АВТОМАТИКА, ТЕЛЕМЕХАНІКА, ЗВ`ЯЗОК

ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ ТА ЕЛЕКТРИЧНІ МЕРЕЖІ
УДК 621. 38; 629.113
СУНЦОВ А.Н., к.ф.-м.н.(Дон. академия автомобильного тр-та)
О механизме поверхностного тока утечки в керамических изоляторах
Введение
Изоляторы обычно изготавливают из
оксида алюминия или хрома, спеченных
по керамической технологии. Широко используются керамики на железнодорожном транспорте. В некоторых случаях при
неблагоприятных погодных условиях может возникнуть на изоляторе коронный
разряд. Корона возникает в результате ионизации слоя воздуха вблизи провода. В
итоге этот ионизированный слой превращается в проводник тока при напряжении
немного превосходящим некоторую предельную величину, которая называется
критическим напряжением.
Бурное
развитие нанотехнологий в настоящее
время может привести к революционному
скачку в усовершенствовании качества
работы изоляторов.
слорода. Поэтому рассмотрим прежде некоторые закономерности образования молекул кислорода в воздухе. Поскольку
атомы и молекулы кислорода в принципе
могут находиться в нейтральном виде Ox,
-
ионизированном состояниях O- и O2 , то
рассмотрим некоторые сведения об этих
атомах и молекулах. Кислород находится
в воздухе преимущественно в виде молекул.
Известно, что энергия, которая выделяется при присоединении электрона к
атому, называется сродством к электрону
Ае. Обычно процесс присоединения электрона вначале экзотермичен (выделяется
теплота), но дальнейшее присоединение
происходит эндотермически [1]:
Ox + e-→ O- (Ae= - 144 кДж/моль);
O-+ e-→ O2- (Ae= + 780 кДж/моль;
O2x + e - ® O 2- ( Ae = -48кДж / моль )
Цель статьи
Рассмотрение нанофизических процессов, определяющих механизм поверхностного тока утечки в высоковольтных
керамических изоляторах, изготовленных
на основе оксида алюминия.
Основной раздел
В этой работе мы рассмотрим возможный механизм миграции зарядов по
поверхности изолятора на прямолинейном участке. Рассматривается нормальное
рабочее состояние изолятора, когда коронного разряда еще нет, а есть только
поверхностная утечка заряда.
Наши электрометрические измерения показывают, что по поверхности изолятора движутся отрицательные ионы ки-
Ионы O2- не могут существовать в
атмосфере и могут быть стабилизированы
окружающими атомами кристаллической
решетки в случае растворения кислорода
в кристалле. В последние годы уделяется
значительное внимание анализу процессов возбуждения метастабильных состояний атомов и молекул [1,2]. Образование
+
-
соединения 2O2 в виде (O2 )(O2 ) невозможно, потому что, энтальпия следующей реакции
+
-
2O2 = (O2 )(O2 )
составляет
+488 кДж/моль. Большая эндотермичность говорит о том, что если бы образовалось соединение этого вида, то оно тут
же бы превратилось в молекулярный кислород с выделением тепла. Соединение
O2- имеет следующую уточненную элект-
Збірник наукових праць ДонІЗТ. 2013 № 33
142
ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ ТА ЕЛЕКТРИЧНІ МЕРЕЖІ
ронную конфигурацию:
заряд
ионов (Al3+ и O2- ) и
факт расположения ионов алюминия в относительно просторных октаэдрических
пустотах по сравнению с тетраэдрическими пустотами несовсем плотной гексагональной упаковки ионов кислорода. В
плотной упаковке ионов кислорода имеются пустоты двух типов: тетраэдрические и октаэдрические. Подсчет числа таких пустот показывает, что на один анион
приходится одна октаэдрическая и две
тетраэдрические пустоты. Но катионы
алюминия располагаются в корунде только в октаэдрических пустотах и согласно
формуле Al2O3 на три иона кислорода
приходится два иона алюминия. Поэтому
катионы могут занимать лишь 2/3 октаэдрических пустот по определенной закономерности. Каждый ион кислорода находится в окружении четырех ионов металла, а каждый ион металла, находясь в
октаэдрической пустоте, окружен шестью
ионами O2-.
На рисунке 1 (справа) показано расположение октаэдрических узлов в корунде.
Такое расположение ионов является результатом баланса электрических сил
притяжения и отталкивания. Таким образом, при выводе
формулы для миграции ионов кислорода по поверхности изолятора не обходимо учитывать кристаллографические
особенности Al2O3 .
s 22 pp 24 pp 2*3p [1]. льшой
Монокристаллы для наших исследований
были выращены в Институте кристаллографии РАН (Россия). Параметры кристаллической решетки наших монокристаллов хорошо согласуются с литературными данными [3].
Для a - Al2O3 а =
4,7569 . 10-10 и с = 12,98157. 10-10 м. Тогда с/а = 2,730, что значительно превосходит теоретическое значение для плотной
гексагональной упаковки шаров 1,633(на
67%). Столь значительное различие расстояния между ионами у реального кристалла сказывается на величине отклонения отрицательных ионов кислорода и положительных ионов алюминия при поляризации кристалла под воздействием электрического поля от положений равновесия. Связанные заряды неподвижны и непосредственное участие в переносе зарядов по поверхности диэлектрика не принимают, но играют в механизме проводимости важную роль. Общая величина диэлектрической проницаемости a - Al2O3
по данным работ [1,2] при температуре
293К составляет 12,3. Наша оценка ионной составляющей поляризуемости корунда составляет 9,17 (74,5%). Очевидно,
что увеличение отношения параметров
кристаллической решетки с/а на 67% способствует возможности значительного
смещения ионов при поляризации кристалла. Но следует отметить, что этому же
явлению способствует достаточно
бо-
Рис. 1. Кристаллическая решетка
Збірник наукових праць ДонІЗТ. 2013 № 33
143
ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ ТА ЕЛЕКТРИЧНІ МЕРЕЖІ
Изоляторы, как правило, не являются
монокристаллическими. Они изготовлены
по керамической технологии из порошкообразного Al2O3 . Кристаллические частицы порошка расположены хаотически. Но
свойства хорошо поляризуемого диэлектрика проявляются и в нем. На наружной
поверхности изолятора при поляризации
появляются ионы алюминия в виде связанных зарядов. Отрицательные ионы кислорода «прилипая» к поверхности в уча-
стках появления положительных связанных зарядов находятся в потенциальных
энергетических ямах и под действием
электрического поля мигрируют вдоль
поверхности изолятора к положительному
электроду преодолевая энергетический
барьер, очевидно, прыжковым способом.
Для ионов преодоление преодоление
энергетического барьера туннельным способом маловероятно.
Рис.2. Притяжение молекулы кислорода к поверхности диэлектрика вследствии явления электростатической индукции.
Длинна молекулы L = 126 пм [1]. Это позволяет нам оценить ширину как 93,13
пм. При взаимодействии O2- со связанным
поверхностным зарядом Al3+ вблизи поляризованной поверхности диэлектрика
происходит поляризация молекулы. Она
поворачивается и как бы «прилипает» к
поверхности в точках максимальной концентрации положительного связанного
заряда
(вблизи Al3+.
Точки А, В,…).
Наиболее выгодное энергетической точки
зрения положение. Так прилипают, как
показывают опыты, к наэлектризованным
поверхностям мелкие частички из диэлектрика вследствии электростатической индукции. Длинна прыжка АВ может быть
оценена в поликристаллическом диэлектрике как среднее расстояние между ионами алюминия.
-
Рис.3. Зависимость потенциальной энергии молекулы O2 на поверхности Al2O3 вдоль
координаты Х в отсутствии поляризации
(а) и при поляризации
(в) изолятора.
Збірник наукових праць ДонІЗТ. 2013 № 33
144
ЕНЕРГОПОСТАЧАННЯ ТА ЕЛЕКТРИЧНІ МЕРЕЖІ
В отсутствии внешнего электрического поля вероятность перехода молеку-
O2-
лы
из положения А в аналогичное
положение В, очевидно, равно вероятности перехода ее в обратном направлении и
в целом поверхностный электрический
ток отсутствует.
Выводы
1. Рассмотрена физика и химия нанопроцессов на поверхности изолятора , приводящая к появлению поверхностного тока
утечки.
2. Отрицательные ионы кислорода, притягиваясь к поверхности в участках появления положительных связанных зарядов,
находятся в потенциальных энергетических ямах и под действием электрического поля мигрируют вдоль поверхности
изолятора к положительному электроду,
преодолевая
энергетический
барьер
прыжковым способом.
Список литературы
1. Хьюи Дж. Неорганическая химия .- М.:
Химия, 1987.- 696с.
2. Завілопуло А., Ремета Є., Снігурський. О., Шпеник О. Метастабільні
атоми і молекули.- Львів : Євросвіт,2001,- 436 с.
3. Гавриленко В.И. Оптические свойства
полупроводников /В.И.Гавриленко,
А.М.Грехов, В.Г. Литовченко. -Киев: Наук. думка,1987.-608с.
Аннотации:
Виконано аналiз експерементальних результатiв та
лiтературних
данихз
метою
дослiдження
нанопроцесiв, що пов’язанi з поверхнею
iзоляторiв.
___________________________________________
Выполнен анализ эксперементальных результатов
и литературныхданных с целью выяснения нанопроцессов, которые связаны с поверхностью изоляторов.
___________________________________________
There is the analysis of results and a literary data with
a research objective of the process connected with the
surface of insulators .
Збірник наукових праць ДонІЗТ. 2013 № 33
145