Урок 49. Физико-химические и механические свойства диэлектриков

Физико-химические и механические свойства диэлектриков

Для диэлектриков наиболее важны следующие свойства:

1. Влажностные.

2. Тепловые.

3. Механические.

Влажностные свойства. Многие электроизоляционные материалы используются в условиях повышенной влажности воздуха, и вода может попадать на них, если электрооборудование не имеет герметичного корпуса, например, такого, как у конденсатора.

Относительной влажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение

φ = 100,

где m – масса водяного пара в единице объема, г/м³; m_нас – масса водяного пара в единице объема при насыщении, г/м³.

За нормальную влажность воздуха в нашей стране принята относительная влажность φ = 65 %. В воздухе с нормальной влажностью при 20 ^оС содержание водяных паров m = 11,25 г/см³.

Для предохранения поверхности электроизоляционных деталей от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

Способность диэлектриков смачиваться водой характеризуется углом смачивания θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность тела

(рис. 7.) Чем меньше угол θ, тем сильнее смачивание. Для смачиваемых поверхностей угол θ < 90^о, для несмачиваемых – θ > 90^о.

Рис. 7. Капля жидкости на смачиваемой поверхности диэлектрика (а)

и на несмачиваемой поверхности (б)

При наличии в диэлектрике объёмной открытой пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь диэлектрика. Если сухой диэлектрик поместить во влажный воздух, то он начинает поглощать влагу из воздуха. Причём влажность материала ψ будет повышаться, асимптотически приближаясь к равновесной влажности ψ_р, соответствующей данному значению влажности воздуха φ. У бумаги при относительной влажности воздуха φ = 65 % равновесная влажность ψ_р = 8 %.

Наиболее чувствительным параметром влаги у диэлектриков является тангенс диэлектрических потерь tgδ, он заметно возрастает с увлажнением материала, изменяется и удельное сопротивление ρ.

Влагопроницаемость – это способность материалов пропускать сквозь себя пары воды. Количество влаги m, проходящее за время τ сквозь участок поверхности S слоя изоляционного материала толщиной h под действием разности давлений водяных паров p ₁ и p ₂ с двух сторон слоя, находим по следующему выражению:

где П – влагопроницаемость данного материала. В системе СИ она измеряется в секундах.

Тепловые свойства диэлектриков. К ним относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

Нагревостойкость – это способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. Срок службы изоляции τ связан с абсолютной температурой Т следующей зависимостью (рис. 8): lnτ = AT^-1 + B, где А и В – величины постоянные для данного материала и данных условий старения изоляции.

Рис. 8. Срок службы изоляции в зависимости от температуры

ГОСТ 8865–70 предусматривает в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) разделение электроизоляционных материалов на классы нагревостойкости (Y, A, E, B, F, H, C).

Холодостойкость – это способность изоляции выдерживать воздействие низких температур (например, от –60 до –70 ^оС) без недопустимого ухудшения её свойств. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются. Однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жёсткими, что создаёт затруднения для работы изоляции.

Теплопроводность – это один из видов переноса теплоты от более нагретых частей к менее нагретым, приводящего к выравниванию температуры материала. Теплопроводность материалов характеризуют коэффициентом теплопроводности γт, входящим в уравнение Фурье:

Pт = γт ΔS,

где ΔРт – мощность теплового потока, проходящего сквозь площадку ΔS, нормальную к потоку; – градиент температуры.

Тепловое расширение диэлектриков оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (), измеряемым в К^-1:

= .

Материалы, обладающие малыми значениями , имеют, как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.

Механические свойства диэлектриков. Многие электротехнические материалы в установках одновременно с электрической несут и механическую нагрузку (например, провода ЛЭП, троллейбусов, трамваев и т. д.). Поэтому для них наряду с электрическими параметрами необходимо знать и механические (предел прочности s_в и относительное остаточное удлинение d). Эти параметры очень важны при правильном выборе материала,

т. к. у одного и того же материала в зависимости от технологии изготовления эти параметры могут изменяться в широких пределах. В ряде случаев приходится за счет ухудшения электрических параметров увеличивать механическую прочность.

Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Показатели прочности характеризуются не прилагаемой нагрузкой P, а удельной величиной – условным напряжением σ, определяемым отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца F_o (σ = P/F_o). Значения пределов прочности в системе СИ выражают в паскалях (1 Па ≈ 10^-5 кгс/см²).

У твёрдых диэлектриков обычно определяют пределы прочности при растяжении (σр), сжатии (σс) и изгибе (σи). Для ряда диэлектриков (стёкол, керамических материалов, многих пластмасс и др.) предел прочности при сжатии значительно больше, чем при разрыве и изгибе.

Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки. Если к материалу приложена небольшая нагрузка, то возникает только упругая деформация и после снятия нагрузки образец восстанавливает свою первоначальную длину . Если увеличить нагрузку, то после ее снятия, возникает остаточная деформация Δ = – , где – длина образца перед снятием нагрузки. В качестве показателя пластичности обычно приводят относительное остаточное удлинение материала, которое измеряется в процентах:

.