P h y s I k u n d t e c h n I k d e r g e g e n w a r t abteilung fernmeldetechnik
ihrer Zahl als konstant anzusehen sind und in ihrer Bewegung in Gegen
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ihrer Zahl als konstant anzusehen sind und in ihrer Bewegung in Gegen richtung zur Feldstärke durch die m it steigender Temperatur m it immer größer werdender Geschwindigkeit sich bewegenden, an den A tom aufbau gebundenen Elektronen abgebremst werden. D ie infolge der elektrischen Feldstärke auftretende Bewegung freier Elektronen in Gegenrichtung der Feldstärke gibt sich nach außen kund durch die Wirkungen des Leitungsstromes. L e i t f ä h i g k e i t b e i n i c h t l e i t e n d e n S t o f f e n (Leitfähigkeit im Innern). Stoffe, deren Atom aufbau so beschaffen ist, daß freie E lek tronen nur in ganz unbedeutendem Maße vorhanden sind, leiten den elektrischen Strom praktisch nicht. Herrscht in solch einem nicht- leitenden Körper ein elektrisches Feld, so tritt fast keine freie E lek tronenbewegung ein, jedoch erleiden die Elektronenbahnen eine D e formation. Die wenigen im Nichtleiter vorhandenen freien Elektronen bzw. freien positiven Ionen wandern in Gegenrichtung bzw. in R ichtung der Feldstärke und bilden so den Isolationsstrom . D a der Mechanismus der Leitfähigkeit bei Isolatoren ähnlich ist dem bei elektrolytischen Flüssigkeiten, spricht man bei Isolatoren auch von elektrolytischer Leitfähigkeit. D ie elektrolytische Leitfähigkeit wächst — im Gegen satz zur M etalleitfähigkeit — m it steigender Temperatur, denn bei hohen Temperaturen findet sehr viel leichter eine Dissoziation, d. h. ein Losreißen von m it hoher Bewegungsenergie behafteten Ionen aus dem Atomgefüge und dam it das E ntstehen freier Ionen sta tt. D a sich ferner bei hohen Temperaturen in Isolatoren das sog. Kristallgitter lockert, haben die schon in vermehrter Zahl auftretenden freien E lek tronen und Ionen eine größere Bewegungsfreiheit zwischen dem A tom gefüge. Bei der elektrolytischen Leitfähigkeit findet im Gegensatz zur metallischen Leitfähigkeit eine Zersetzung des Stoffes sta tt. Die vom elektrischen Feld weggeführten freien Elektronen und Ionen werden nicht mehr durch neue ersetzt. Diese Stoffzersetzung geht bei fast allen Isolierstoffen bei normalen Temperaturen unmerklich langsam vor sich. Bei hohen Temperaturen indes ist sie nachweisbar. Bei einigen Glassorten wurde sie allerdings auch schon bei Zimmer temperatur nachgewiesen. L e itfä h ig k e it b e i M e ta lle n u n d I s o la to r e n 91 Für die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands q fester nichtleitender Stoffe gilt meist ein empirisches Gesetz von der Form: Q = eoe~ a T ’ wobei q 0 der spezifische Widerstand bei einer Bezugstemperatur, T der Temperaturunterschied zu dieser und cc der Temperaturkoeffi zient ist. Der spezifische Widerstand q fester nichtleitender Stoffe erweist sich auch als spannungsabhängig. Bis zu einer bestimmten maximalen Feldstärke (etwa 10® Voltcm- 1 ) gilt nach P o o le folgendes Erfah rungsgesetz : q = Qoe-PE, q ' o , ß sind Materialkonstanten, E (Voltcm-1 ) die Feldstärke. O b e r f l ä c h e n l e i t f ä h i g k e i t . Von der Elektronen- bzw. Ionen leitfähigkeit durch das Dielektrikum hindurch (Leitfähigkeit im In nern) ist die Oberflächenleitfähigkeit bei nichtleitenden Körpern zu unterscheiden. Infolge atmosphärischer Feuchtigkeitseinflüsse ist die Oberfläche von Nichtleitern sehr oft m it einer dünnen Schicht von höherer Leitfähigkeit überzogen. Man spricht dann von hygro skopischen Werkstoffen. Z. B. hat bei Glas und keramischen Mate rialien die sogenannte Wasserhautbildung auf der Oberfläche große Bedeutung. Der Leitwert dieser Wasserhaut ist verhältnismäßig hoch. Bei vielen Stoffen ist also der Leitwert und damit zusammen hängend auch der dielektrische Verlustfaktor eindeutig nur angeb- bar für einen bestimmten Feuchtigkeitsgehalt des den Prüfling um gebenden Raums. In den Leitsätzen für die Bestimmung elektrischer Eigenschaften von festen Isolierstoffen VDE 0303 ist daher eine Vorbehandlung durch Einwirken von Feuchtigkeit vorgeschrieben. Es kommt Lage rung des zu messenden Isolierstoffes in Räumen von 65°/0 oder 85% relativer Feuchtigkeit sowie Lagerung in Wasser in Frage. Die Lage rungsdauer beträgt 1, 4, 7 oder Vielfache von 7 Tagen. Der Ober flächenwiderstand wird normalerweise gemessen bei 1000 Volt Gleich spannung zwischen schneidenförmigen Elektroden von 10 cm Länge und 1 cm Abstand m ittels Galvanometer 1 Minute nach dem Anlegen der Spannung Der Oberflächenwiderstand wird nach VDE 0302 in Vergleichszahlen angegeben. In untenstehender Tabelle sind die den nach obiger Vorschrift ermittelten Isolations widerständen entspre chenden Vergleichszahlen angegeben. 92 K a p . 1. A llg em ein es Vergleichszahl Oberflächenwiderstand nach VDE 0303 nach V D E 0302 0 < IO-2 MOhm 1 10“ 2 . . . 1 MOhm 2 1 . . . 102 MOhm 3 102 . . . 104 MOhm 4 104 . . . 106 MOhm 5 > 106 MOhm Durchschlag bei festen Isolierstoffen Unter Durchschlagsfestigkeit (Volt ein"1) wird die auf 1 cm Schichtdicke bezogene Durchschlagsspannung verstanden. Durchschlagsspannung in Volt Durchschlagsfestigkeit = Schichtdicke in cm Es gelten für den Durchschlag die empirisch gefundenen G esetze: Die Durchschlagsfestigkeit ist bei geringen Schichtdicken konstant, bei erheblichen Schichtdicken fällt sie m it wachsender Schichtdicke. Die Durchschlagsfestigkeit fällt m it der Temperatur. Zur Erklärung des Durchschlags gibt es zwei Theorien, die Theorie des r e i n - e l e k t r i s c h e n D u r c h s c h la g s und die Theorie des t h e r m is c h e n D u r c h s c h la g s . R e in e l e k t r i s c h e r D u r c h s c h la g Maßgeblich für das Eintreten eines Durchschlags ist lediglich die im Dielektrikum herrschende Feldstärke. Bei einer bestimmten maximalen Feldstärke, der Durchbruchsfeldstärke, tritt infolge der Einwirkung der elektrischen K räfte auf den inneren Atom aufbau Zer störung des Isolierstoffes ein. Die Abnahme der Durchschlagsfestig keit bei erheblicher Schichtdicke m it der Schichtdicke ist darauf zu rückzuführen, daß die durch Stromleitung und dielektrische Verluste im Dielektrikum erzeugte Verlustwärme bei dicken Schichten schlechter abgeführt wird als bei dünnen Schichten, im Innern der dicken Schicht also eine Erwärmung des Dielektrikums und somit infolge der Tem pe raturabhängigkeit der Durchschlagsfestigkeit ein Sinken derselben stattfindet. T h e r m is c h e r D u r c h s c h la g Durch den infolge des endlichen W iderstandes des Dielektrikums fließenden Strom oder durch die bei W echselstrom vorhandenen dielektrischen Verluste wird Wärme erzeugt. Ist nun die durch Strah lung und Leitung abgeführte Wärme kleiner als die bei einer bestim m ten Spannung erzeugte Wärme, so findet eine Temperaturerhöhung des Isolierstoffes statt. Mit steigender Temperatur sinkt aber der W ider stand und steigt somit der Strom, was wiederum eine zusätzliche E r D ie le k trisc h e V e rlu s te 93 wärmung, d. h. Temperaturerhöhung bedeutet. Es findet also bei einer bestimmten Spannung (Durchschlagsspannung) eine andauernde Temperaturerhöhung (labiler Zustand) bis zur Schmelz- bzw. Zer setzungstemperatur des Werkstoffes statt. F r e q u e n z a b h ä n g ig k e it d e s D u r c h s c h la g s D a die in einem Dielektrikum bei Wechselspannungsbelastung er zeugte dielektrische Verlustwärme im allgemeinen mit der Frequenz steigt, fällt wegen des ungünstigen Einflusses erhöhter Temperatur auch die Durchschlagsfestigkeit derselben hei festen Stoffen mit der Frequenz. Dielektrische Verluste Die dielektrischen Verluste bewirken beim Wechselstromdurch gang durch einen Isolator eine Erwärmung desselben. Eine allgemein gültige Erklärung für die dielektrischen Verluste gibt es bis heute noch nicht. Wie bereits erwähnt (siehe Seite 49) bestehen drei ver schiedene Theorien. Nach der W a g n e r sehen Theorie (dielektrische Nachwirkungstheorie) wird der verlustbehaftete Werkstoff als ge schichtetes Dielektrikum aufgefaßt. Die einzelnen Stoffteilchen haben verschiedene Leitfähigkeiten und Dielektrizitätskonstanten. Ist nun das Verhältnis der Leitfähigkeiten der einzelnen Schichten gleich dem Verhältnis der entsprechenden Dielektrizitätskonstanten, so ist nach dieser Theorie der Werkstoff frei von dielektrischen Verlusten. Dieser theoretische Fall dürfte indes praktisch kaum Vorkommen. Aus dem Gesagten folgt aber, daß der Verlustfaktor homogener Stoffe kleiner ist als der inhomogener, was die Erfahrung bestätigt. Das Verhältnis der Leitfähigkeiten und der Dielektrizitätskonstanten ist unter Um ständen bei inhomogenen Stoffen recht verschieden. In diesem Fall macht sich dann die elektrische Nachwirkung bemerkbar, d. h. der Strom, der in den einzelnen verschiedenen Werkstoffteilchen fließt, ist zunächst nicht der gleiche, es sammeln sich infolgedessen an den T r e n n f l ä c h e n Ladungen an, die sich allmählich ausgleichen. Bei einem Wechselfeld gibt sich diese Erscheinung dadurch kund, daß der Strom der Spannung nicht mehr um volle 90° vor eilt, wie im Falle des verlustlosen Kondensators, sondern nur um den Winkel 90° — ö, wobei 6 der Verlustwinkel genannt wird. Das bedeutet die Entstehung einer Wirkleistung und somit Erwärmung des Dielektri kums. Die D e b y e sc h e Theorie geht von der Vorstellung aus, daß der Isolator aus polaren Molekeln besteht, die bei Anlegen eines Wechselfeldes wegen ihrer Polarität unter Reibungserscheinungen und somit Wärmeerzeugung im Sinne des angelegten Wechselfeldes ihre Orientierung ändern. Die B ö n in g sc h e Theorie hat kolloidphysikalische Grundlagen und steht etwa zwischen den beiden anderen Theorien. 94 K a p . 2. E le k tris c h e s V e r h a lte n d e r L u f t Betrachtet m an das gesam te technisch in Frage kommende Fre quenzgebiet, so ist bei den m eisten W erkstoffen eine Frequenzabhängig keit des Verlustfaktors festzustellen. Im eigentlichen Hochfrequenz gebiet ist der Verlustfaktor der m eisten Stoffe indes ziemlich frequenz- unabhängig. Für die Frequenzabhängigkeit der Verlustwärme eines K onden sators gelten folgende Überlegungen. Der Verlustfaktor des Konden sators sei in dem betrachteten Frequenzbereich in folgender W eise frequenzabhängig: tg Ö = R a ■ (o ■ C = f t (tu). C sei die frequenzunabhängige K apazität. Der Ersatzreihenwider stand ist dann in folgender Weise frequenzabhängig: = const {p}) . D ie im Kondensator bei konstanter Spannung U erzeugte Verlust wärme ist: N = I 2R a = U 2a>2C 2B a N = const • (o • f t ( w ) . W enn nun / ( oj ) im Vergleich zu const • o> wenig von der Frequenz abhängt, so gilt näherungsweise: N = const • co . Das gilt für die m eisten Dielektriken m it guter Annäherung im ge sam ten Hoehfrequenzgebiet. K a p i t e l 2 Elektrisches V erhalten der L uft (G ase) Luft ist ein Gemisch von Gasen (75 Gew. % Stickstoff, 23 Gew. % Sauerstoff und geringen Mengen anderer Gase wie K ohlendioxyd, Helium , Xeon, Ozon usw.). Eine wichtige B olle spielt der in der Luft enthaltene Wasserdampf m it etwa 0,8 Gew.%. S p e z if is c h e r W id e r s t a n d . In normaler Luft bei Atmosphären druck befinden sich sehr wenig, näm hch nur etwa 600 positive und negative Ionen im Kubikzentimeter. D a nun die Geschwindigkeit der Ionen nur etwa 1 cm sec-1 je Volt cm-1 beträgt, ergibt sich ein äußerst hoher spezifischer W iderstand (etwa 5 • 1015 Ohm cm) für W echsel strom. Der Ionenverbrauch ist hei W echselstromleitung geringfügig. Anders sind die Verhältnisse bei Gleichstrom, wo eine Leitfähigkeit bzw. ein spezifischer W iderstand nicht ohne weiters definiert werden kann. W enn m an von dem F all des Eintretens von Stoßionisation— also dem Fall sich rapid steigernder Ionenvermehrung — absieht, kann der Kan. 2- S5 T ^ ee-.ee - -y=r Łr »5 S r o m E t ł i gr>: Ser s e n . a_s der Za- ~ ner ;a .¿er Searmde ennm ebenin. Ic-oen ciiłh p ii ht_ Pdese im a n ie m gering 1 .'1*3 sec -1 c m '! . Be: L ~ em m ien sfer. r a m dem rnnV~ - — bei śdemen GłacŁsrazmEngHi der Strom raen dem OŁmscnen Gesezz n n e n . red nor-emn G ie iił- miannnngrn em ansgespme-nener S i n i g n s n c n . Zr betrign bei ptanpM iTdH i PAneT.eiemroden im A t e a n d t w . 1 e n 3 b> - lC rB Arnp o n _ i naen G iiiiz n e r s e h n iz e . D i e i e k r r i r d i i n s k o i i s r a n i e . Dfie TreAkm y ń anAermArne tozl L e n n r d G ¿sen i s : t n Vnsrrnm m g m n b sr min ffir : a d n s n r B em ennnngęn n ; _ r ; ~— e n nnsm-dinen-der G—m m r m n den W e n 1. Ine g e n ¿ m W e n e sdrd m fcig e o d e r TaiwDe angegeden: p The eg j r ~ b ei C* C gr. l 76*1 — H g-Sśji!e L t ś ____________________________ 1,(*X '594 H j s s m ______________________ LC«>j "«3 93 W a s e s o S ........................................... LC*i«026&7 S s c k s s o S ............................................... L(«X> 5524 D i Tgri rT«■ r snedgr min - i m D m zk. Diese Sneise- m n g im dndes neehmser belangdce. 5*:» Lar z. B . Lzdr bei edren Dmnk von 5>j ar nnr edne and 1.0475 ernoLne T>eie t—- y - r - A m —am e D i e l e k n r i s e h e T e r l u s i e . D er Y e d s ^ ó k i a r t i r Lcdz » i d a ń r - g m G sse im rr.v>: mrdse r u n d prakrdseń V ~ D ie beim Lrdr- h —li n «¡iiw gem essenen serr klednen ^'erdnsndnmecren m nz IrfigiSeh. and V eń n m e dn ce n m a B o d f i d e t Is*: ..erm ń iken bz - . and O L m sebe Y e d o sse in den Z n lB ia n g u i zrmrekzrdrLrem D n z e b s e L d a g s f e s t ig k e it . D i Dn-m y - l a g ^ es-rgke— i r Lndn nimmn mdr ^a-mser-der Lnrnsemcńnmeke ab. Abb. 96 zeim die D nrm - - .m z z ir z r s r—-en AB®. K . D it ais Tn -y —>n des Jn.-eknm»jnat 96 K a p . 2. E le k tris c h e s V e r h a lte n d e r L u f t Die Form der Elektroden beeinflußt in starkem Maße die Durch schlagsfestigkeit, außerdem spielt die Dauer der Beanspruchung eine erhebliche R olle. Aus diesen Gründen lassen sich allgem ein gültige Festigkeitszahlen nicht angeben. Die S p a n n u n g , bei der Funkendurchschlag (Stoßionisation) zw i schen zwei Elektroden einsetzt, wird Funkenspannung genannt. Nach dem Gesetz von P a s c h e n ist sie nur von dem Produkt „Elektrodenabstand a (mm) m al Druck p (mm H g-Säule)“ abhängig. Abb. 97 und Abb. 98 zeigen für ebene Elektroden die Funkenspannung von Luft als Funktion des Produkts p ■ a. Die minimale Funkenspannung hegt bei 320 Volt, w o bei p • a — 5 m m • m m ist. Bei einem normalen Luftdruck von p = 760 mm ergibt sich daraus v 1900 1000 1700 1600 1500 1000 1300 .v. 1200 §1700 \1000 I 900 0 / 2 3 0 5 6 7 s 9 10 7172 13 79 75 16 77 7379202122232025362728293037 p ■ a, —*-mm A b b . 97. F u n k e n sp a n iiu iig v e rsch ied en er G ase in A b h ä n g ig k e it v o m P r o d u k t D r u c k m a l E le k tr o d e n a b sta n d fü r e b en e E le k tr o d e n (P a sch en sch es G esetz) (n a ch S c h u m a n n ). ein kritischer Elektrodenabstand ak = 5/760 = 0,0066 mm. D ie Durchschlagsfestigkeit beträgt dementsprechend etwa 500 kV cm- 1 . Ionisation der L uft, d. h. zunächst nur erhöhte L eit fähigkeit, kann schon bei Feldstärken von 10000 bis 30000 Volt cm-1 eintreten. Sie wird insbesondere begün stigt durch Anwesenheit von W asserdampf. D as ist z. B. der Fall, wenn in einem Di- ■p ar— mm mm elektrikum m it Lufteinschlüs- A b b . 98. F n n k e n sp a n n u n g v o n L u ft in A b h ä n g ig - infolge J o u le sc h e r Wär- k e it v o m P r o d u k t D ru ck m a l E le k tr o d e n a b sta n d me die Feuchtigkeit des Stof- fü r e b en e E le k tr o d e n (P a sch en sch es G esetz) (n ach <• T r . ttt t , , . S ch u m a n n ). fes verdampft. W enn L uft in folge Ionisation dissoziiert, entstehen Ozon und sehr aktive Sauerstoff- und Stickstoffverbin dungen. Lufteinschlüsse in Isolierstoffen sind wegen der zerstören K a p . 3. Iso lie re n d e F lü s sig k e ite n 97 den Wirkung dieser Verbindungen daher sehr gefährlich für die Dauerf estigkeit. Verunreinigungen der Luft durch Staub verschlechtern die dielektri schen Eigenschaften erheblich. Unter der Einwirkung elektrostatischer Kräfte ordnen sich die Staubteilchen u. U. zu einer Brücke zwischen den Elektroden, die infolge der Kondensation des in der Luft befind lichen Wasserdampfes um diese Teilchen eine leitende, wenn auch hochohmige, Verbindung zwischen den Elektroden darstellt. Staub teilchen können infolge von Spitzenwirkung in starken Feldern die Ionisation be schleunigen. L u f t f e u c h t i g k e i t . Da die Luftfeuchtigkeit hinsicht lich der elektrischen Eigen schaften der Isolierstoffe eine große Bolle spielt (Oberflä chenwiderstand, Verlustwin kel), soll hier kurz .folgendes ihrer Definition gesagt ßpez. Gew. der Lösungr A bb. 99. R e la tiv e L u ftfe u c h tig k eit über einer C hlorkalzium lösung in A b h ä n g ig k eit v o n ihrem sp ezifisch en G ew icht (n ach M oench). zur werden. Unter absoluter Luft feuchtigkeit wird die in 1 m3 enthaltene Wasser menge in Download 104 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: |
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