Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением 1/пр, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика £пр-

Для равномерного электрического поля электрическая прочность диэлектрика определяется по формуле

где d - толщина пробоя.

диэлектрика в месте

0,2 0,4- В,Б 0,8 1,0 I

Концентрация дпдш, %

Рис. 3-19. Измеиекие электрической прочности трЕНСформаторного масла от содержания в нем воды.

Пробой жидких диэлектриков - явление сложное, что объясняется сложным составом жидких диэлектриков и сильным влиянием загрязнений на развитие пробоя. На рис. 3-19 показана зависимость изменения электрической прочности трансформаторного масла от содержания влаги. Наиболее резкое снижение электрической прочности жидких диэлектриков вызывает эмульсионная вода. С повышением температуры эмульсионная вода переходит в растворенную; при этом жидкий диэлектрик становится более однородным и электрическая прочность его повышается.

Другие загрязнения (волокна, смолистые вещества и др.) также понижают электрическую прочность жидких диэлектриков. Чистота поверхности электродов оказывает существенное влияние на электрическую прочность жидких диэлектриков.

Большая продолжительность воздействия электрического поля на жидкий диэлектрик вызывает резкое снижение пробивного напряжения (рис. 3-20).

Конфигурация электрического поля и полярность электродов также вызывают изменение пробивных напряжений жидких диэлектриков (см. § 9-3).

Пробивное напряжение жидких диэлектриков повышается с увеличением давления (рис. 3-21). Зависимость пробивного напряжения от давления заметно уменьшается с повышением степени очистки электроизоляционных жидкостей. При импульсных воздействиях напряжения на слой жидкого диэлектрика зависимости пробивного напряжения от давления практически не 6*

наблюдается. С увеличением плотности жидкого диэлектрика его электрическая прочность линейно возрастает.

Влияние температуры на пробивные напряжения жидких диэлектриков различно в зависимости от химического состава и степени загрязнения примесями. Заметные изменения электрической прочности с температурой наблюдаются у электроизоляционных жидкостей сложного химического состава, особенно при наличии в них загряз,-нений (влага, газы и др.). По мере приближения к температуре кипения электрическая

Рис. 3-20. Зависимость пробивного напряжения жидкого диэлектрика от времени воздействия на него электрического поля.

IDMKC

fO 35 30

25000 SO ООО 75ВОВ Па.

Рис. 3-21. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от давления при 50 Гц.

1 - иевакуумированное масло; 2 - ва-куумированное масло.

прочность жидких диэлектриков резко понижается.

Наибольший практический интерес представляют теории, посвященные процессам пробоя технических электроизоляционных жидкостей. В большинстве этих теорий (авторы К. Н. Семенов и А. Ф. Вальтер, Эдлер и др.) пробой жидких диэлектриков рассматривается как тепловой процесс, в результате которого в слое жидкого диэлектрика образуются газовые или паровые каналы. Паровая и газовая фазы в жидком диэлектрике возникают при нагреве его токами проводимости, повышенные значения которых наблюдаются в наиболее загрязненных частях диэлектрика. При критических значениях напряженности электрического поля в газовых и паровых каналах начинает развиваться процесс ударной ионизации газа, завершающейся пробоем.

Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс (тепловая форма пробоя). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектри-

ках имеет место лавинное возрастание электронного тока, подобно тому как это наблюдается в процессе ударной ионизации в газообразных диэлектриках.

Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:

1. Независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения (до 10- -10~* с).

2. Электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика (до толщин 10-* - 10-5 см).

3. Электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах: 10-10 В/м; причем она больще, чем при тепловой форме пробоя.

4. Перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока.

5. При наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект).

Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теп-лоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вслед-ствии неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие кана.чы, проходящие через всю толщину диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будет выделяться значительное количество теплоты. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания теплоты будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине - по ослабленному месту.

Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:

1. Пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду.

2. Пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды.

3. Пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения.

4. Электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика.

5. Электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.

При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электриче-

ский пробой, а затем в связи -с -дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового пробоя диэлектрика (рис. 3-22). Аналогичный переход электрической формы пробоя в тепловую происходит в зависимости от времени выдержки твердого диэлектрика под напряжением.

Согласно выводам теории теплового пробоя твердых диэлектриков (В. А. Фок, К. Н. Семенов) можно подсчитать пробив-

Рис. 3-22. Зависимость пробивного напряжения от температуры для электротехнического фарфора (д - точка перехода к тепловому пробою).

кБ 2П0ПП

WOO0

8000

чооп

~2[10-т о WD2D0C

ное напряжение для простых электроизоляционных конструкций (пластины) по формулам

а) для постоянного напряжения

и / 33,6fen , б) для переменного напряжения

-.f 60,5Д!д

10е<р(с),

где ф(с) - функция величины kg + коА кд

ко - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; - коэффициент теплопроводности электродов; кц - коэффициент теплопроводности диэлектрика; h - половина толщины диэлектрика; Д - толщина электрода; а - температурный коэффициент коэффициента диэлектрических потерь ТК (Brtgfi); / - частота. ...

0,В 0,5

В,3 0,2 0,1

f(c)

0,01 0,02 0,05 0,1 0,20,3 0,50,71,0 2 ЗЧ57Ю

Рис. 3-23. Значения функции ф (с). К расчету пробивного напряжения твердого диэлектрика при тепловом пробое (по В. А. Фоку).

§ 3-3]

Электромагнитные явления в ферромагнетиках

По известным значениям ко, К ka, Д вычисляют с и, воспользовавшись графиком (рис. 3-23), находят ф (с).

При возрастании с функция ф(с) стремится к пределу, равному 0,66.

3-3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ФЕРРОМАГНЕТИКАХ

Процессы намагничивания

Ферромагнетики обладают доменной структурой. Намагниченность домена равна намагниченности насыщения материала. Ее можно заметно изменить только путем из-

Рис. 3-24. Измеиеиие доменной структуры при намагничивании.

менения температуры. При наложении внешнего поля изменяется свободная энергия домена за счет появления нового слагаемого- энергии магнитных моментов во внешнем поле. В результате домены приобретают равновесное состояние уже при ином расположении, нежели в отсутствие магнитного поля. Таким образом, возникает некоторая средняя намагниченность тела в направлении, близком к направлению внешнего поля.

Изменение намагниченности образца (рис. 3-24, а) при постоянной температуре и намагниченности домена происходит в результате:

перемещения границ и соответствующего изменения объема доменов с ростом тех из них, у которых намагниченность Ms составляет острый угол с внешним магнитным полем Н (рис. 3-24, б);

процессов вращения, связанных с поворотом векторов Ms внутри домена (рис. 3-24, в).

Оба процесса могут быть разделены в свою очередь на обратимые и необратимые в зависимости от доли энергии, рассеиваемой в виде тепла. Необратимые процессы намагничивания определяют все явления магнитного гистерезиса.

Процессы смещения играют основную роль в области слабых полей на начальном участке кривой намагничивания. Процессы вращения играют основную роль в области полей, больших тех, при которых крутизна кривой намагничивания достигает максимума. Процессы смещения заканчиваются с исчезновением доменной структуры, а процессы вращения - при полном насыщении материала.

Расположение границ между областями самопроизвольной намагниченности определяется мини.мумом полной свободной энер-

гии тела, включающей поверхностную энергию границ, магнитоупругую энергию областей и энергию внутренних магнитных полей рассеяния. Это условие должно выполняться и при обратимом смещении границ.

Смещение границ между смежными доменами может произойти, если по разные стороны от стенкн будет различна плотность свободной энергии внешних сил. Полная работа внешнего давления при смещении граничной поверхности идет на покрытие роста энергии, связанной с силами маг-нитоупругой анизотропии, и компенсацию изменения поверхностной энергии. Последние изменения происходят в общем случае в силу локального изменения энергии стенки домена при перемещении слоя в новые места кристалла, а также в силу изменения кривизны поверхности и деформации ограничивающего его контура.

Обратимые процессы враиения вектора спонтанной намагниченности вызываются теми же причинами, что и смещение стенок. Однако здесь процесс определяется зависимостью энергии анизотропии, магнитоупру-гой энергии и энергии домена в магнитном поле от ориентации вектора намагниченности.

Необратимые процессы намагничивания ферромагнетиков определяются тремя явлениями: задержкой роста зародышей пере-магничивания, задержкой смещения границ между доменами и необратимыми процессами вращения.

Зародышами намагничивания называют объемы с самопроизвольной намагниченностью обратного направления (по отношению к основной ориентации намагниченности насыщения образца). Их возникновение может быть связано с двумя основными источниками. Во-первых, они могут возникнуть в результате того, что даже при насыщении образца остаются небольшие участки первоначальных доменов с направлением намагниченности, противоположным направлению магнитного поля, доводящего предварительно образец до насыщения. Во-вторых, размагничивающее поле, созданное пустотами, посторонними включениями и внутренними неоднород-ностями образца, может сделать внутреннее поле в небольших объемах вблизи таких искажений обратным по отношению к внешнему полю.

В чистом виде задержку роста зародышей можно наблюдать в образцах с прямоугольной петлей гистерезиса, когда при плавном изменении внешнего поля изменение намагниченности происходит одним скачком. При некотором поле старта зародыш начинает расти с конечной скоростью и поглощает весь объем образца. Это поле нужно для создания таких размеров зародыша перемагничивання, которые делают его дальнейший рост энергетически более выгодным, чем его исчезновение. После достижения поля старта и начала роста зародыша с установившейся скоростью рост может продолжаться при более слабом по-