ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 316
Скачиваний: 3
Поэтому с тем или иным приближением, особенно для неполярных диэлектриков, произведение уг|в не зависит от температуры, т. е. соб людается закон Вальдена: yr)B=const.
Ионная проводимость зависит от напряженности поля вследствие изменения подвижности ионов; эта зависимость становится ощутимой только при напряженностях, близких к пробивным.
б. Катафоретнческая проводимость
Катафоретнческая проводимость возникает за счет перемещения в жидкости заряженных частиц примесей (например, коллоидных ча стиц). Эта проводимость в ряде случаев трудноотделима от ионной, прп< чем размеры коллоидных частиц, участвующих в катафрретической проводимости, могут быть весьма различными (70-Ь 1000 Â).
Коллоидные частицы при движении заряжаются положительно в том случае, если диэлектрическая проницаемость частицы больше ди электрической проницаемости среды; в противном случае они заряжа ются отрицательно. Однако частицы могут изменить свой заряд у элек тродов и вследствие адсорбции свободных ионов. Коллоидные частицы приобретают относительно жидкости электрокинетический потенциал Uo, который обычно колеблется в пределах 0,05—0,07 в.
Скорость движения частиц ок с радиусом г и зарядом q зависит от вязкости жидкости і]в:
vK=qE/6nrr}B=2U0ßE/3i]B. (6-11)
Соответственно подвижность частиц
KK=v/E=2U0e/3r\B. (6.12)
Если определяющей является катафоретнческая проводимость (например, для технического минеральногомасла), то, учитывая (6.11), формулу для удельной проводимости жидкости можно предста вить также в виде (6.8) или (6.9).
Ионная и катафоретнческая проводимости неполярных жидкостей
определяют диэлектрические потерн в них и связаны |
с величиной |
tg 6 соотношением |
|
y=ecotg 6. |
(6.13) |
При длительном Протекании тока заряженные частицы примесей (загрязнений) оседают на электродах. Это явление используется при так называемой электроочисткб жидкостей.
Врезультате движения заряженных частиц в некоторых случаях
уэлектродов со временем образуются объемные заряды противопо ложного знака, что приводит к ослаблению поля в основном объеме межэлектродного промежутка и к уменьшению тока. Это явление про
является слабее в хорошо очищенной жидкости,
103
§6.3. ЭЛЕКТРОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
вси льн ы х ПОЛЯХ
Вжидкости при достаточно большой напряженности электрического поля возникает ударная ионизация электронами. Аналогично газам (см. §2.1), эффективный коэффициент ударной ионизации
ctg = а —г], |
(6.14) |
где а — физический коэффициент ударной ионизации; д — коэффи циент присоединения электронов к мо лекулам.
В равномерном поле при малой плотности объемных зарядов плот ность электронного тока у аиода
/а=/к exp(ctgS), |
(6.15) |
Рис. 6.3. Зависимость тока / от расстояния S между электродами для умеренно очищенного минераль ного масла при различных напря женностях поля Е :
1 н 5 |
— 200 кв/см; |
2 |
и |
б—ISO |
кв/см; |
||
3 |
и 7 |
—15б |
кв/c.«; |
•/ |
и |
5— 125 |
кв/см; |
J, |
2, |
3 и |
•/ — расчет |
в |
соответствии с |
||
<6.15) при т|=0; 5, 6, 7 и 3 — эксперимент
где /к — плотность |
электронного |
тока |
у катода; S — расстояние между элек |
||
тродами. |
|
|
Возникновение |
электронов |
при |
напряженностях |
у катода |
|
^ 300 кв/см чаще всего является |
след |
|
ствием автоэлектронной эмиссии с по
верхности |
катода. При этом |
в соот |
ветствии |
с (1.22) |
|
Ік = сіЕі exp (— cjE h). |
(6.16) |
|
Значения постоянных . гд и с„ в (6.16) для плотности тока автоэлек тронной эмиссии при Ек (в кв/см) и /к (в а/см2) приведены в табл. 6.2.
Т а б л и ц а 6.2
Материал катода C i C i
Фосфористая бронза в н-гексане |
, |
* |
»t |
» |
» |
2,76-ІО -1'1 |
260 |
Сталь в н -гек сан е ............................... |
. |
t |
|
\ |
5,1 -1 0 -« |
266 |
Формула (6.15) требует пропорциональности между In /а и 5. На практике при изменении 5 в широком диапазоне эта пропорциональ ность нарушается (рис. 6.3), что можно объяснить следующим образом. Будем считать, что проводимость жидкого диэлектрика в сильных по лях у анода определяется электронами и отрицательными ионами. Обозначим: пе— число свободных электронов в единице объема; п„—число отрицательных ионов в единице объема; ѵе, ѵ„—скорости соответственно элекронов и отрицательных ионов в направлении элек трического поля. Так как избыточное число электронов или ионов,
104
ушедших из единицы объема в единицу времени через единицу пло щади, перпендикулярной полю, равно числу электроңов или ионов, образовавшихся в этом объеме в единицу времени, то
|
|
|
d{neve)/dx — neve {a— т]); |
|
|
(6-17) |
|||||||
|
|
|
|
d(navn)/dx — never|. |
|
|
|
(6.18) |
|||||
При малой плотности объемных зарядов |
поле в первом |
прибли |
|||||||||||
жении |
молено |
считать |
однородным и скорости ѵй и ѵи— не завися |
||||||||||
щими от X . |
|
|
|
|
|
|
' |
а,і/см |
|
|
|
|
|
Из |
выражения (6.17), учитывая, что у |
|
|
|
|
||||||||
|
WOO |
|
|
|
|
||||||||
катода |
при х — 0 величина пе = пк, имеем |
|
|
|
|
|
|
||||||
(при а > г|) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пеѵе = пкѵеехр[{а— У])х]. |
(6.19) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
При этом плотность электронного тока |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
І. = ЧепеОе = ЧеПкѴе exp [(« — Т\) х] = |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
= /кехр [(а—гі)х]. |
|
(6.20) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Подставляя |
(6.19) |
в (6.18), разделяя |
|
|
|
|
|
|
|||||
переменные и интегрируя левые и правые |
|
|
|
|
|
ZOO- |
|||||||
части в соответствующих пределах, по |
|
|
|
|
E ,K6/CM |
||||||||
лучаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.4. |
Зависимости коэф |
|||
ПѵР* = п*ѵе [л/(« —Л)] {exp [{a— |
|
|
фициента |
а |
от напряженности |
||||||||
|
|
— Л) *] — !}■ |
|
(6.21) |
|
|
поля |
для минерального |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
масла |
(/) и толуола |
(2) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Плотность тока отрицательных |
ионов |
(при qK— qe) |
|
|
|||||||||
|
/„ = 9Л О и = /к[л/(а— Л)] {ехр [(а—л)х] — 1}. |
(6.22) |
|||||||||||
Учитывая (6.20) и (6.22), получаем общую плотность тока у анода |
|||||||||||||
(х = 5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ій = /е + |
/„ = /к{ ~ |
ехр [(а— н) 5 ] — — |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
= 5ехр [(а —н) 5 ] — А, |
|
|
(6.23) |
|||||||
|
гДе А = |
/к |
> |
в = Іи ~ ^ |
|
и h = qenKve. |
|
|
|||||
Величины А, В, а и rj могут быть найдены из эксперименталь ных кривых, аналогичных кривым, приведенным на рис. 6.3. Зави симости а от напряженности Е для некоторых жидкостей приведены на рис. 6.4. Как следует из рисунка, наклон логарифмических, зависимостей а от Е для рассмотренных жидкостей практически одинаков и обе зависимости можно представить формулой
а ■= |
(6.24) |
где а —в 1 /см\ Е —в кв/см. Для минерального масла/С1= |
1,17-10~10„ |
В ряде работ для а и г| получены другие формулы: |
|
а = к в (£ -£ «)*; |
(6.25) |
Т, = /с , ( £ - £ ,)* . |
(6.26) |
105
Формула (6.25) справедлива |
при £ > |
£„, |
а |
(6.26) — при |
£ > £ , , . |
|||
Если выражать Е в кв/см, |
а |
и г| —в |
1 /см, |
то для минерального |
||||
масла К„ = 0,014, |
= 0,013, |
£„ = 90 кв/см-, £ Т| = 81 |
кв/см. |
|
||||
Из выражения (6.23) величина коэффициента а может быть |
||||||||
определена как |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ц |
|
|
[(а — Л) S] |
= /«“ ■ |
(6.27) |
|||
dS s-. o = /K(“ — |
|
|||||||
Как следует из рис. 6.3, |
при малых S имеет место соотношение |
|||||||
или |
1п /а = |
ІП /,. + aS |
|
|
|
(6.28) |
||
|
Ja = |
/кв'a S |
|
|
|
|
(6.29) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
так как касательная |
к кривым |
/a = /(S) |
при |
S —►О соответствует |
||||
уравнению (6.27). Таким образом, при малых S влияние прилипания электронов практически не оказывает влияния на развитие процессов ударной ионизации.
Измерения показывают, что начиная с некоторой напряженности £ кр ток в жидкости сильно возрастает и возникает ударная ионизация
электронами, |
попадающими в жидкость из катода. Величины £ кр для |
||||
некоторых жидкостей приведены |
в табл. 6.3. |
|
|
||
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
6.3 |
Ж идкость |
е*=е/е0 |
£кр. |
Ж идкость |
Е*=е/е„ |
Якр, |
кв/см |
кв/см |
||||
Ксилол................... |
2,3 |
Толуол ................... |
2,2 |
Гептан. , . . . . |
1,9 |
210
0 1юо 110
Минеральное масло |
2,2 |
80 ч-90 |
|
Хлорбензол |
, . . |
4,0 |
80 |
Нитробензол |
, . . |
32,0 |
50 |
Как следует из табл. 6.3, с ростом диэлектрической проницаемости жидкости имеется тенденция к падению величины £ .
При £ > £ , . р зависимость тока от напряженности (рис. 6.5) может быть представлена в виде
/ = / 0 ехр(с£). |
(6.30) |
В предпробивных полях в жидкости появляются дискретные им пульсы тока. Эти импульсы наблюдаются в минеральном масле, толу оле, тетрахлоруглероде при напряженностях 80-=-100 кв/см. При отрицательной игле в промежутке игла — плоскость наблюдается большое количество импульсов. Их амплитуды возрастают с увеличе нием зазора. Большие импульсы тока с общим зарядом более ІО-8 к заканчиваются пробоем. О связи импульсных явлений в токе с процес сами ударной ионизации косвенно свидетельствует свечение жидко сти в сильных электрических полях (400-=-600 кв/см), приблизительно соответствующих появлениям импульсов тока.
106
Рис. 6.5. Зависимость тока / от напряженности электрического поля Е в минеральном масле при различных расстояниях между электродами
§ 6.4. ОСНОВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОБОЯ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
а. Общие положения
Электрическая прочность хорошо очищенных жидких диэлектри ков значительно превосходит прочность газов и приближается к прочности твердых диэлектриков. Для ряда жидкостей она достигает 1000 кв/см. Загрязнения сильно снижают прочность жидких диэлек триков. Например, для минерального масла в равномерном поле про бивная напряженность может изменяться от 500 до 30 кв/см. Из при месей наиболее сильно влияют полярные вещества и прежде всего вла га, особенно в присутствии волокон целлюлозы.
Пробивная напряженность жидкости растет с увеличением плот ности. При этом электрическая прочность жидкостей, молекулы которых построены из разветвленных цепочек (изомеры), меньше про чности жидкостей, молекулы которых имеют форму прямых цепочек. Электрическая прочность жидкостей из группы ароматических угле водородов, как правило, больше, чем насыщенных углеводородов. На личие молекулярно-растворенного кислорода приводит к увеличению пробивного напряжения. Это объясняется интенсивным захватыванием электронов атомами кислорода с образованием малоподвижных отрицательных ионов. Уменьшение количества свободных электронов препятствует развитию пробоя. Растворенные газы — азот, водород или углекислый газ — не оказывают влияния на величину электричес кой прочности.
Существенное снижение пробивного напряжения может быть выз вано наличием у электродов ионизированных пузырьков газа. Нали-
107
чпе неионизированных пузырьков с диаметром порядка 10 мкм не влияет на электрическую прочность.
Величина пробивного напряжения в жидкостях для заданного иск рового промежутка подвержена большому статистическому разбросу. Плотность вероятности пробивных напряжений приближенно соответ ствует нормальному закону, причем среднеквадратичное отклонение составляет 10—15% от среднего значения пробивного напряжения.
Развитие пробоя в жидком диэлектрике качественно отличается от пробоя в воздухе. В конечной стадии пробой жидкости происходит в большинстве случаев по газовому каналу. Образование газового
канала может быть результатом испарения |
жидкости при интенсив |
||||||
|
ном местном |
нагреве |
(напри |
||||
|
мер, |
токами |
проводимости в |
||||
|
местах концентрации |
загряз |
|||||
|
нений) или |
|
результатом |
рас |
|||
|
щепления |
молекул жидкости |
|||||
|
с выделением |
газообразных |
|||||
|
продуктов |
под |
воздействием |
||||
|
заряженных |
частиц (главным |
|||||
|
образом электронов) с доста |
||||||
|
точно большими энергиями. |
||||||
Рис. 6.6. Электроды стандартного разрядни |
Очень |
большое |
влияние |
||||
на |
процесс |
пробоя |
оказы |
||||
ка для определения электрической прочности |
вают примеси (твердые части |
||||||
£ пр жидких диэлектриков |
|||||||
|
цы, волокна). Волокна цел |
||||||
|
люлозы в |
увлажненном |
сос |
||||
тоянии имеют высокую диэлектрическую проницаемость и собираются в местах максимальной напряженности электрического поля. Когда частица подходит близко к электроду, то в промежутке между части цей и электродом образуется высокая напряженность электрического поля, что увеличивает эмиссию электронов и способствует возникно вению интенсивной ударной ионизации в этом промежутке. Наличие увлажненных волокон в жидкости может также способствовать обра зованию пузырьков водяного пара, так как для отрыва молекул воды от целлюлозных волокон требуется сравнительно небольшая энергия.
Если к электродам, находящимся в жидком диэлектрике, прило жить переменное, постоянное или импульсное напряжение и постепен но его увеличивать, то при некотором напряжении наступает пробой жидкости в виде единичной искры. Затем при дальнейшем повышении напряжения или при выдержке этого же напряжения возникает новая искра. В некоторых случаях искра переходит в дуговой разряд. Обычно пробивное напряжение отмечается по появлению первой искры, пере крывающей весь промежуток между электродами.'
Внеоднородных полях пробою предшествует стримерная корона.
Взависимости от конфигурации поля и величины приложенного напря жения отдельные стримеры могут иметь большую или меньшую длину.
Электрическая прочность технических жидких диэлектриков опре деляется в стандартном разряднике (рис. 6.6) при расстоянии между электродами 2,5 мм.
108
