Dielektryki i ich właściwości, polaryzacja i wytrzymałość dielektryków

Substancje (ciała) o znikomej przewodności elektrycznej nazywane są dielektrykami lub izolatorami.

Dielektryki lub nieprzewodniki reprezentują dużą klasę substancji stosowanych w elektrotechnice, które są ważne ze względów praktycznych. Służą do izolowania obwodów elektrycznych, a także do nadawania urządzeniom elektrycznym specjalnych właściwości, które umożliwiają pełniejsze wykorzystanie objętości i ciężaru materiałów, z których są wykonane.

Dielektrykami mogą być substancje we wszystkich stanach skupienia: gazowym, ciekłym i stałym. W praktyce powietrze, dwutlenek węgla, wodór są używane jako gazowe dielektryki zarówno w stanie normalnym, jak i sprężonym.

Wszystkie te gazy mają prawie nieskończony opór. Właściwości elektryczne gazów są izotropowe. Z substancji płynnych, chemicznie czystej wody, wielu substancji organicznych, olejów naturalnych i sztucznych (olej transformatorowy, sowa itp.).

Ciekłe dielektryki mają również właściwości izotropowe.Wysokie właściwości izolacyjne tych substancji zależą od ich czystości.

Na przykład właściwości izolacyjne oleju transformatorowego zmniejszają się, gdy wilgoć jest wchłaniana z powietrza. Najszerzej stosowane w praktyce są stałe dielektryki. Są to substancje pochodzenia nieorganicznego (porcelana, kwarc, marmur, mika, szkło itp.) i organicznego (papier, bursztyn, guma, różne sztuczne substancje organiczne).

Większość z tych substancji ma wysokie właściwości elektryczne i mechaniczne i jest stosowana do izolacji urządzeń elektrycznychprzeznaczone do użytku wewnętrznego i zewnętrznego.

Szereg substancji zachowuje swoje wysokie właściwości izolacyjne nie tylko w normalnych, ale także w podwyższonych temperaturach (krzem, kwarc, związki krzemu i krzemu). Stałe i ciekłe dielektryki mają pewną ilość wolnych elektronów, dlatego opór dobrego dielektryka wynosi około 1015 - 1016 omów x m.

W pewnych warunkach w dielektrykach następuje rozdzielenie cząsteczek na jony (na przykład pod wpływem wysokiej temperatury lub silnego pola), w tym przypadku dielektryki tracą swoje właściwości izolacyjne i stają się kierowcy.

Dielektryki mają właściwość spolaryzowania i możliwe jest w nich długotrwałe istnienie. pole elektrostatyczne.

Charakterystyczną cechą wszystkich dielektryków jest nie tylko wysoka odporność na przepływ prądu elektrycznego, określona przez obecność w nich niewielkiej liczby elektrony, swobodnie poruszające się w całej objętości dielektryka, ale także zmiana ich właściwości pod wpływem pola elektrycznego, co nazywa się polaryzacją. Polaryzacja ma duży wpływ na pole elektryczne w dielektryku.

Jednym z głównych przykładów zastosowania dielektryków w praktyce elektrycznej jest izolowanie elementów urządzeń elektrycznych od podłoża i od siebie nawzajem, przez co zniszczenie izolacji zakłóca normalną pracę instalacji elektrycznych i prowadzi do wypadków.
Aby tego uniknąć, w projektowaniu maszyn i instalacji elektrycznych dobiera się izolację poszczególnych elementów tak, aby z jednej strony natężenie pola w dielektrykach nigdzie nie przekraczało ich wytrzymałości dielektrycznej, a z drugiej strony izolacja ta w poszczególnych połączeniach urządzeń jest wykorzystany jak najpełniej (bez nadmiaru zapasów).
Aby to zrobić, trzeba najpierw wiedzieć, jak rozkłada się pole elektryczne w urządzeniu, a następnie, dobierając odpowiednie materiały i ich grubość, można w zadowalający sposób rozwiązać powyższy problem.

Polaryzacja dielektryczna

Jeśli w próżni powstaje pole elektryczne, to wielkość i kierunek wektora natężenia pola w danym punkcie zależy tylko od wielkości i położenia ładunków tworzących to pole. Jeśli pole powstaje w dowolnym dielektryku, wówczas w cząsteczkach tego ostatniego zachodzą procesy fizyczne, które wpływają na pole elektryczne.

Pod działaniem sił pola elektrycznego elektrony na orbitach przemieszczają się w kierunku przeciwnym do pola. W rezultacie wcześniej obojętne cząsteczki stają się dipolami o równych ładunkach na jądrze i elektronach na orbitach. Nazywa się to zjawisko polaryzacja dielektryczna... Gdy pole zanika, znika również przemieszczenie. Cząsteczki ponownie stają się elektrycznie obojętne.

Cząsteczki spolaryzowane - dipole wytwarzają własne pole elektryczne, którego kierunek jest przeciwny do kierunku pola głównego (zewnętrznego), dlatego pole dodatkowe, łącząc się z głównym, osłabia je.

Im bardziej spolaryzowany dielektryk, tym słabsze pole wynikowe, tym mniejsze jest jego natężenie w dowolnym punkcie dla tych samych ładunków, które tworzą pole główne, a zatem stała dielektryczna takiego dielektryka jest większa.

Jeśli dielektryk znajduje się w zmiennym polu elektrycznym, przemieszczenie elektronów również staje się zmienne. Proces ten prowadzi do zwiększenia ruchu cząstek, a tym samym do nagrzania dielektryka.

Im częściej zmienia się pole elektryczne, tym bardziej dielektryk się nagrzewa. W praktyce zjawisko to wykorzystuje się do podgrzewania mokrych materiałów w celu ich wysuszenia lub uzyskania reakcji chemicznych zachodzących w podwyższonych temperaturach.

Przeczytaj także: Co to jest strata dielektryczna z powodu tego, co się dzieje

Dielektryki polarne i niepolarne

Chociaż dielektryki praktycznie nie przewodzą prądu, to jednak pod wpływem pola elektrycznego zmieniają swoje właściwości. W zależności od budowy cząsteczek i charakteru oddziaływania na nie pola elektrycznego, dielektryki dzielą się na dwa typy: niepolarne i polarne (z polaryzacją elektronową i orientacyjną).

W dielektrykach niespolaryzowanych, jeśli nie w polu elektrycznym, elektrony wirują po orbitach, których środek pokrywa się ze środkiem jądra. Dlatego działanie tych elektronów można postrzegać jako działanie ładunków ujemnych znajdujących się w centrum jądra.Ponieważ centra działania dodatnio naładowanych cząstek — protonów — są skoncentrowane w środku jądra, w przestrzeni kosmicznej atom jest postrzegany jako elektrycznie obojętny.

Gdy substancje te zostaną wprowadzone do pola elektrostatycznego, elektrony przemieszczają się pod wpływem sił pola, a środki działania elektronów i protonów nie pokrywają się. W przestrzeni kosmicznej atom w tym przypadku jest postrzegany jako dipol, to znaczy jako układ dwóch równych różnych ładunków punktowych -q i + q, znajdujących się od siebie w pewnej małej odległości a, równej przemieszczeniu środek orbity elektronu względem środka jądra.

W takim układzie okazuje się, że ładunek dodatni jest przesunięty w kierunku natężenia pola, a ujemny w kierunku przeciwnym. Im większa siła pola zewnętrznego, tym większe względne przemieszczenie ładunków w każdej cząsteczce.

Kiedy pole zanika, elektrony wracają do swoich pierwotnych stanów ruchu względem jądra atomowego, a dielektryk ponownie staje się neutralny. Powyższa zmiana właściwości dielektryka pod wpływem pola nazywana jest polaryzacją elektronową.

W polarnych dielektrykach cząsteczki są dipolami. Będąc w chaotycznym ruchu termicznym moment dipolowy cały czas zmienia swoje położenie, co prowadzi do kompensacji pól dipoli poszczególnych cząsteczek i do tego, że poza dielektrykiem, gdy nie ma pola zewnętrznego, nie ma makroskopowego pole.

Kiedy te substancje są wystawione na zewnętrzne pole elektrostatyczne, dipole będą się obracać i ustawiać swoje osie wzdłuż pola. Ten w pełni uporządkowany układ będzie utrudniony przez ruch termiczny.

Przy małym natężeniu pola następuje tylko obrót dipoli pod pewnym kątem w kierunku pola, który jest określony przez równowagę między działaniem pola elektrycznego a efektem ruchu termicznego.

Wraz ze wzrostem natężenia pola zwiększa się rotacja cząsteczek i odpowiednio stopień polaryzacji. W takich przypadkach odległość a między ładunkami dipolowymi jest określona przez średnią wartość rzutów osi dipolowych na kierunek natężenia pola. Oprócz tego rodzaju polaryzacji, którą nazywamy orientacyjną, w tych dielektrykach występuje również polaryzacja elektronowa spowodowana przemieszczeniem ładunków.

Opisane powyżej wzorce polaryzacji są podstawowe dla wszystkich substancji izolujących: gazowych, ciekłych i stałych. W ciekłych i stałych dielektrykach, gdzie średnie odległości między cząsteczkami są mniejsze niż w gazach, zjawisko polaryzacji jest skomplikowane, ponieważ oprócz przesunięcia środka orbity elektronu względem jądra czy rotacji dipoli polarnych, istnieje również interakcja między cząsteczkami.

Ponieważ w masie dielektryka poszczególne atomy i cząsteczki są tylko spolaryzowane i nie rozpadają się na jony naładowane dodatnio i ujemnie, w każdym elemencie objętości spolaryzowanego dielektryka ładunki obu znaków są sobie równe. Dlatego dielektryk w całej swojej objętości pozostaje elektrycznie obojętny.

Wyjątkiem są ładunki biegunów cząsteczek znajdujących się na powierzchniach granicznych dielektryka. Takie ładunki tworzą na tych powierzchniach cienkie naładowane warstwy. W ośrodku jednorodnym zjawisko polaryzacji można przedstawić jako harmoniczny układ dipoli.

Wytrzymałość na przebicie dielektryków

W normalnych warunkach dielektryk ma znikoma przewodność elektryczna… Ta właściwość pozostaje, dopóki natężenie pola elektrycznego nie zostanie zwiększone do określonej wartości granicznej dla każdego dielektryka.

W silnym polu elektrycznym cząsteczki dielektryka rozszczepiają się na jony, a ciało, które było dielektrykiem w słabym polu, staje się przewodnikiem.

Siła pola elektrycznego, przy której rozpoczyna się jonizacja cząsteczek dielektryka, nazywana jest napięciem przebicia (wytrzymałością elektryczną) dielektryka.

Nazywa się to wielkością natężenia pola elektrycznego, które jest dozwolone w dielektryku, gdy jest on stosowany w instalacjach elektrycznych dopuszczalne napięcie... Dopuszczalne napięcie jest zwykle kilkakrotnie mniejsze niż napięcie zerwania. Określa się stosunek napięcia przebicia do dopuszczalnego marginesu bezpieczeństwa... Najlepsze nieprzewodniki (dielektryki) to próżnia i gazy, zwłaszcza pod wysokim ciśnieniem.

Awaria dielektryczna

Rozkład przebiega różnie w substancjach gazowych, ciekłych i stałych i zależy od szeregu warunków: od jednorodności dielektryka, ciśnienia, temperatury, wilgotności, grubości dielektryka itp. Dlatego przy określaniu wartości wytrzymałości dielektrycznej te warunki są zwykle zapewnione.

W przypadku materiałów pracujących na przykład w pomieszczeniach zamkniętych i nie narażonych na wpływy atmosferyczne ustala się normalne warunki (na przykład temperatura + 20 ° C, ciśnienie 760 mm). Wilgotność też się normalizuje, czasem częstotliwość itp.

Gazy mają stosunkowo niską wytrzymałość elektryczną. Tak więc gradient rozkładu powietrza w normalnych warunkach wynosi 30 kV / cm.Zaletą gazów jest to, że po ich zniszczeniu szybko przywracane są ich właściwości izolacyjne.

Ciekłe dielektryki mają nieco wyższą wytrzymałość elektryczną. Charakterystyczną cechą płynów jest dobre odprowadzanie ciepła z urządzeń, które nagrzewają się, gdy prąd przepływa przez przewody. Obecność zanieczyszczeń, w szczególności wody, znacznie zmniejsza wytrzymałość dielektryczną ciekłych dielektryków. W cieczach, podobnie jak w gazach, ich właściwości izolacyjne są przywracane po zniszczeniu.

Stałe dielektryki reprezentują szeroką klasę materiałów izolacyjnych, zarówno naturalnych, jak i sztucznych. Te dielektryki mają szeroką gamę właściwości elektrycznych i mechanicznych.

Zastosowanie tego lub innego materiału zależy od wymagań izolacyjnych danej instalacji i warunków jej eksploatacji. Mika, szkło, parafina, ebonit, a także różne włókniste i syntetyczne substancje organiczne, bakelit, getinax itp. Charakteryzują się dużą wytrzymałością elektryczną.

Jeśli oprócz wymogu wysokiego gradientu przebicia na materiał nakłada się wymóg wysokiej wytrzymałości mechanicznej (na przykład w izolatorach wsporczych i podwieszanych w celu ochrony sprzętu przed naprężeniami mechanicznymi), porcelana elektryczna jest szeroko stosowana.

Tabela pokazuje wartości wytrzymałości na przebicie (w normalnych warunkach i przy stałym stałym zera) niektórych z najbardziej powszechnych dielektryków.

Wartości wytrzymałości dielektrycznej na przebicie

Materiał Napięcie przebicia, kv / mm Papier impregnowany parafiną 10,0-25,0 Powietrze 3,0 Olej mineralny 6,0 -15,0 Marmur 3,0 — 4,0 Mikanit 15,0 — 20,0 Karton elektryczny 9,0 — 14,0 Mika 80,0 — 200,0 Szkło 10,0 — 40,0 Porcelana 6,0 — 7,5 Łupek 1 5 — 3,0