбінацією.

Наявність рекомбінації перешкоджає безмежного росту числа іонів у газі і пояснює встановлення певної концентрації іонів через короткий час після початку дії зовнішнього іонізатора

Припустимо, що іонізований газ знаходиться між двома плоскими паралельними електродами, до яких докладено електричну напругу. Іони під впливом напруги будуть переміщатися, і в ланцюзі виникає струм. Частина іонів буде нейтралізована на електродах, частина – рекомбінує.

Повітря можна розглядати як досить досконалий діелектрик до тих пір, поки не створяться умови для появи ударної іонізації.. При виникненні ударної іонізації з'являється самостійна електропровідність.

Електропровідність рідини

Електропровідність рідких діелектриків тісно пов'язана з будовою молекул рідини. В неполярних рідинах електропровідність залежить від наявності дисоційованих домішок, у тому числі вологи; в полярних рідинах електропровідність визначається не тільки домішками, але іноді і дисоціацією молекул самої рідини. Струм в рідині може бути обумовлений як пересуванням іонів, тек і переміщенням щодо великих заряджених колоїдних частинок. Неможливість повного видалення здатних до дисоціації домішок з рідкого діелектрика ускладнює отримання електроізоляційних рідин з малими значеннями питомої провідності.

Полярні рідини завжди мають підвищену провідність у порівнянні з неполярними, причому зростання діелектричної проникності призводить до зростання провідності. Сильно полярні рідини відрізняються настільки високою провідністю, що розглядаються вже не як рідкі діелектрики, а як провідники з іонною електропровідністю.

Очищення рідких діелектриків від домішок помітно підвищує їх питомий опір. При тривалому пропусканні електричного струму через неполярний рідкий діелектрик також можна спостерігати зростання опору за рахунок перенесення вільних іонів до електродів (електрична очищення).

Питома провідність будь-якої рідини сильно залежить від температури. Зі збільшенням температури зростає рухливість іонів у зв'язку зі зменшенням в'язкості і може збільшуватися ступінь теплової дисоціації. Обидва ці фактори підвищують провідність

 

 

Діелектрик, перебуваючи в електричному полі, втрачає властивості електроізоляційного матеріалу, якщо напруженість поля перевищить деяке критичне значення. Це явище носить назву пробою діелектрика або порушення його електричної міцності. Значення напруги, при якому відбувається пробій діелектрика, називається пробивним напругою, а відповідне значення напруженості поля – електричної міцністю діелектрика.

Пробій газу обумовлюється явищем ударної і фотонної іонізації. Пробій рідких діелектриків відбувається в результаті іонізаційних і теплових процесів. Одним з найголовніших чинників, що сприяють пробою рідин, є наявність в них сторонніх домішок

 

 

Електрон, розігнаний полем, може не іонізувати молекулу, а привести її в збуджений стан. У наступний момент ця збуджена молекула віддає свою надлишкову енергію у формі випромінювання – випускає фотон. Фотон поглинається будь-якою іншою молекулою, яка при цьому може іонізуватися. Така внутрішня фотонна іонізація газу завдяки великій швидкості поширення випромінювання призводить до особливо швидкому розвитку в розрядному проміжку каналів з підвищеною провідністю газу.

 

 

Рідкі діелектрики відрізняються більш високою електричної міцністю, ніж гази в нормальних умовах.

Гранично чисті рідини