Зависимость электрической прочности кристаллогидратов от времени воздействия напряжения и кристаллографического направления Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 95 ИНСТИТУТА имени С. М КИРОВА 1958

ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ КРИСТАЛЛОГИДРАТОВ ОТ ВРЕМЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОГО

НАПРАВЛЕНИЯ

к. М. КЕВРОЛЕВА

(Представлено научным семинаром по диэлектрикам)

Исследование электрической прочности кристаллогидратов от времени воздействия напряжения представляет интерес не только с точки зрения выявления процесса пробоя и определения его закономерностей, но и из-за чисто структурных особенностей кристаллогидратов. Как следует из работ К- А. Водопьянова [1, 2] и его сотрудников [3, 4], молекулы кристаллизационной воды, ориентируясь под действием внешнего поля, обусловливают собой релаксационные потери в кристаллогидратах. В зависимости от степени закрепления молекул кристаллизационной воды обнаруживается то или иное количество максимумов диэлектрических потерь в температурно-частотной зависимости ^ о Величина максимума що определяется изменением структуры кристаллогидрата и концентрации диполей при дегидратации, вызванной условиями исследования.

На основании экспериментальных данных авторами вычислены энергия активации, время релаксации и частоты собственных колебании молекул кристаллизационной воды. По данным К. А. Водопьянова гь5] и М. П. Тонконогова [4] время релаксации диполей воды в решетке кристаллогидратов талька, медного купороса, гипса порядка 10 8 сек, частота собственных колебаний молекул кристаллизационной воды 108 сек~] энергия активации молекул кристаллизационной воды (0,6—1,62) эрг.

В результате исследования необходимо было выяснить, проявляет ли себя процесс максимальной ориентационной поляризации молекул кристаллизационной воды при разной скорости воздействия напряжения в сильных полях и как это скажется на величине электрической прочности исследуемых кристаллогидратов. Образцы из кристаллов сегнетовой соли, льда, талька онотского, прессованные образцы из полугидрата гипса подвергались воздействию одиночных импульсов различной длительности в условиях однородного поля (фиг. 1—4). Как следует из фиг. 1—4, значения пробивной напряженности имеют большой разброс, поэтому ставится вопрос о статистической обработке результатов измерений ¡^6, 7].

Наиболее близкими к истинному значению электрической прочности являются максимальные значения ЁГ]р, что соответствует 100% вероят-

Епр кВ/сг.;

3200

2800 о

3400 2000 £ ■ 8 °

1600 О О

1200 800 о о о

400

<Ъ <Р

-ООО «

^ о о

*°*УЙ I

л*»*

ЛГ

/0"

■ ■ '

10'

----

10'

/О*' Тсек = СЛ

посп\ первм ток тЬк

Фиг. 1. Зависимость электрической прочности сегнетовой соли от времени воздействия напряжения. Поле однородное. 1. — 18°С. Пробой по оси а-

Е 'гр кб/сп

2800 2400 2000 1600 1200 600 400

11' ■"! ■ < ■ ■ ■ ■ щ

10'

10'

10'- Ъсек =

пост.ток - перемлюк

Фиг. 2. Зависимость электрической прочности талька онотско-го от времени воздействия напряжения. Толщина образца 140±10%мкн. Поле однородное. 1=20°С.

Епр кВ/см

5000 (600 шо 600 моо

ю

'6

о о

| • г • Г

ю

-7

ю

ю'

10

Ю

гЗ

£ сек

Фиг. 3. Зависимость электрической прочности льда речного от времени воздействия напряжения. Поле однородное. Толщина образца 180+3 мкн. Пробой в смеси спирта с углекислотой. 1 = — 4°С.

ности пробоя, однако случайно максимальные значения могут быть не получены, поэтому для установления зависимости мы строим кривые по значениям, соответствующим 90% вероятности пробоя.

Епр кб/см

3200 2800 ■ РЧОО

2000 1600 1200 ООО ЧОО

о ° о

ю~

"-Ч-

Ю'

о о о о о о

Го° о

6>Ъ

■' "I

/0*

10'

Тсек = СО

пост ток перем. ток

Фиг. 4. Зависимость электрической прочности гипса прессованного (Са504 ]/2 Н20). Толщина образца 0,180+10 мкн.

X = 20°С.

В ряде случаев (фиг. 5) ход зависимости Е„р, построенной по вероятности пробоя 100 % и 90 %, отличается весьма незначительно. На фиг. 6 представлена зависимость электрической прочности кристаллогидратов от времени воздействия напряжения, построенная по вероятности пробоя, равной 90%.

кЬ/см

2800 8600 2400 2200 2000 1800 1600 <409 '«00 ЮОО 900 600 400 200 О

/О

Ю-7

Ю'

/О'1

Ю"<Гсгк

Фиг. 5. Вольтвременная характеристика сегнетовой соли в однородном поле при различных вероятностях пробоя.

Вольтвременные характеристики кристаллогидратов (фиг. 6) показы, вают возрастание электрической прочности при времени воздействия напряжения 10~7 сек и меньше, что следует отнести за счет запаздывания разряда, которое определяется временем формирования разряда при данных условиях [7].

Результаты по определению максимального и минимального времени формирования разряда т , средней максимальной и минимальной скорости распространения разряда при разных величинах перенапряжения поля и сведены в таблицу 1.

Таблица 1

с

д Исследуемый

г диэлектрик

*

1 Сегнетовая соль

й = 0,150 мм

2 Тальк онотский

= 0.140+10% мм

¿2 = 0,180+ 10°/о мм

3 Гипс полугидрат

(прессованный)

й = 0,180 мм

Перенапряжение в %% Время воздействия напряжения (3-~8) 10 8 сек

ю ~8 сек 1/ср Ю6 см!сек

максим. | миним. максим. миним.

* 29,1 1,67 0,67 2,24 0,9

50 1,91 1,41 1,15 0,79

57 1,68 0,72 2,5 1,07

18,8 2,18 0,36 4,17 0.69

Наблюдаются следующие закономерности.

1. Время формирования разряда в кристаллогидратах такого же порядка как и в безводных щелочно-галоидных кристаллах и равно 10 ~8 сек [7] (исследование 'проводилось в однотипных условиях).

1-п/э

32С0 Ж0 2800

26 ОС

жоо

2200 ос 18й0 ШС-0

нсо 1200 1000 800 соо ьсс гса о

кб/о

ю

Л.Т ял

Ю- Г й

ервмв бо&^стбия мопрйжемуя. 0 «к

Фиг. 6. Зависимость электрической прочности кристаллогидратов от времени воздействия напряжения. 1—тальк онотский, 2—лед, 3—сегнетовая соль,, 4—гипс прессованный.

2. Скорость распространения разряда порядка 10~б см/сек и увеличивается для одного и того же материала с увеличением перенапряжения поля.

3. Прессованные образцы полугидрата гипса в результате большей неоднородности структуры имеют большой разброс в скорости распространения разряда.

Анализ вольтсекундных характеристик кристаллогидратов показывает, что молекулы кристаллизационной воды не проявляют себя при малых временах воздействия напряжения 10 6 сек и меньше и, вероятно, облегчают тепловой пробой при длительном времени воздействия напряжения (Ю-1 се/с), постоянном и временном токе (тальк онотский). Отмеченное положение не является общим для всех кристаллогидратов. Пробой слюды и на постоянном и на импульсном напряжении носит электрический характер.

Эффект максимальной ориентационной поляризации диполей под действием поля определенной частоты не мог быть выявленным, так как время релаксации молекул кристаллизационной воды, по данным К. А. Водопьянова, одного порядка с временем запаздывания разряда в кристаллогидратах по нашим данным, и эффект формирования разряда является более определяющим для величины электрической прочности.

Зависимость электрической прочности кристаллогидратов от кристаллографического направления снималась на образцах сегнетовой соли и эпсомита.

Исследуемые в настоящей работе кристаллогидраты А^804. * 7Н20, К№С4Н406' 4Н20 анизотропны. Анизотропия проявляется в неодинаковых скоростях роста, неодинаковых силах сцепления в различных направлениях, в способности кристаллов раскалываться по плоскостям, параллельным определенным плоским сеткам кристаллической решетки, а также в разных значениях теплопроводности, показателя преломления света, упругости [8].

На фиг. 7, 8 представлены фотографии исследуемых кристаллов с указанием направлений, по которым определялась электрическая прочность.

Фиг. 7. Кристалл сегнетовой соли ККаС;Н.А; ' 4Н20. Исследование проводилось и плоскости осей а, о, и с.

К изотропному или анизотропному типу о'шоеится электрическая прочность как физическое свойство, должен показать эксперимент.

Электрическая прочность эпсомита М^БО^ 7Н20 в наши* опытам определялась вдоль грани т, перпендикулярно ей и по плоскости спайности (направление, параллельное плоскости в). По первым двум нап-

Фиг. 8. Кристаллы эпсомита А^504 • 7НгО. Электрическам прочность определялась вдоль грани т, перпендикулярно ей и по плоскости спаянности (направление, параллельное плоскости а ).

равлениям кристаллы разрезались мокрой ниткой (фиг. 9), по последнему — раскалывались. Пробой производился на импульсном напряжении ~ 10 сек, в условиях однородного и неоднородного поля в трансформаторном масле. Форма образцов представлена на фиг. 10. Зависимость электрической прочности эпсомита от кристаллографического направления, как показывает фиг. 11, не обнаружена.

Независимость пробивной прочности кристаллов от кристаллографического направления (по предположению А. А. Воробьева и Е. К. Зава-довской [9]) объясняется тем, что в толстых слоях диэлектрика пробой развивается на микроскопически малых участках по направлению, по которому облегчено движение электронов.

В толстых слоях диэлектрика, независимо от кристаллографического направления, пробой развивается всегда в направлении, вдоль которого электрическая прочность будет наименьшей. Только для тонких слоев диэлектрика, толщина которого будет сравнима с длиной свободного пути электрона, возможно будет обнаружить зависимость электрической прочности от кристаллографического направления.

Определение зависимости электрической прочности сегнетовой соли от кристаллографического направления представляет интерес, так как сегнетова соль обладает резкой анизотропией.

Все сегнетоэлектрические свойства, а именно: спонтанная поляризация в пределах температур (—18) (~|-24)0С, пьезоэлектрический эффект, недостижимый у других известных веществ, скачок теплоемкости, нелинейная зависимость поляризации от напряженности поля и другие свойства имеют место только вдоль кристаллографической оси а.

Фиг. 9. Станок для резки кристаллов мокрой ниткой. аа— шланг для подачи воды и стока воды, в — трубчатый обогреватель, с — бесконечная нить,

Л— гребенки для направления нити и крепления образца, г— ведущий валик с канавками, задающими ширину образца.

Диэлдмтрин

Металл /

Металл

Диэлектрик

Однородное поле

Металл /н^/шитп*»^ ч* _

Металл

Неоднородное поле.

Фиг. 10. Форма образцов для определения зависимости Епр от кристаллографического направления в условиях однородного и неоднородного поля.

iLftO

<100

900

Í пр К Я/с

U л;р ' 6

С„р 1 i. 1 1 1 1 ! I

ü 1 ___д,.^""' А ' ии 111МИЯ'"«"—"'"'"'"'"" j i --—-----------------t_______ ..

22

Вфол> npKJcmanna

попере* кристалла

>УЗ nfíCC.-'V-Crru: СПС QHMGCfoU (5Г.и I,res К quO¿OHC¿/'9)

Фиг. П. Электрическая прочность эпсомита М^БО« * 7Н2О на импульсном напряжении тл,=1()-бсек по разным кристаллографическим направлениям. 1—поле неоднородное, 2 — поле однородное.

В литературе имеются противоречивые данные о величине электрической прочности сегнетовой соли в зависимости от кристаллографического направления.

По данным Н. А. Приходько [10], электрическая прочность сегнетовой соли в неоднородном поле на переменном токе зависит от кристаллографического направления, причем по оси «а» прочность в 2 раза ниже, чем по осям в и с. Автор связывает это <; высоким значением диэлектрической проницаемости по этой оси.

Б. В. Горелик [11] не наблюдал зависимости электрической прочности от кристаллографического направления.

Мы провели систематическое исследование электрической прочности сегнетовой соли по разным кристаллографическим направлениям в зависимости от длительности приложенных импульсов, вида напряжения [12].

В дополнение к прежним исследованиям мы определили электрическую прочность по оси а и в в условиях однородного поля при длительности импульса 10~ сек, так как эффект структуры должен наиболее полно выявиться при коротких временах, и в условиях неоднородного поляна импульсном напряжении ~ф =10 6 сек. Как следует .из фиг. 12 и 13, зависимость электрической прочности от кристаллографического

ко/см

ЗООО

Т?ро$осГ7ю импульсах 40 Шмгъура -тура 20 X Флинхи 10 мм. Толщина - ьодрашоб 0,85 -»0,120 мм.

400 90

60 70 60 50 1*0 30 Вероятность пробел 6 %

Фиг. 12. Электрическая прочность сегнетовой соли дли разных кристаллографических направлений в однородном поле, о ось а, Л--ось в

ZO

46

Г2

а

иПр кё

N к пробои но игту/гьсая Темп ература 20 ' Толщина образцоб 0,200т

N \

....

i00

90

€0

70

50 kO

30

ZO

ю

7ê

Фиг. 13. Электрическая прочность сегнетовой соли для разных кристаллографических направлений в неоднородном поле. - Пробой на импульсах 10 - §еек Т = 2(ГС, толщина образцов 0,200 .-лм о —ось а, Л-ось в

направления при рассмотренных условиях воздействия напряжения не обнаружена.

Таким образом, экспериментально не обнаружено зависимости электрической прочности от кристаллографического направления для

3. Изв ТПИ. т 93

33

кристаллогидратов эпсомита и сегнетовой соли в условиях однородного и неоднородного полей на импульсном напряжении длительностью 10 6 сек. Для сегнетовой соли зависимость Е-л> от кристаллографического направления не обнаружена также при длительности импульса 10 ~4-10 — сек и постоянном токе.

Выводы

1. Молекулы кристаллизационной воды не проявляют себя в сильных полях при воздействии одиночных импульсов длительностью 10 ~6 се/с и меньше. Зависимость электрической прочности кристаллогидратов сегнетовой соли, талька онотского, льда речного от времени воздействия напражения имеет вид пологих кривых при временах воздействии! Ю Л Ю 5, 10 * сек со значительным подъемом при длительности импульса 10~7 сек и меньше. Электрическая прочность талька, сегнетовой соли на постоянном и переменном напряжении значительно ниже, чем на импульсном. :

2. Время формирования и скорость распространения разряда в кристаллогидратах сегнетовой соли, талька онотского такого же порядка, как и з безводных щелочно-галоидных кристаллах, и равны соответственно 10~8и 10 всм/сек. Скорость распространения разряда в кристаллогидратах увеличивается при увеличении перенапряжения.

3. Эффект ориентациониой поляризации диполей под действием ноля определенной частоты не смог быть выявленным, так как время релаксации молекул кристаллизационной воды одного порядка с временем формирования разряда в кристаллогидратах.

4. Не обнаружена зависимость электрической прочности монокристаллов КНаС4Н40б' 4Н20 и М^БОг 7Н2О от кристаллографического направления в условиях однородного и неоднородного полей. Пробой производился на импульсном напряжении разной длительности и постоянном токе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Водопьянов К. А. ЖТФ. 19, 1067, 1949.

2. Водопьянов К- А. ДАН СССР, 84, 919, 1952.

3. Изергин А. П. Тр. СФТИ, вып. 30, стр. 181, 1950.

4. Тонконогов М. П. Изв. Томского политехи, ин-та, том. 91, стр. 287, 1956.

5. Водопьянов К- А. ЖТФ. том XXIV, вып. I, стр. 210, 1954.

6. Зингерман А. С. ЖТФ, 18. 1С29, 1948.

7. Воробьев Г. А. ЖТФ, том 30, вып. 2, стр. 256, 1956.

8. Шубников А. В. Образование кристаллов. Издание Акад. наук СССР, 1947.

9. Воробьев А. А., 3 а в а д о в с к а я Е. К. Электрическая прочность твердых диэлектриков. Москва, стр. 38. 1956.

10. Приходько Н. А. Труды СФТИ том VI, вып. 2, 1942.

И. Горелик Б. В. ЖТФ том X, вып. 5, стр. 369, 1940.

12. Кевролева К- М. ЖТФ, том XXVII, вып. 10, стр. 2243, 1956.

ОПЕЧАТКИ

Стр. л í- фока Напечатано (Следует чнтам,

3 И сн. 10 !|; 10 - «

9 9 сп. 5.10-9 сек 5*10 сек

11 1 св. 2 3 . 10к — сек 2 : 3-10-» сек

29 6 сн. Ю-15 СМ;сек 10,; см ¡сек

29 2 сп. большой больший

30 3 сн. 10 « сек 10-е сек

32 6 сн. спаянности спайности

34 17 сн. 10 - сек 10-8 сек

34 3 сп. 10 6 сек 10- « сак

3! 1,5 св. 10 -1 ... 10 сек 10-4.-10-1 сек

34 19 св. 10 ^ и 10 6 см сек 10-« сек и 1С" сми\-к

56 форм. 9 ! В конце фигурной скобки следует — 1.

65 3 сн. формулу | форму

91 5 сн. 1350 ом и Г< т ^ 30 КаМ !\т 1350 ом Кт 30 ком

107 6 CIS. ~ - 10 сек - — Ю-о сек

100 10 си. образцов микротвердости образной

111 1 сн. Е

112 ■УЛГ. 9, !У СЕ ноле однородное поле неоднородное

По 12 СН. Винчелла Винчелл

123 7 с к. спаянность спайность

128 40 мол'1,, 90 мол %

!?() 1 СИ. а 11 гене а тангенса

217 15 ai. При введении примесей гнпл При введении примесей в твер-

внедрения дые растворы типа внедрении

218 ■JA сп. Намерялась зависимость | Определялась заинсимоегь

219 8 си. хлористый рубидий ]> бромистый калий

219 22 сн. хранения из монокристаллон хранения монокристаллов

220 фи г. 2 В точке начала координат еле на по оси $ следует

поставить — 12

228 } С!?. ы ражение выражение

228 5 сн. о гда тогда

228 6 с и. арфора ! фарфора

228 7 сп. каркасном в каркасном

228 8 сн. етальной детальной

228 16 сн. гат\гшек катушек

228 форм. 3 Q Q

242 , 2 сн. Из фиг. 1 Из диаграмм ы плавкости

244 ; íl — 12 с н. рентгенограммы смещены рентгенограммы сплава смещены

251 ; 24 си. с ионизованном с ионизированным

301 | 7 сп. ионизирующих ионизирующих

302 18 сн. -процентного 50-процентного

300 9 сн. 95üi у монокриста л л а 95° о плотности монокристалла1*

325 24 сн. группы ! 11 группы

332 6 сп. К)т — Ю8 ом сек Ю? — 10« см ¡сек

343 1 1 сн. „438 -1- „ИЗВ—í-

394 3 с н. Со Со-

Изв. i ТПИ. т. 95