Электрлік өнімдер мен конструкциялар өндірісіндегі электрлі оқшауламалық материалдардың маңызы

Диэлектрлік материалдар электр техникада алатын орны маң ызды. Оларғ а электрлік оқ шауламаны дайындау ү шін қ олданылатын электр оқ шауламалық материалдар жатады. Электрлік оқ шаулама электр қ ұ рылғ ыларының токө ткізгіш бө лігін қ оршап тұ рады жә не ә р тү рлі электрлік потенциалдардың астында тұ рғ ан бө ліктерді бір бірінен оқ шаулап тұ рады.

Электрлік оқ шаулама электр тогының электр сұ лбасында кө рсетілген қ ұ рылғ ылардан басқ а жолдармен жү руін болдырмау ү шін қ ызмет атқ арады. Ешқ андай да қ ұ рылғ ы электр оқ шауламалық материалды пайдаланбай жасалынбайды, яғ ни ә рбір электр қ ұ рылғ ысының, тіпті қ арапайым электр қ ұ рылғ ысының да оқ шауламасы болады.

Электр оқ шауламалық материалдар конденсатор сыйымдылығ ының белгілі бір мә нін алуғ а арналғ ан электр конденсаторларында диэлектриктер ретінде пайдаланылады, кейбір жағ дайда осы сыйымдылық тың температурадан немесе басқ а факторлардан белгілі бір тә уелділігін жабдық тау ү шін де қ олданылады.

Диэлектрлік материалдарғ а активті диэлектриктер, яғ ни басқ арылмалы қ асиеттері бар диэлектриктер, сегнетоэлектриктер, пьезоэлектриктер, электреттер жатады.

Электр оқ шауламалық материалдарды ә р тү рлі жағ дайларғ а қ олдану кезінде, оларғ а ә р тү рлі талаптар қ ойылады. Электрлік қ асиеттерінен басқ а, электр оқ шауламалық материалдардың механикалық, жылулық жә не физика-химиялық қ асиеттерінің де маң ызы ө те ү лкен, яғ ни олардан қ ажетті бұ йымды алу (жасау) кезінде материалдардың ө ң деу тү рлеріне ұ шырау қ абілеттілігі болады.

Электр оқ шауламалық материалдар ө зінің агрегатты кү йі бойынша газ тә різді, сұ йық жә не қ атты болып бө лінеді. Ерекше топқ а бастапқ ыда оқ шауламағ а оларды кіргізу кезінде сұ йық кү йінде болатын, содан соң жайлап қ ататын, пайдалану кезінде қ аттығ а айналатын денелер (мысалы, лактар мен компаундар).

Ү лкен практикалық маң ызы бар электр оқ шауламалық материалдарды олардың химиялық қ ұ рамына байланысты органикалық жә не органикалық емес материалдар деп бө леді.

Органикалық заттар деп кө мір қ ышқ ылының қ осылыстарын айтады. Ә детте олардың қ ұ рамында сутегі, ауа, азот, галогендер немесе басқ а элементтер болады. Қ алғ ан заттар органикалық емес болып саналады. Олардың кө бісінің қ ұ рамында кремний, алюминий (жә не т.б. металлдар), ауа жә не т.с.с. болады.

Кө птеген органикалық электр оқ шауламалық материалдар механикалық қ асиеттерімен, иілгіштігімен, икемділігімен ерекшеленеді, олардан талшық тар, қ абық шалар, жә не ә р тү рлі формалы басқ а да бұ йымдарды жасауғ а болады. Сондық тан да бұ л кең қ олдау тапқ ан. Алайда органикалық электр оқ шауламалық материалдардың фторлондар мен полимидтерден басқ а кө пшілігінің жылуғ а тө зімділігі тө мен болады.

Органикалық емес электр оқ шауламалық материалдардың кө птеген жағ дайда иілгіштігі мен икемділігі жоқ болады, ө здері кө бінде ө те нә зік, олардың ө ң деу технологиясы да кү рделі болып келеді. Соғ ан қ арамастан бұ л материалдардың органикалық материалдарғ а қ арағ анда жылуғ а тө зімділігі жоғ ары болады, сондық тан оқ шауламаның жоғ ары жұ мыстық температурасын жабдық тау кезінде оларғ а деген сұ раныс жоғ ары.

Сонымен қ атар органикалық жә не органикалық емес материалдардың қ асиеттерінің аралығ ында (арасында) жататын қ асиеттері бар материалдар да кездеседі: бұ л элемент - органикалық материалдар, яғ ни молекуласының қ ұ рамына кө мір қ ышық ылының атомдарынан басқ а, тағ ы да басқ а органикалық материалдардың қ ұ рамына кірмейтін басқ а элементтердің атомдары кіретін жә не органикалық емес материалдар (Si, Al, P жә не т.б.) ү шін маң ызды материалдар.

Практикада жиі электрлік оқ шауламаның ұ зартылғ ан рұ қ сат етілген жұ мыстық температурасының мә ні маң ызды роль атқ арады, электр оқ шауламалық материалдар мен олардың комбинациясын (электрлік машиналардың, аппараттардың электр оқ шауламалық жү йелерін) жиі жылуғ а тө зімділіктің сол немесе басқ а кластарына жатқ ызады.

Диэлектриктердің электрлік оқ шауламалық, механикалық, жылулық, дымқ ылдану жә не тағ ы басқ а қ асиеттері материалдарды алу жә не ө ң деу технологиясына, қ осапалардың болуына, сынақ тау шарттарына жә не т.б. байланысты ө згеріп отыратынын ескеру қ ажет. Сондық тан да кө птеген жағ дайда жоғ арыда келтірілген материалдардың параметрлерінің сандық мә ндерін тек болжамдап қ арастыру керек.

Терминология жә не анық тамалар. Оқ шауламаның электрлік тесілуі деп кернеудің сынақ тық мә ніне жоғ арылауы кезінде оқ шауламаның оқ шауламалық қ асиеттерінің жоғ алу қ ұ былысын айтады. Кернеудің бұ л мә нін оқ шауламаның тескіш кернеуі U_тес деп атайды.

Диэлектриктің электрлік тесілуі деп электр ө рісінің кернеулігінің сынақ тық мә ніне жоғ арылауы кезінде оқ шауламалық қ асиеттердің диэлектриктермен жоғ алу қ ұ былысын айтады.

Диэлектриктің электрлік беріктілігі Е_берік деп тесілу алдында электродтардың арасындағ ы аралық та электрлік ө рістің кернеулігінің орташа мә нін айтады. Ө йткені ө лшеу жә не бағ алау жең іл болатындық тан осы шаманы алады:

 

, (2.1)

 

мұ ндағ ы S - электродтардың арасындағ ы қ ашық тық.

 

Диэлектриктің атомдары мен молекулалары зарядталғ ан бө лшектермен ө зара ө те кү шті байланысуымен сипатталады, қ арапайым кү йінде барлық зарядталғ ан бө лшектер байланыста болады да, бірін бірі ө зара жойып отырады жә не зарядталғ ан бө лшектердің электродтардың арасындағ ы қ ашық тық пен салыстырылатын қ ашық тық қ а орын ауыстыруы болмайды. Тесілу кезінде электр ө рісінің кү штерінің ә серінен электр тогын туындатып, бағ ытты орын ауыстыратын зарядталғ ан бө лшектердің босатылуы болады.

Соның ішінде ең кө п зерттелгені газдық аралық тың тесілуі жатады. Сұ йық жә не қ атты диэлектриктердің тесілу механизмі алуан тү рлі жә не ө те кү рделі болып келеді. Ә йткенмен электр қ ондырғ ыларда газдық (ауалық) оқ шаулама негізгі болып саналады жә не де ү лкен кернеулігі болатын электр ө рістерінде оны зерттеудің де маң ызы зор.

Газдық аралық тың электрлік беріктілігі электродтардың арасындағ ы қ ашық тық тардан, сондай-ақ газдың қ ысымынан жә не температурасынан тә уелді болады. Электродтардың пішінінің (формасының) оқ шауланғ ан аралық тың электрлік беріктілігіне (тек қ ана газдық аралық қ а емес, барлығ ына да) кү шті ә сері болады. Сонымен қ атар электрлік беріктілік кү рделі жағ дайда кернеудің ө су жылдамдығ ынан да тә уелді болады. Бұ л жағ дайда берілетін кернеудің ұ зақ тылығ ынан оқ шауланғ ан аралық тың тесілу мү мкіндігі болатыны анық талады.

Электродтардың пішінінен тә уелді болатын электр ө рісінің біртектілік дә режесі бойынша оқ шауланғ ан аралық екі тү рге бө лінеді:

- біртекті жә не ә лсіз біртекті емес (Ә БЕ) электр ө рісі болатын оқ шауланғ ан аралық тар;

- кү рт біртекті емес (КБЕ) электр ө рісі болатын оқ шауланғ ан аралық тар.

Ө рістің біртектілік дә режесінің сандық (мө лшерлік) сипаттамасына біртектілік емес коэффициенті жатады , ол оқ шауланғ ан аралық та электр ө рісінің кернеулігінің максималды мә нінің осы электр ө рісінің кернеулігінің орташа мә ніне қ атынасымен анық талады.

Ә лсіз біртекті емес (Ә БЕ) электр ө рісі болатын оқ шауланғ ан аралық тарғ а болатын аралық тар жатады; бұ л кең істік (шеттері доғ алданғ ан кең істік) тә різді электродты аралық тар немесе шар тә різді (егер де шарлардың радиустері олардың беттік қ абаттарының арасындағ ы қ ашық тық тан кө п есе ү лкен болса) электродты аралық тар.

Кү рт біртекті емес (КБЕ) электр ө рісі болатын оқ шауланғ ан аралық тарғ а болатын аралық тарды жатқ ызады. Айқ ындалғ ан бұ ндай типті оқ шауланғ ан аралық тарғ а стержень–кең істік электродты аралық тар жатады.

Диэлектрлік шығ ындар жә не шығ ынның бұ рышы. Кез келген оқ шаулама кернеу берілгенде қ ызады. Қ ызу себебі оқ шаулама арқ ылы ағ атын ө тпелі токтар, поляризацияның баяулағ ан тү ріне байланысты қ ызуы, қ атты оқ шауламаларда газдық қ осылыстардың иондалуы жә не оқ шаулама қ ұ рылымының біртекті еместігі жатады. Диэлектрлік шығ ындар деп оғ ан берілген кернеудің ә серінен қ ыздырылғ ан оқ шауламаның қ уатын айтады. Диэлектрлік шығ ындар айнымалы кернеуде дә л осындай шамада тұ рақ ты кернеудегі шығ ындарғ а қ арағ анда едә уір ү лкен болады. Себебі айнымалы кернеудің ә рекеттік мә ні ү лкен болады, жә не айнымалы кернеуде иондалу басталардың алдында поляризациялық шығ ындардың болуы ү лкен рө л атқ арады.

Диэлектрлік шығ ынның бұ рышы деп оқ шауламадағ ы кернеу мен оқ шаулама арқ ылы ө тетін токтың арасындағ ы фазалық ығ ысу бұ рышын дейін толық тыратын бұ рышты айтады. оқ шауламаның қ ызуының активті қ уаты мен оқ шауламадағ ы реактивті сыйымдылық ты қ уаттың арасындағ ы қ атынасты кө рсетеді. Диэлектрлік шығ ынның бұ рышының ұ ғ ымы тек синусоидалы кернеу мен токта қ олданылады.

Реалды конденсатордың сыйымдылығ ының немесе оқ шауламаның ұ ғ ымын анық тау ү шін алмастыру сұ лбасы қ олданылады. Тізбектей жә не параллель сыйымдылық ты жә не резистивті элементтерден тұ ратын алмастыру схемасының екі қ арапайым тү рі жиі қ олданылады. Сыйымдылық тың шамасы тек диэлектрлік шығ ын аз болғ анда алмастыру сұ лбасын таң даудан тә уелді болмайды.

Оқ шауламалардың тесілу механизмдері. Диэлектрикте бос электрондардың аз шоғ ырлануы азғ антай кернеуде оқ шауламада ө те аз ө тпелі токтарды болдырады. Тесілу кезінде еркін зарядталғ ан бө лшектердің шоғ ырлануы кү рт ө седі. Бұ л жоғ арылау физикалық механизмдердің келесі топтарымен тү сіндіріледі:

1. Жоғ ары жылдамдық пен қ озғ алатын бө лшектері бар бейтарап атомның немесе молекуланың (бұ л электрон болуы мү мкін) соғ ылуы кезінде бос электрон мен оң ионды қ ұ райтын электронның бейтарап атомнан немесе молекуладан бө лініп шығ уы мү мкін. Бұ л эффект екпінді иондалу деп аталады. Жә не бұ л иондалғ ан бө лшектің кинетикалық энергиясы электрон ажырауы ү шін қ ажетті энергиядан (иондалу энергиясынан) асқ анда болатын қ ұ былыс, . Бұ ндай ү рдісте бос зарядтардың шоғ ырлануы жоғ арылайды да, осының ә серінен электрлік ток ө седі. Заряд тасымалдаушылардың саны электродтағ ы бө лшектердің тасымалдануынан ғ ана емес, сонымен қ атар рекомбинация қ ұ былысының ә серінен қ арсы таң балы зарядты ион бө лшектерінің бейтарапталуынан да тө мендейді.

2. Газ кө леміндегі фотоиондалу ультрафиалет сә улелі, рентген жә не гамма сә улелі қ атаң электр магнитті сә улелендіру ә сері болғ ан кезде орынды. Фотоиондалу электр магнитті сә улеленудің квантты энергиясы иондалу энергиясынан кө п болғ анда болады, , Планк тұ рақ тысы, - электр магнитті сә улеленудің жиілігі.

3. Диэлектриктерде ә деттегі температурада бө лшектердің жылулық екпінді соғ ылуы кезінде электрондардың ажырауы болмайды, себебі жылдам бө лшектердің ө зінде де, жылулық қ озғ алыстың энергиясы иондалу ү шін жеткіліксіз. Жылулық екпінді соғ ылу кезінде Цельсийдің мың градусында термиялық иондалуды байқ ауғ а болады.

4. Кейбір жағ дайларда электродтардың бетінде (катодта) электрондардың эмиссиясы болады. Бұ л жағ дайда электрондар диэлектриктердің тү біне ө теді. Эмиссияның тө рт тү рі болады:

- термоэлектрондық эмиссия - бұ л оны қ ыздыру кезінде катодтан электрондардың босап шығ уы; бұ ның термиялық иондалуғ а қ арағ анда аз градусты (бірнеше жү здеген) температурасы болады;

- фотоэлектронды эмиссия - бұ л катодты қ ысқ а толқ ынды электромагнитті сә улемен шағ ылыстыру (Столетов эффектісі) кезінде электрондардың босап шығ уы; кө птеген металлдар ү шін кө рінетін жарық пен шағ ылыстыру жеткілікті;

- автоэлектронды эмиссия - бұ л электр ө рісінің жоғ ары кернеулігінің (10⁵-10⁶ В/см) ә серінен металлдан электрондардың босап шығ уы;

- екінші реттік электронды эмиссия - бұ л катодты ауыр бө лшектермен (оң иондармен) ұ рғ ылау кезінде одан электрондардың босап шығ уы.

5. Сұ йық жә не қ атты диэлектриктердің тесілуі ә ртү рлі болуымен жә не кү рделілігімен айрық шаланады. Сұ йық диэлектриктерде жылулық иондалу ү рдістерінің маң ызы зор. Себебі сұ йық ты қ ыздыру газ тү йіршіктерінің пайда болуына ә келіп соқ тырады жә не онда иондалу ү рдісінің дамуын болдырады, ө йткені газдық диэлектриктердің электрлік беріктілігі едә уір аз болады. Сұ йық диэлектриктердің екінші маң ызды факторына, оларда электр ө рісінің кернеулігінің ө суін болдыратын басқ а қ оспалардың (қ атты қ оспа, дымқ ылдың жә не газ тү йіршіктерінің) болуы жатады.

6. Қ атты диэлектриктерде электрлік ө рістің ә серінен туындайтын электрлік (яғ ни екпінді иондалу) ү рдіспен де, жылулық ү рдіспен де тесілу болуы мү мкін. Қ атты диэлектриктерде электр химиялық ү рдістердің де маң ызы зор, яғ ни иондалғ ан химиялық активті бө лшектердің ә серінен қ атты диэлектриктердің бө лшектенеді.

Электрлік ү рдіс кезінде біртекті жә не біртекті емес қ ұ рылымды диэлектриктердің электрлік беріктілігінің айырмашылығ ы едә уір болады. Берілген электр ө рісінің ә серінен диэлектрикті қ ыздыру кезінде электр қ ызулық тесілу болады, ал қ атты диэлектриктердің бө лшектенуінде газды қ осылыстарының иондалу кезінде электр химиялық тесілу едә уір баяу дамиды.

Оқ шауламалардағ ы токтардың тү рлері жә не газдық аралық тың вольт-амперлік сипаттамасы. Электр қ ондырғ ыларының оқ шауламасы оқ шауланғ ан бө ліктердің арасынан электр тогының ө туін болдырмау қ ызметін атқ арады. Қ алыпты кү йде оқ шаулама арқ ылы токтың ү ш тү рі ағ уы мү мкін:

- айнымалы кернеу кезіндегі оқ шауламаның сыйымдылығ ынан тә уелді жә не шамасы бойынша ү лкен болатын сыйымдылық ты токтар; оқ шауламаның сыйымдылық ты токтарды ө ткізу қ абілеттілігі оқ шауламаның сыйымдылық ты шамасымен сипатталады;

- тұ рақ ты кернеуде де, айнымалы кернеуде де кездесетін абсорбциялық токтар (баяулатылғ ан поляризацияның ә ртү рлі тү рлеріндегі токтар); оқ шауламаның сипаттамасына (абсорбциялық токқ а қ атысты) диэлектрлік шығ ынның бұ рышы мен абсорбциялық коэффициенті жатады;

- тұ рақ ты кернеу кезінде шамасы бойынша ө те аз болатын, қ осылғ аннан соң ұ зақ уақ ыт ішінде ағ атын ө тпелі токтар; оқ шауламаның ө тпелі токты ө ткізу қ абілеттілігі оқ шауламаның кедергісінің шамасымен сипатталады.

Диэлектриктің молекулаларының қ ұ рамына жә не кристаллдық торына кіретін зарядталғ ан бө лшектер затта жеткілікті тү рде тығ ыз байланысады да, қ алыпты жағ дайда алыстап кете (жылжи) алмайды.

Сыртқ ы ионизатордың ә серінен пайда болатын зарядталғ ан еркін бө лшектердің азғ антай мө лшерімен тү сіндіріледі жә не де осы зарядталғ ан еркін бө лшектер бір электродтан екінші электродқ а оқ шаулама арқ ылы ө те алады.

Газдық оқ шауламалық аралық тарда аз кернеу болғ анда Ом заң ы орындалады (2.1-сурет, I аймақ). Кернеу жоғ арылағ ан сайын қ анығ у басталады. Бұ л жағ дайда сыртқ ы ионизатормен генерацияланатын барлық зарядталғ ан бө лшектер электродтарғ а жетеді жә не бұ л кезде кернеу ө скенде токтың ө суі болмайды (IІ аймақ), ө рістің кернеулігі 0.6 В/м болғ анда токтың тығ ыздығ ы 10^-15 А/м² жуық болады.

 

 

2.1-сурет. Газдық аралық тың вольт-амперлік сипаттамасы

 

Тек ү лкен кернеу болғ анда электр ө рісінің кернеулігі жоғ арылауынан пайда болатын иондалуды сыртқ ы ионизатордан тә уелсіз ететін, яғ ни оның дербестігін болдыратын электр тогы кү рт ө се бастайды (IІІ аймақ).