TWN ED 2014 15 WYK5 dielektryki, politechnika PśK, Technika wysokich napieć
[ Pobierz całość w formacie PDF ]//-->POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKAKatedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki ŚwietlnejCzęść IWytrzymałość elektrycznaWykład 56. Dielektryki rzeczywiste7. Starzenie izolacji8. Przebicie dielektryków stałych9. Przebicie dielektryków ciekłych6. Dielektryki rzeczywiste6.1. Mechanizmy polaryzacjiO podatności dielektryka na polaryzację mówi stosunek gęstości ładunku związanego doswobodnego nazywany podatnością dielektryczną ośrodka.WzórD =eE + Pmożna więc napisać w postacie’eE =eE +eEskąd otrzymujemyPP�½�½DeE=e’ – 1Polaryzacja atomowa (jonowa)występuje wmateriałach których cząstki zbudowane są z niejednako-wych atomów i chmury elektronowe jednych atomów sąprzesunięte w kierunku drugich silniej je wiążących.Atomy w takiej cząsteczce posiadają przewagę ładunków– jedne dodatnich, drugie – ujemnych. Przesunięcie tychwypadkowych ładunków względem siebie stanowi istotętej polaryzacji. Niezależnie od tej polaryzacji skręcaniepowstałych w ten sposób dipoli w kierunku pola jestźródłem polaryzacji dipolowej. Polaryzacja atomowa jestrównież polaryzacją deformacyjną odbywającą się bezstrat. Polaryzacja ta zachodzi w czasie 10–1410–12s.Przenikalności elektryczne względne dielektrykówcharakteryzujących się występowaniem tej polaryzacjiwynosząe’= 412. Przedstawiciele: szkło, mika,materiały ceramiczne, kwarc.Polaryzacja elektronowawystępuje gdy przyłożone poleelektryczne powoduje przesunięcie powłok elektronowychwzględem dodatnich jąder. “Środki ciężkości” ładunków niepokrywają się i powstaje indukowany moment dipolowy.Polaryzacja ta zachodzi w czasie 10–1510–13s zależnie odrodzaju dielektryka. Nie pociąga za sobą strat energii i nazy-wana jest polaryzacją deformacyjną. Wywołany przez niąprąd elektryczny jest czysto pojemnościowy. Polaryzacja tawystępuje w materiałach o cząsteczkach symetrycznych.Przenikalność dielektryczna względna dielektrykówcharakteryzujących się występowaniem tego mechanizmupolaryzacjie’= 24. Przedstawiciele: polistyren, polietylen,olej mineralny, policzterofluoroetylen, parafina.Polaryzacja dipolowa.Asymetryczny rozkład ładun-ków pomiędzy niejednakowymi atomami jest źródłemtrwałych momentów dipoli istniejących także w nieobec-ności zewnętrznego pola elektrycznego. Ponieważ są onezorientowane w różnych kierunkach ich moment wypad-kowy jest na ogół bliski zeru. Pod wpływem przyłożone-go pola zewnętrznego na dipole działają momenty siłdążące do zgodnego z polem ich ustawienia.Polaryzacja dipolowa, zwana też polaryzacją orientacji,jest polaryzacją stratną – zachodzi w czasie 10–1010–2s.Obroty dipoli związane są z pokonywaniem oporówośrodka – występuje więc rozpraszanie energii.Przenikalność elektryczna wynosi:e’= 36.Przedstawiciele: guma wulkanizowana, bakelit,polichlorek winylu.Polaryzacja ładunku przestrzennego.Polaryzacja tawynika z ruchu nośników elektryczności które mogą się prze-suwać w dielektryku na pewnych odległościach. Ruch nośnikówjest hamowany powodując, że ładunki nie mogą być swobodniezobojętniane na elektrodach. Powstaje ładunek przestrzennypowodujący zniekształcenie pola przejawiające się we wzrościepojemności materiału. Polaryzacja ładunku przestrzennego na-leży do grupy mechanizmów polaryzacji określanych jednąnazwą – polaryzacja makroskopowa. Istotą tych polaryzacji jestprzesuwanie się ładunków na pewnych odcinkach wewnątrzmateriału izolacyjnego. Odmianami tej polaryzacji są np: pola-ryzacja wysokonapięciowa (jest funkcją napięcia), polaryzacjastrukturalna, polaryzacja warstwowa.Czas zachodzenia polaryzacji (w zależności od struktury mate-riału i mechanizmu związanego z ruchem ładunku) wynosi odułamków sekund (10–3s) do minut a nawet godzin.EEPolaryzacja atomowaPolaryzacja elektronowaEPrzedstawicielami materiałówcharakteryzujących się występo-waniem polaryzacji makroskopo-wej są dielektryki niejednorodne(np. izolacja papierowo-olejowa)oraz dielektryki z dużą ilościąjonów swobodnych (np. polime-takrylan metylu).EPolaryzacja dipolowaPolaryzacja ładunku przestrzennegoRys. 6.1. Ilustracja graficzna róż-nych mechanizmów pola-ryzacjie'Zazwyczaj w materiałach izolacyjnychwystępuje wypadkowe działanie kilkurodzajów polaryzacji. Mechanizmy pola-ryzacji charakteryzuje częstotliwość drgańwłasnych powyżej której polaryzacja nienadąża za zmianami pola przyłożonego.Te charakterystyczne częstotliwości to:częstotliwości rezonansowe (polaryzacjebezstratne) oraz częstotliwości relaksacyj-ne (polaryzacje stratne).Jeżeli częstotliwość przyłożonego polabędzie równa częstotliwości rezonansowejbądź relaksacyjnej wystąpi silne pochła-nianie energii objawiające się występowa-niem w pobliżu tej częstotliwości ekstre-mum współczynnika strat dielektrycznychtg.elektronowaatomowadipolowamakroskopowa1log(f )2tg46810121416log(f )log(f1)log(f2)log(f3)log(f4)Rys. 6.2. Występowanie mechanizmów polaryzacji w zależnoś-ci od częstotliwości zewnętrznego pola elektrycznegoPePaPdPm�½�½eadmDe'�½1eadmPrzenikalność dielektryczna względna ośrodka die-lektrycznego jest sumą podatności dielektrycznych naróżne rodzaje polaryzacji zwiększoną o 16.2. Schematy zastępcze dielektrykówPrzy polaryzacjach stratnych wielkość ładunku polaryzacyjnego będzie zależeć od częstotliwości przyło-żonego pola, zatem również od częstotliwości będzie zależeć przenikalność dielektryczna a więc i pojem-ność a także tg.a)ICIIRIaCaCgb)I'aIRRRaI"aIaIuICURys. 6.3. Schemat zastępczy dielektryku (a) oraz wykres wektorowy prądów(b) dla przypadku występowania jednego mechanizmu polaryzacjistratnej: Cg - pojemność geometryczna, R - rezystancja skrośna,Ca - pojemność absorpcyjna, Ra rezystancja absorpcyjna.Przy niewielkich częstotli-wościach przyłożonego polawpływ wolniejszych rodza-jów polaryzacji powodujewzrost pojemności układu dowartości zwanej pojemnościąfizyczną. Różnica pojemnoś-ci fizycznej i geometrycznejokreśla pojemność absorp-cyjną reprezentującą polary-zacje stratne.Ca= CfCg.Przy napięciu sinusoidalnie zmiennym proces ładowania i rozładowania powtarzasię okresowo. Prąd ładowania ICwyprzedza wektor napięcia o 90. Prąd upływujest zgodny w fazie z napięciem, ale prąd związany z polaryzacją stratną ma zarów-no składową czynną jak i biernąIRIacztg�½ICIab [ Pobierz całość w formacie PDF ]