Dielektriki in njihove lastnosti, polarizacija in prebojna trdnost dielektrikov

Snovi (telesa) z zanemarljivo električno prevodnostjo imenujemo dielektriki ali izolatorji.

Dielektriki ali neprevodniki predstavljajo velik razred snovi, ki se uporabljajo v elektrotehniki in so pomembne za praktične namene. Služijo za izolacijo električnih tokokrogov, pa tudi za dajanje posebnih lastnosti električnim napravam, ki omogočajo popolnejši izkoristek prostornine in teže materialov, iz katerih so izdelane.

Dielektriki so lahko snovi v vseh agregatnih stanjih: plinastem, tekočem in trdnem. V praksi se kot plinasti dielektriki uporabljajo zrak, ogljikov dioksid in vodik v normalnem in stisnjenem stanju.

Vsi ti plini imajo skoraj neskončen upor. Električne lastnosti plinov so izotropne. Od tekočih snovi, kemično čiste vode, številnih organskih snovi, naravnih in umetnih olj (transformatorsko olje, sova itd.).

Tekoči dielektriki imajo tudi izotropne lastnosti.Visoke izolacijske lastnosti teh snovi so odvisne od njihove čistosti.

Na primer, izolacijske lastnosti transformatorskega olja se zmanjšajo, ko se vlaga absorbira iz zraka. V praksi se najbolj uporabljajo trdni dielektriki. Vključujejo snovi anorganskega (porcelan, kremen, marmor, sljuda, steklo itd.) in organskega (papir, jantar, guma, razne umetne organske snovi) izvora.

Večina teh snovi ima visoke električne in mehanske lastnosti in se uporabljajo za izolacijo električnih napravnamenjen za notranjo in zunanjo uporabo.

Številne snovi ohranijo svoje visoke izolacijske lastnosti ne samo pri normalnih, temveč tudi pri povišanih temperaturah (silicij, kremen, silicijeve silicijeve spojine). Trdni in tekoči dielektriki imajo določeno količino prostih elektronov, zato je upornost dobrega dielektrika približno 1015 - 1016 ohm x m.

Pod določenimi pogoji pride do ločevanja molekul v ione v dielektrikih (na primer pod vplivom visoke temperature ali v močnem polju), v tem primeru dielektriki izgubijo svoje izolacijske lastnosti in postanejo vozniki.

Dielektriki imajo lastnost polarizacije in je v njih možen dolgotrajen obstoj. elektrostatično polje.

Posebna značilnost vseh dielektrikov ni le visoka odpornost na prehod električnega toka, ki jo določa prisotnost majhnega števila elektroni, ki se prosto gibljejo skozi celotno prostornino dielektrika, ampak tudi spremembo njihovih lastnosti pod delovanjem električnega polja, ki se imenuje polarizacija. Polarizacija močno vpliva na električno polje v dielektriku.

Eden glavnih primerov uporabe dielektrikov v električni praksi je izolacija elementov električnih naprav od tal in drug od drugega, zaradi česar uničenje izolacije moti normalno delovanje električnih instalacij in vodi do nesreč.
Da bi se temu izognili, je pri načrtovanju električnih strojev in inštalacij izbrana izolacija posameznih elementov tako, da po eni strani poljska jakost v dielektrikih nikjer ne presega njihove dielektrične trdnosti, po drugi strani pa ta izolacija pri posameznih povezavah naprav je čim bolj izkoriščena (brez odvečne zaloge).
Za to je treba najprej poznati razporeditev električnega polja v napravi, nato pa lahko z izbiro ustreznih materialov in njihove debeline zadovoljivo rešimo omenjeni problem.

Dielektrična polarizacija

Če se v vakuumu ustvari električno polje, sta velikost in smer vektorja poljske jakosti na dani točki odvisni samo od velikosti in lokacije nabojev, ki ustvarjajo polje. Če je polje ustvarjeno v katerem koli dielektriku, se v molekulah slednjega pojavijo fizični procesi, ki vplivajo na električno polje.

Pod delovanjem sil električnega polja se elektroni v orbitah premaknejo v smeri, nasprotni smeri polja. Posledično prej nevtralne molekule postanejo dipoli z enakimi naboji na jedru in elektronih v orbitah. Ta pojav imenujemo dielektrična polarizacija... Ko polje izgine, izgine tudi premik. Molekule ponovno postanejo električno nevtralne.

Polarizirane molekule - dipoli ustvarjajo lastno električno polje, katerega smer je nasprotna smeri glavnega (zunanjega) polja, zato ga dodatno polje, ki se kombinira z glavnim, oslabi.

Bolj ko je dielektrik polariziran, šibkejše je nastalo polje, manjša je njegova intenziteta na kateri koli točki za enake naboje, ki ustvarjajo glavno polje, zato je dielektrična konstanta takšnega dielektrika večja.

Če je dielektrik v izmeničnem električnem polju, postane tudi premik elektronov izmenično. Ta proces povzroči povečanje gibanja delcev in s tem segrevanje dielektrika.

Pogosteje kot se spreminja električno polje, bolj se dielektrik segreva. V praksi se ta pojav uporablja za segrevanje mokrih materialov, da se posušijo ali za doseganje kemičnih reakcij, ki potekajo pri povišanih temperaturah.

Preberite tudi: Kaj je dielektrična izguba zaradi tega, kar se zgodi

Polarni in nepolarni dielektriki

Čeprav dielektriki praktično ne prevajajo električnega toka, kljub temu pod vplivom električnega polja spremenijo svoje lastnosti. Glede na strukturo molekul in naravo učinka električnega polja na njih so dielektriki razdeljeni na dve vrsti: nepolarne in polarne (z elektronsko in orientacijsko polarizacijo).

V nepolarnih dielektrikih, če niso v električnem polju, se elektroni vrtijo v orbitah s središčem, ki sovpada s središčem jedra. Zato lahko delovanje teh elektronov razumemo kot delovanje negativnih nabojev, ki se nahajajo v središču jedra.Ker so središča delovanja pozitivno nabitih delcev - protonov - koncentrirana v središču jedra, se atom v vesolju dojema kot električno nevtralen.

Ko se te snovi vnesejo v elektrostatično polje, se elektroni pod vplivom sil polja premaknejo, središča delovanja elektronov in protonov pa ne sovpadajo. V vesolju je atom v tem primeru zaznan kot dipol, to je kot sistem dveh enakih različnih točkastih nabojev -q in + q, ki se nahajata drug od drugega na določeni majhni razdalji a, ki je enaka premiku središče elektronske orbite glede na središče jedra.

V takem sistemu se izkaže, da je pozitivni naboj premaknjen v smeri poljske jakosti, negativni v nasprotni smeri. Večja kot je jakost zunanjega polja, večji je relativni premik nabojev v vsaki molekuli.

Ko polje izgine, se elektroni vrnejo v prvotno stanje gibanja glede na atomsko jedro in dielektrik spet postane nevtralen. Zgornja sprememba lastnosti dielektrika pod vplivom polja se imenuje elektronska polarizacija.

V polarnih dielektrikih so molekule dipoli. Ker je v kaotičnem toplotnem gibanju, dipolni moment ves čas spreminja svoj položaj, kar vodi do kompenzacije polj dipolov posameznih molekul in do tega, da zunaj dielektrika, ko ni zunanjega polja, ni makroskopskega. polje.

Ko so te snovi izpostavljene zunanjemu elektrostatičnemu polju, se dipoli vrtijo in postavijo svoje osi vzdolž polja. To popolnoma urejeno ureditev bo oviralo toplotno gibanje.

Pri nizki poljski jakosti pride le do rotacije dipolov pod določenim kotom v smeri polja, ki je določen z ravnovesjem med delovanjem električnega polja in učinkom toplotnega gibanja.

S povečanjem poljske jakosti se poveča rotacija molekul in s tem stopnja polarizacije. V takih primerih je razdalja a med dipolnima nabojema določena s povprečno vrednostjo projekcij osi dipola na smer poljske jakosti. Poleg te vrste polarizacije, ki se imenuje orientacijska, obstaja v teh dielektrikih tudi elektronska polarizacija, ki jo povzroča premik nabojev.

Zgoraj opisani polarizacijski vzorci so osnovni za vse izolacijske snovi: plinaste, tekoče in trdne. Pri tekočih in trdnih dielektrikih, kjer so povprečne razdalje med molekulami manjše kot pri plinih, je pojav polarizacije zapleten, saj poleg premika središča elektronske orbite glede na jedro ali rotacije polarnih dipolov, lahko pride tudi do polarizacije. obstaja tudi interakcija med molekulami.

Ker so v masi dielektrika posamezni atomi in molekule le polarizirani in ne razpadejo na pozitivno in negativno nabite ione, sta v vsakem elementu prostornine polariziranega dielektrika naboja obeh predznakov enaka. Zato ostane dielektrik po vsej svoji prostornini električno nevtralen.

Izjema so naboji polov molekul, ki se nahajajo na mejnih površinah dielektrika. Takšni naboji tvorijo tanke nabite plasti na teh površinah. V homogenem mediju lahko pojav polarizacije predstavimo kot harmonično razporeditev dipolov.

Prebojna trdnost dielektrikov

V normalnih pogojih ima dielektrik zanemarljiva električna prevodnost… Ta lastnost ostane, dokler se električna poljska jakost ne poveča na določeno mejno vrednost za vsak dielektrik.

V močnem električnem polju se molekule dielektrika razcepijo na ione in telo, ki je bilo v šibkem polju dielektrik, postane prevodnik.

Moč električnega polja, pri kateri se začne ionizacija dielektričnih molekul, imenujemo prebojna napetost (električna trdnost) dielektrika.

Imenuje se velikost električne poljske jakosti, ki je dovoljena v dielektriku, ko se uporablja v električnih inštalacijah dovoljena napetost ... Dovoljena napetost je običajno nekajkrat manjša od prekinitvene napetosti. Določi se razmerje med prebojno napetostjo in dovoljeno varnostno mejo ... Najboljši neprevodniki (dielektriki) so vakuum in plini, zlasti pri visokem tlaku.

Dielektrična okvara

Razgradnja poteka različno v plinastih, tekočih in trdnih snoveh in je odvisna od številnih pogojev: od homogenosti dielektrika, tlaka, temperature, vlažnosti, debeline dielektrika itd. Zato pri določanju vrednosti dielektrične trdnosti te običajno so zagotovljeni pogoji.

Za materiale, ki delujejo na primer v zaprtih prostorih in niso izpostavljeni atmosferskim vplivom, se vzpostavijo normalni pogoji (na primer temperatura + 20 ° C, tlak 760 mm). Normalizira se tudi vlažnost, včasih pogostost itd.

Plini imajo relativno nizko električno moč. Tako je gradient razgradnje zraka v normalnih pogojih 30 kV / cm.Prednost plinov je, da se po njihovem uničenju hitro obnovijo njihove izolacijske lastnosti.

Tekoči dielektriki imajo nekoliko večjo električno trdnost. Posebnost tekočin je dobro odvajanje toplote iz naprav, ki se segrejejo, ko tok prehaja skozi žice. Prisotnost nečistoč, zlasti vode, bistveno zmanjša dielektrično trdnost tekočih dielektrikov. V tekočinah, tako kot v plinih, se njihove izolacijske lastnosti po uničenju obnovijo.

Trdni dielektriki predstavljajo širok razred izolacijskih materialov, tako naravnih kot umetnih. Ti dielektriki imajo široko paleto električnih in mehanskih lastnosti.

Uporaba tega ali onega materiala je odvisna od izolacijskih zahtev dane instalacije in pogojev njenega delovanja. Sljuda, steklo, parafin, ebonit, pa tudi različne vlaknate in sintetične organske snovi, bakelit, getinaks itd. Zanje je značilna visoka električna trdnost.

Če je poleg zahteve po visokem razgradnem gradientu za material naložena tudi zahteva po visoki mehanski trdnosti (na primer pri podpornih in visečih izolatorjih za zaščito opreme pred mehanskimi obremenitvami), se električni porcelan široko uporablja.

Tabela prikazuje vrednosti razgradne trdnosti (v normalnih pogojih in pri konstantni konstantni ničli) nekaterih najpogostejših dielektrikov.

Vrednosti dielektrične prebojne trdnosti

Material Probojna napetost, kv / mm Papir, impregniran s parafinom 10,0-25,0 Zrak 3,0 Mineralno olje 6,0 -15,0 Marmor 3,0 — 4,0 Mikanit 15,0 — 20,0 Električni karton 9 ,0 — 14,0 Sljuda 80,0 — 200,0 Steklo 10,0 — 40,0 Porcelan 6 .0 — 7.5 Skrilavec 1.5 — 3,0