Файл: Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов].pdf

количестве, то подвижность их очень мала — близка к нулю. Этим и объясняется весьма малая электропроводность диэлектриков. Однако электрическое поле оказывает свое воздействие на диэлектрики. Оно выражается в поляризации диэлектриков.

Поляризация диэлектриков. Диэлектрик, помещенный в электри­ ческом поле, поляризуется. Поляризация заключается в том, что под воздействием сил электрического поля в самих молекулах вещества диэлектрика происходит некоторая упругая деформация — смещение внутренних электрических зарядов: положительные заряды смещают­ ся по направлению напряженности поля, отрицательные—в обратную сторону.

При исчезновении электрического поля исчезает и поляризация. Различные диэлектрики поляризуются в разной степени.

Явление поляризации сказывается на величине напряженности элек­ трического поля в данном диэлектрике. В формулах расчета электри­ ческих сил (и напряженности) это учитывается величиной диэлектри­ ческой проницаемости еотв (см. формулу (1.2): чем сильнее поляри­ зуется данный диэлектрик, тем больше его еотн и, следовательно, тем в большей мере ослабляется электрическое поле в нем (при всех других равных условиях).

Полупроводники — вещества, занимающие промежуточное положе­ ние между проводниками и диэлектриками. К ним относятся некоторые химические элементы: германий, кремний, селен, окислы отдельных металлов, например закись меди, а также специальные сплавы. Элект­ ропроводность полупроводников отличается своеобразными особенно­ стями. У различных полупроводников различен и характер электропро­ водности: в одних случаях электропроводность схожа с электропро­ водностью металлов, в других носит иной характер. У одного и того же полупроводника при наличии ничтожных по количеству определенных химических примесей величина электрической проводимости может изменяться в сотни и тысячи раз.

О проводниковых материалах подробнее дано в § 2.5. Полупровод­ ники, их свойства и применение рассматриваются в третьем разделе книги (§§ 10.9—10.13).

§ 1.5. Основные электроизоляционные материалы

Основным назначением электроизоляционных материалов являет­ ся изоляция, т. е. отделение электрических проводов или частей элек­ трических машин и аппаратов, находящихся под напряжением, друг от друга и от земли. В ряде случаев изоляционные материалы применя­ ются для крепления тех или иных токоведущих частей (изоляторы, на которых крепятся провода воздушных линий). Одновременно изоляци­ онные материалы обеспечивают электробезопасность: служат защи­ той от случайного прикосновения к частям, находящимся под напряже­ нием.

В эксплуатации электрическая изоляция подвергается действию влаги, высокой или низкой температуры и т. д.

13

Отсюда, в зависимости от назначения к изоляционным материалам предъявляют требования прочности, пластичности, водонепроницаемо­ сти, теплостойкости, морозостойкости и др.

Однако основными показателями электроизоляционных материалов являются их электрические свойства: относительная диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность*.

Относительная диэлектрическая* проницаемость диэлектриков рас­ сматривалась в начале главы. Величина эта — безразмерная (относи­ тельное число). Данные по ее численному значению приведены

втабл. 1.1.

Эл е к т р и ч е с к о й п р о ч н о с т ь ю (или пробивной напря­ женностью) называется предельная напряженность электрического поля, которую данный диэлектрик может длительное время выдержи­ вать без нарушения его цельности и потери изолирующих свойств.

Втом случае, когда напряженность поля, в котором находится диэлектрик, превысит этот предел (величину электрической прочнос­ ти данного диэлектрика), начинается частичное (местное) разрушение

диэлектрика, происходит п р о б о й д и э л е к т р и к а . Напряженность электрического поля, как указывалось выше,

измеряется в вольтах на метр (В/м). Для электрической прочности ди­ электриков эта единица измерения несколько видоизменяется. Учиты­ вая, что толщина изоляции обычно не превышает нескольких милли­ метров, электрическая прочность измеряется в тысячах вольт (иными словами в киловольтах) на миллиметр (кВ/мм).

Отсюда следует, что чем выше электрическая прочность того или иного диэлектрика, тем большую ценность он представляет как изо­ ляционный материал.

* В справочниках для электроизоляционных материалов приводятся также: удельное электрическое сопротивление (Ом-см) и тангенс угла диэлектрических потерь (tg б). Эти показатели в настоящей книге не рассматриваются.

14

Показатели по некоторым изоляционным материалам приведены

втабл. 1.1.

Впоследние годы в качестве изоляционных материалов все более широкое применение находят пластмассы. Эти синтетические материа­ лы благодаря своим ценным качествам постепенно вытесняют ранее применявшиеся материалы. По данным табл. 1.1 можно судить о вы­ сокой электрической прочности поливинилхлорида, полистирола, поли­ этилена, фторопласта.

Электрическая прочность изоляционных материалов значительно повышается после пропитки их специальными лаками и маслами (на­ пример, кабельная бумага).

Трансформаторным маслом, вырабатываемым из нефти, заливают баки силовых трансформаторов и других аппаратов. Изоляционные свойства трансформаторного масла в большой мере зависят от его чистоты и сухости. Наличие тех или иных примесей или влаги резко снижает электрическую прочность масла; поэтому при эксплуатации электроустановок требуется постоянный надзор за его состоянием.

Во многих электроустановках, например в воздушных линиях элек­ тропередачи, изолирующей средой является воздух. Изолирующие свойства воздуха зависят от его давления и влажности. С увеличением влажности изоляционные свойства воздуха ухудшаются. Сухой воздух при нормальном давлении имеет электрическую прочность порядка 3 кВ/мм.

§1.6. Конденсаторы. Электрическая емкость

Ко н д е н с а т о р о м , как известно из курса физики, называют систему из двух проводников любой величины и формы, разделенных диэлектриком. По форме конденсаторы могут быть плоские, цилиндри­ ческие и сферические.

Рассмотрим устройство и свойства наиболее простого — плоского конденсатора. Он состоит из двух параллельно расположенных метал­ лических пластин, разделенных тонким слоем какого-либо изолиру­ ющего материала. Металлические пластины называются обкладками конденсатора. Если обкладки присоединить к какому-либо источнику постоянного тока (например, к «плюсу» и «минусу» аккумуляторной батареи), то конденсатор зарядится: на одной обкладке появится поло­ жительный электрический заряд, а на другой — равный ему по вели­ чине отрицательный заряд. При надлежащем качестве диэлектрика изолирующего слоя электрические заряды на обкладках останутся на неопределенно долгий срок после отключения источника питания.

Таким образом, в заряженном конденсаторе на обкладках будут

находиться распределенные по их поверхности заряды +qK и —qK, между обкладками будет существовать разность потенциалов, иначе говоря напряжение (назовем его UK), а в диэлектрике между обклад­ ками создается равномерное электрическое поле.

Электрические свойства конденсатора характеризуются напряже­ нием, на которое он рассчитан, и его е м к о с т ь ю .

15

Напряжение, на которое рассчитывается конденсатор, выбирается

-Пример 1.1. Имеется плоский конденсатор емкостью 0,2 мкФ. Изоляцион­ ный слой в нем выполнен из пропитанной маслом бумаги с ротн, равной 3,5; ка­ кова будет емкость того же конденсатора, если бумагу заменить слюдой с р0,.„, равной 7 (толщину слоя изоляции оставить прежней)?

При замене бумаги слюдой емкость конденсатора изменится в отношении величин их относительных диэлектрических проницаемкостей, т. е. в отношении

7/3,5. Иными словами, емкость конденсатора в данном случае увеличится вдвое, станет равной 0,4 мкФ.

Конденсаторы могут соединяться в батареи параллельно и после­ довательно (рис, 1.2). Параллельное соединение увеличивает общую

16

емкость, а последовательное — уменьшает. Если соединяются одина­ ковые конденсаторы, то общая емкость при параллельном соединении равна емкости одного конденсатора Съ умноженной на их число, а при последовательном — равна той же емкости, деленной на количество конденсаторов. Обозначив число соединяемых в батараю конденсато­ ров буквой п, можно записать:

Рис. 1.3. Конденсаторы:

а схема устройства; б — слюдяной конденсатор; в — электролитический (с условным его обозначе­ нием); г — косинусный напряжением выше 1000 Вг / — обкладки; 2 ~ диэлектрик

Заряженный конденсатор обладает некоторой энергией. Она про­ порциональна напряжению между обкладками конденсатора UK и его заряду t/„; заменив величину заряда qH через произведение CUK, что вытекает из формулы (1.10), можно записать:

где WK— энергия конденсатора; Дж; qK— заряд конденсатора, Кл; С — его емкость, Ф\^JJK— напряжение между обкладка­

ме рис. 1.3, а). В качестве мета|лцческих обкладок обычно использу­ ется алюминиевая (или из другого металла) фольга, для Изолирующего

17