Электротехнические материалы Теория конструктивных материалов

Проводниковые материалы К этой группе материалов относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы имеют малое удельное сопротивление. Исключением является ртуть, у которой удельное сопротивление довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются при изготовлении обмоточных и монтажных проводов, кабелей и пр.

Диэлектрические потери.

           Термин возник из-за того, что в идеальном диэлектрике энергия может только накапливаться в виде W = e0eE2/2, (на единицу объема, см.8.1.), но не теряться. В реальном диэлектрике часть энергии уходит из электрической цепи, превращаясь в другой вид энергии, а именно в теплоту. Есть два основных канала превращения энергии в тепло: потери за счет проводимости и поляризационные потери.

Потери за счет проводимости при постоянном напряжении определим из известных выражений. Из закона Ома можно определить мощность, поглощенную веществом P = U2/Rизол,а из закона Ома в дифференциальной форме (формула (8.5)) следует, что за счет обычной проводимости удельные потери мощности составят p = E2/r.  Широко известно использование аппарата Фурье для гармонического анализа детерминированных сигналов, при котором исходная функция разлагается в ряд по элементарным тригонометрическим функциям. Однако аппарат Фурье не является единственным.

      Для случая переменного напряжения появляются дополнительные потери, связанные с поляризацией и токами абсорбции, которые принято представлять в виде:

   P =  U2wC tgd                                                                                         (8.11)

   Ir
            Ic

                  

 

Рис 8.5 Векторная диаграмма токов в диэлектрике с потерями.

 

 

 

 

где d -угол диэлектрических потерь, смысл которого можно понять из векторной диаграммы рис.8.5.,  tgd = Ia/Ic - отношение активного тока к реактивному. В принципе физический смысл tgd можно понять из общих соображений. Мощность потерь - это активная мощность, произведение активного тока на напряжение. Можно пойти от известного угла между током и напряжением j   P = UIcosj, выразив I через реактивный ток I = Iр/sinj, получим P = U2wC ctgj, откуда видно что d = p¤2-j Кроме этого понятия вводят новое -добротность изоляции Q = 1/tgd, характеризующее количество периодов, в течение которых в диэлектрике поглощается накопленная энергия W = CU2/2.

 В некоторых случаях целесообразно рассмотреть удельные диэлектрические потери 

р = Е2wee0 tgd.

В заключение приведем выражения для tgd для разных схем замещения диэлектрика:

Схема рис.8.1.      tgd = 1/wRC;  

Последовательная схема замещения       tgd = wrC;

Схема рис.8.2.      tgd = (R+Rп)/wRRпC;

Схема рис. 8.3б     tgd = ; t = R2C2.

          Следует отметить, что потери зависят от температуры, частоты, влажности, напряженности поля. Частотная зависимость потерь является характеристикой материала и определяется для каждого диэлектрического материала не только свойствами молекул материала, но и наличием и составом примесей. Как правило, потери имеют максимум при одной или нескольких частотах, в зависимости от типа молекул. Положение максимумов характеризуется собственными частотами установления поляризации. Они могут быть связаны с поворотом полярных молекул в жидком диэлектрике или с поворотом домена в сегнетоэлектрике. Например для диэлектрика, соответствующего схеме рис.8.3б потери максимальны при частоте  wм ~1/t.Исследование частотного поведения потерь, т.н.диэлектрическая спектроскопия позволяет изучать структуру веществ.   

          Температурная зависимость потерь обычно имеет монотонный характер, потери растут с ростом температуры, хотя у некоторых дипольных диэлектриков наблюдаются локальные максимумы, имеющие ту же природу, что и максимумы в частотной зависимости.

          С ростом влажности потери также растут, зачастую весьма значительно. Это связано, как с увеличением сквозной проводимости, так и с поляризацией растворенной воды, и эмульгированной воды.

          Увеличение напряженности поля сопровождается ростом tgd, что объясняется ростом электропроводности. Причины этого будут подробно рассматриваться в следующем разделе. Термопластичными электроизоляционными материалами являются такие, которые, будучи твердыми в исходном, холодном состоянии, размягчаются при нагреве и растворяются в соответствующих растворителях. После охлаждения эти материалы вновь отвердевают. При повторном нагреве сохраняется их способность к размягчению и растворению в растворителях.