Отличия жидкого состояния от газообразного и твердого.

Эти отличия связаны с образованием зарядов и их существованием.

В твердом диэлектрике: движутся электроны и дырки, ионы вморожены и практически неподвижны, количество электронов зависит от ширины запрещенной зоны и в обычном диэлектрике практически их нет. Количество ионов определяется количеством примесей. Выражение для тока:

Где -плотности электронов, дырок и ионов.

- подвижности электронов, дырок и ионов.

В газе: движутся электроны и ионы. Количество носителей заряда определяются в основном космическим излучением. Автоионизация затруднена, электронам нужно преодолеть барьер, равный энергии ионизации, после разделения заряды имеют возможность быстрой рекомбинации ввиду притягивания разноименно заряженных иона и электрона. В жидкостях: силы взаимодействия между зарядами ослабляются в ε раз, образующиеся заряды окружаются молекулами жидкости, они могут передвигаться. Таким образом, в жидкостях могут, как сосуществовать заряды, так и двигаться, что создает условие для повышенной проводимости по сравнению с газами и твердыми телами. С другой стороны жидкость достаточно легко очищать: от ионизирующихся примесей – перегонкой, кристаллизацией, диализом; от твердых частиц – фильтрацией; от газа – вакуумной обработкой. За счет этих средств и некоторых других, например, получены значения удельной проводимости См/м, что сравнимо с электропроводностью очищенных газов и лучших диэлектриков, вроде янтаря.

Основные характеристики

С электрофизической точки зрения наиболее важными характеристиками жидкостей, как диэлектриков являются три параметра: диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость является истинной характеристикой жидкостей и характеризуется дипольным моментом и поляризуемостью молекул. В качестве примера – у неполярного диэлектрика гексана дипольный момент отсутствует, поляризация имеет чисто электронный характер и, вследствие этого, диэлектрическая проницаемость мала ε < 2. Трансформаторное масло, являясь смесью веществ, имеет в своем составе небольшое количество полярных молекул, обладающих дипольным моментом. Поэтому ε возрастает до ~ 2,2 – 2,4. Касторовое масло имеет больше полярных молекул, следовательно, больше ε ~ 4,5. Этиловый спирт, глицерин, вода являются представителями полярных веществ, ε составляет 24, 40, 81 соответственно. Итак,

1.Трансформаторное масло (в зависимости от сорта масла) ε=2,2 –2,4

2. Касторовое масло ε=3,5–4,5

3.Этиловый спирт ε=24

4. Глицерин ε=40

5. Вода ε =81

Удельное электрическое сопротивление. Это характеристика жидкости и технологии ее приготовления и очистки. Основной механизм появления проводимости – наличие ионизирующихся примесей. Теоретически, если удалить все примеси, то мы должны получить проводимость (и удельное сопротивление) являющуюся свойством жидкости, присущим только этой жидкости. Это действительно достигается в случае полярных, самодиссоциирующихся жидкостей, например, воды. Для воды теоретический расчет электропроводности и практические результаты после вакуумной перегонки совпадают. Однако для большинства жидкостей это недостижимо. И приводимые в таблицах значения удельного сопротивления характеризуют в большей степени способы очистки, чем свойства материала. Основная примесь, дающая проводимость в жидкостях – это вода, основные способы улучшения удельного электрического сопротивления основаны на удалении воды. Кроме того, в жидкостях возникают т.н. двойные электрические слои.

Двойной электрический слой – образование в жидкости, на границе с другими телами (электроды, диэлектрики, несмешивающиеся жидкости), заряженных слоев с повышенной электропроводностью, причем поверхность раздела, и объем жидкости приобретают заряды разного знака. Образование двойных слоев актуально для технических жидких диэлектриков, например для транспорта по трубам горючих диэлектрических сред типа нефти, конденсата и т.д. Устранение двойных слоев может быть осуществлено только при тщательной очистке диэлектрических жидкостей от ионизирующихся примесей.

Очистка диэлектрических жидкостей, как уже говорилось, может осуществляться дистилляцией, в.т.ч. под вакуумом, частичной кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом. При этом, как правило, уменьшается электропроводность, диэлектрические потери, возрастает электрическая прочность. Основной примесью, дающей проводимость жидких диэлектриков, как мы знаем, является вода, а основными примесями, уменьшающими электрическую прочность являются микрочастицы, микропузырьки и вода. Поэтому в практике энергосистем для регенерации трансформаторного масла его фильтруют, обезгаживают вакуумированием, осушают с помощью пропускания через объем, заполненный адсорбентами (цеолитами, либо силикагелем).

Цеолиты – твердые вещества естественного или искусственного происхождения, обладающие большой удельной поверхностью за счет пор молекулярных размеров и возможностью адсорбции примесей в этих порах. Силикагель – пористый адсорбент для поглощения влаги и полярных примесей. Он обладает меньшей избирательностью по отношению к разным примесям и меньшей удельной поверхностью по сравнению с цеолитами.

Электропроводность жидкостей наиболее радикально (до 6 порядков величины по сравнению с данными из справочников) возрастает после применения нового способа очистки – электродиализа.

Электродиализ – способ удаления ионов из промежутка за счет пропускания постоянного тока при использовании ионообменных мембран, катионообменной (носители заряда – катионы) у катода и анионообменной (носители заряда – анионы) у анода. За счет различных способов очистки жидкостей в исследованиях удавалось получить электропроводность не выше электропроводности лучших твердых диэлектриков, а именно до См/м.

Электрическая прочность – также, как и электропроводность, в значительной степени является технологической характеристикой жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционного промежутка. На нее влияют не только те примеси, которые определяют электропроводность, но и форма и материал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков. Есть несколько наиболее общих и очевидных приемов увеличения электрической прочности: дегазация жидкости, пропускание через адсорбент, пропускание через фильтр с субмикронными размерами пор. Некоторые из этих способов используются в энергосистемах для осушки и регенерации масла.

Двадцать-тридцать лет назад велись споры, является ли электрическая прочность “истинной” характеристикой жидкости. Этот вопрос достаточно принципиален. Дело в том, что если измеренная электрическая прочность является истинной характеристикой, то практически бессмысленны попытки ее увеличения. Если электрическую прочность считать технологической характеристикой, следствием протекания определенных предпробивных процессов, то резонно, что воздействием на эти процессы можно управлять электрической прочностью.

Для примера рассмотрим эксперименты по пробою на постоянном напряжении замечательной диэлектрической жидкости – перфтортриэтиламина (С₂F₅)₃N. Первые измерения (без специальной очистки жидкости и электродов) дали значения электрической прочности Е_пр = 60–70 кВ/см, причем с ростом числа пробоев электрическая прочность слабо возрастала до 70–80 кВ/см. Если жидкость подвергнуть операциям дегазирования, обезвоживания и фильтрации, то можно получить 200–300 кВ/cм. После дополнительного проведения тренировочной серии в 20–30 маломощных разрядов электрическая прочность достигала 550–600 кВ/см.