close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Сучков

код для вставкиСкачать
Департамент образования Вологодской области
Бюджетное образовательное учреждение
Среднего профессионального образования
"Череповецкий лесомеханический техникум им. В.П. Чкалова"
Направление: техническое
ТЕМА Исследование поверхностной электропроводности твердых диэлектриков
Автор:
Сучков Михаил
студент группы МЭ-41
Специальность: 140613(1806) "Техническая Эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования"
Научный руководитель:
Дилигенская Н.М. (преподаватель спец. дисциплины)
Г. Череповец
2012
Содержание
Введение 3
1. Историческая справка 4
2.Описание проблемы 5
2. 1. Физика возникновения поверхностной проводимости твердого материала 5
2.2.Влияние поверхностной проводимости твердых диэлектриков
на работу электрооборудования 5
3. Исследование влияние влажности на поверхностную электропроводимость
твердых диэлектриков 6
4.Заключение. Социальная оценка исследования 9 5.Список литературы 10
Введение Твердые диэлектрики - это широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, тепло-физическими, механическими свойствами. Например, диэлектрическая проницаемость меняется от значения, незначительно превышающего 1, до более, чем 50000, в зависимости от типа диэлектриков: неполярный, полярный, сегнетоэлектрик [ 1 ]. Цель моих исследований - провести теоретические исследование поверхностной проводимости твердых диэлектриков, сравнить и проанализировать различные виды твердых диэлектриков, имеющих различное значение поверхностной электропроводимости
Задачи, поставленные при исследовании:
-Подбор литературы и других источников, необходимый для проведения исследования;
-Исследование физики возникновения поверхностной проводимости в твердых диэлектриках;
-Определение влияния поверхностной проводимости на изменение состояния диэлектрика;
-Применение экспертной оценки;
Проблема исследования заключается в определении влияния величины поверхностной проводимости на электрические свойства твердых диэлектриков.
Объект исследования: твердые диэлектрики, применяемые в электротехнических конструкциях.
Предмет исследования: влияния величины поверхностной проводимости на свойства твердого диэлектрика.
Гипотеза исследования: Если усилить контроль за условиями эксплуатации твердых диэлектриков, то величина поверхностной проводимости не будет вызывать отказ работы электрооборудования.
Научно-практическая значимость исследования заключается в следующем:
1. Определить роль твердых диэлектриков, применяемых для изоляции электрооборудования;
2. Показать значение поверхностной проводимости на изоляционные свойства твердого диэлектрика;
3. Определить влияние поверхностной проводимости на надежность работы электрооборудования.
4. Проанализировать влияние влажности на поверхностную электропроводимость твердых диэлектриков.
Актуальность выбранной темы: "Исследование поверхностной проводимости твердых диэлектриков" заключается в том, что хотя исследования и носят теоретический характер, результаты его дают возможность определить влияние поверхностной проводимости на надежность работы электрооборудования оценку исследования. Список литературы составляют Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка используемой литературы.Во введении показана актуальность исследования, определены цели и задачи, объект и предмет исследования, обозначена проблема исследования. В первой главе рассматриваются теоретические вопросы влияния различных видов поляризации на изменения состояния диэлектрика. Вторая глава содержит заключение, в котором сделаны выводы по проблеме исследования и определена научно-практическая значимость исследования, а также описывает социальную источники. 1.Историческая справка Проблема исследования поверхностной проводимости различных материалов зародилась в конце 20-х годов 20-го века, как прикладная реакция на стремительное развитие фундаментальной науки - квантовой механики. Тогда же вполне стихийным образом, фундаментальная наука начала свое стремительное внедрение в практику, что вылилось во второй половине 20-го века в т. н. лозунг "наука - производственная сила технического прогресса. Очевидно, что данная проблема относится к проблеме междисциплинарного класса, лежащей на пересечении фундаментальной физики и инженерных наук. Вопросами исследования поверхностной проводимости твердых диэлектриков занимался английский ученый Уильям Шокли [ 4 ].
2. Описание проблемы исследования
2. 1. Физика возникновения поверхностной проводимости твердого материала
Как показывает современная квантовомеханическая теория, твёрдое тело представляет собой как бы гигантскую "молекулу", где каждый электрон принадлежит всему кристаллу в целом. Это в одинаковой степени справедливо и для диэлектриков, и для металлов. Причиной различного поведения электронов в металле и в диэлектрике является различный характер распределения электронов по уровням энергии [2]. Области энергий, которыми электрон может обладать (разрешённые зоны), чередуются с интервалами энергий, которые электрон не может принимать (запрещённые зоны). Для того чтобы в твёрдом теле под действием электрического поля возник электрический ток (направленное движение электронов), необходимо, чтобы часть электронов могла увеличивать свою энергию под действием поля, т. е. переходить с нижних энергетических уровней на более высокие [3] . Поверхностная проводимость в твердых диэлектриках, как правило, получается при осаждении на поверхность диэлектрика веществ с гораздо более низким удельным сопротивлением, чем у диэлектрика. Как пример: молекулы воды, выпадающие микроросой при переходе материала через точку росы. Если, в среде, окружающей диэлектрик находится пыль (химические и металлургические предприятия Вологодской области), то образуется поверхностный слой из материала с гораздо более низким удельным сопротивлением, чем у диэлектрика. Чаще всего, этот эффект приводит к высоковольтным пробоям в электроцепях, работающих под высоковольтным напряжением. 2.2.Влияние поверхностной проводимости твердых диэлектриков
на работу электрооборудования
Все твердые диэлектрики можно разделить на группы, используя разные принципы. Например, разделить на неорганические и органические материалы. - линейная и подстанционная изоляция - это фарфор, стекло и кремнийорганическая резина в подвесных изоляторах воздушных линий, фарфор в опорных и проходных изоляторах, стеклопластики в качестве несущих элементов, полиэтилен, бумага в высоковольтных вводах, бумага, полимеры в силовых кабелях; - изоляция электрических приборов - бумага, гетинакс, стеклотекстолит, полимеры, слюдяные материалы; - машин, аппаратов - бумага, картон, лаки, компаунды, полимеры; - конденсаторы разных видов- полимерные пленки, бумага, оксиды, нитриды [ 2]. . С практической точки зрения в каждом случае выбора материала электрической изоляции следует анализировать условия работы и выбирать материал изоляции в соответствии с комплексом требований. Твердые диэлектрики разделяют по условиям применения: нагревостойкая электрическая изоляция, влагостойкая электрическая изоляция, радиационно стойкая изоляция, тропикостойкая изоляция, морозостойкая изоляция. изоляция для работы в вакууме (космос, вакуумные приборы). Неорганические диэлектрики: стекла, слюда, керамика, неорганические пленки (окислы, нитриды, фториды), металлофосфаты, электроизоляционный бетон. Особенности неорганических диэлектриков - негорючи, как правило, свето-, - озоно, - термостойки, имеют сложную технологию изготовления. Старение на переменном напряжении практически отсутствует, склонны к старению на постоянном напряжении. Органические диэлектрики: полимеры, воски, лаки, резины, бумаги, лакоткани. Особенности органических диэлектриков - горючи (в основном), малостойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям, имеют (в основном) простую технологию изготовления, как правило, более дешевы по сравнению с неорганическими диэлектриками. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов.
3. Исследование влияние влажности на поверхностную электропроводимость твердых диэлектриков
Твердые диэлектрики, используемые в электроустановках в качестве изоляционных материалов, в большей или меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью поглощать влагу из окружающей среды. На поверхности диэлектрика водяные пары конденсируются в виде капель влаги или целых водяных пленок. Конденсация водяных паров на поверхности материала называется адсорбцией. Присутствие даже малых количеств воды значительно уменьшает сопротивление диэлектрика (увеличивает его электропроводность). Вода является сильно полярной жидкостью (ε = 88) с низким удельным сопротивлением порядка 103 - 104 Ом∙м [ 5]. Степень увлажнения диэлектрика зависит от его строения, структуры, степени очистки и обработки поверхности. Поэтому влияние влаги на поверхностную электропроводность определяется природой диэлектрика. Способность твердых электриков смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания β капли воды, нанесенной на их поверхность. Для смачиваемых поверхностной β<90о (рис..1а.), для несмачиваемых β>90° (рис. 1б ).
а) б)
Рисунок 1. Краевой угол смачивания на поверхности твердого диэлектрика
Чем меньше угол β, тем сильнее выражена смачиваемость диэлектрика. Молекулы полярных диэлектриков активно взаимодействуют с диполями воды (притягивают диполи). Это приводит к тому, что поверхность таких диэлектриков обильно смачивается водой, которая стремится занять как можно большую поверхность в виде сплошной пленки [ 5]. Особенно сильно влияние влаги на величину поверхностной электропроводности стекла. Бесщелочные кварцевые стекла обладают наивысшей среди стекол гидролитической стойкостью. На основе стекла (в виде тканей, нитей, лент) и полимерных связок из эпоксидных, кремнийорганических и других синтетических смол изготавливают композиционные диэлектрики-стеклопластики. Проникновение влаги в поры органических (дерево и др.) и неорганических (мрамор, фарфор и др.) пористых диэлектриков приводит к увеличению их электропроводности, в том числе и поверхностной. Решающим фактором, определяющим величину поверхностной электропроводности твердых диэлектриков, является относительная влажность окружающей среды. Особенно резко увеличиваются поверхностная электропроводность (уменьшается ρS) при значениях относительной влажности, превосходящих 70%.
Исследование влажностных свойств твердых диэлектриков проводятся в специальном стеклянном приборе с притертой крышкой-эксикаторе за счет налитой в него дистиллированной воды.
Рисунок 2. Принципиальная блок-схема электронного омметра Для измерения сопротивлений диэлектриков в данном эксперименте используется электронной омметр (терамметр). Принципиальная блок-схема прибора показана на рисунке 2. Измеряемое сопротивление Rx присоединяется к известному образцовому сопротивлению R0, образуя делитель, питаемый от источника стабилизированного напряжения U0 (ИСН). На выходе усилителя постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления (высоким входным сопротивлением и обратной связью) включен прибор магнитоэлектрической системы (И), измеряющий входное напряжение Uвых. Шкала этого магнитоэлектрического прибора (И) градуируется непосредственно в значениях измеряемого сопротивления.
Рисунок 3- Сравнение удельных поверхностных сопротивлений различных материалов
Образцы исследуемых диэлектриков подключаются к тераомметру с помощью трех электродов: верхнего с радиусом r1, нижнего и охранного кольца с внутренним радиусом r2. Охранное кольцо служит для разделения объемного (Iv) и поверхностного (IS) токов, протекающих по исследуемому твердому диэлектрику (Таблица 1). Таблица 1 Результаты исследования Образцы для исследования Удельное поверхностное
Сопротивление, ρS ,Ом Величина поверхностной электропроводимости Образец 1 (резина) 1014 1/1014 Образец 2 (дерево) в пределах от I017 до
I018 1/1017-1/1018 Образец 3 (оргстекло) при 20° С - I018 1/1018 4. Заключение. Социальная оценка исследования Несмотря на длительное изучение свойств жидкого кислорода различными методами, его структура все еще не до конца понятна. Из анализа проведенного теоретического исследования можно сделать вывод, что надежность работы оборудования, эксплуатируемого в условиях климата Вологодской области, зависит от электрических свойств жидкого кислорода и внешних факторов, а при определенном значении давления жидкий кислород из состояния диэлектрика переходит в состояние металла.
Гипотеза исследования: если учитывать электрические свойства жидкого кислорода, то область его применение в промышленности можно значительно расширить - подтверждена частично, так как выяснено, что удельное электрическое сопротивление жидкого кислорода зависит от давления.
Выводы:
1. При определенной температуре под действием жидкого кислорода материал теряет пластичность, ковкость , а под нагрузкой механическая сопротивляемость материала падает. На территории Вологодской области зафиксированы температуры в зимний период до - 48 градусов. При работе с жидким кислородом желательно применяют фтропласты, винипласты, специальные сорта резины из изопренового каучука.
2. Исследователями четко зафиксирован переход диэлектрик-металл в жидком кислороде. Эти результаты могут найти применение в исследованиях внутренней структуры планет- газовых гигантов. Условия, полученные в лаборатории, близки к существующим условиям в центре таких планет. 3. Российскими исследователями обнаружено достаточно сильное увеличение ширины линии от парамагнитных молекул кислорода при близкой к нулю концентрации кислорода в смеси кислород-азот. Были проведены особые квантово-химические расчеты по определению электронной и пространственной структуры возможных кластеров. (Кластер - объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определёнными свойствами).
4. На предприятиях Вологодской области кислород используют как окислитель. В металлургии - при выплавке чугуна и стали ( в доменном, кислородно-конвертерном и мартеновском производствах ), в процессах шахтной, взвешенной и конвертерной плавки цветных металлов; в прокатном производстве; при огневой зачистке металлов; в литейном производстве; при термитной сварке и резке металлов; в химической промышленности при производстве HNO3, H2SO4, метанола, ацетилена; формальдегида, оксидов, пероксидов и других веществ. 5. Список используемой литературы
1. Справочник по электротехническим материалам. С 72 В.3 т. Под ред. Ю.В. Корицкого и др. Т.1. Изд. 2-е, перераб. М., "Энергия", 1974.
2. Электроматериаловедение: Учеб. Для нач. проф. Образование: Учеб. Пособие для сред. Проф. образования/ Людмила Васильевна Журавлева - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2004-312с.
3. Электротехнические материалы: Справочник/ В.Б Березин, Н.С Прохоров, Г.А Рыков, Энергоатомиздат, 1983-504с.
4. Справочник по электротехническим материалам с 74 ном: В 3т.Т. 1/ Под ред. Ю.В. Корицкого и др. - 3-е изд., Перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1986.- 368с.
5.http://www.severstal.com/rus/businesses/international/north_american/dearborn/
6
Автор
profobrazovanie
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
198
Размер файла
138 Кб
Теги
сучкова
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа