Dielektriká a ich vlastnosti, polarizácia a prierazná pevnosť dielektrík

Látky (telesá) so zanedbateľnou elektrickou vodivosťou sa nazývajú dielektriká alebo izolanty.

Dielektrika alebo nevodiče predstavujú veľkú triedu látok používaných v elektrotechnike, ktoré sú dôležité pre praktické účely. Slúžia na izoláciu elektrických obvodov, ako aj dodanie špeciálnych vlastností elektrickým zariadeniam, ktoré umožňujú úplnejšie využitie objemu a hmotnosti materiálov, z ktorých sú vyrobené.

Dielektriká môžu byť látky vo všetkých agregovaných skupenstvách: plynné, kvapalné a pevné. V praxi sa ako plynné dielektrikum používa vzduch, oxid uhličitý, vodík v normálnom aj stlačenom stave.

Všetky tieto plyny majú takmer nekonečný odpor. Elektrické vlastnosti plynov sú izotropné. Od tekutých látok, chemicky čistej vody, mnohých organických látok, prírodných a umelých olejov (transformátorový olej, sova atď.).

Kvapalné dielektriká majú tiež izotropné vlastnosti.Vysoké izolačné vlastnosti týchto látok závisia od ich čistoty.

Napríklad izolačné vlastnosti transformátorového oleja sa znižujú, keď je vlhkosť absorbovaná zo vzduchu. Najpoužívanejšie v praxi sú pevné dielektrika. Patria sem látky anorganického (porcelán, kremeň, mramor, sľuda, sklo atď.) a organického (papier, jantár, guma, rôzne umelé organické látky) pôvodu.

Väčšina týchto látok má vysoké elektrické a mechanické vlastnosti a používa sa na izoláciu elektrických spotrebičovurčené na vnútorné a vonkajšie použitie.

Množstvo látok si zachováva svoje vysoké izolačné vlastnosti nielen pri normálnych, ale aj pri zvýšených teplotách (kremík, kremeň, zlúčeniny kremíka a kremíka). Pevné a kvapalné dielektriká majú určité množstvo voľných elektrónov, preto je odpor dobrého dielektrika asi 1015 - 1016 ohm x m.

Za určitých podmienok dochádza v dielektrikách k separácii molekúl na ióny (napríklad vplyvom vysokej teploty alebo v silnom poli), v tomto prípade dielektriká strácajú svoje izolačné vlastnosti a stávajú sa vodičov.

Dielektriká majú vlastnosť polarizácie a je v nich možná dlhodobá existencia. elektrostatické pole.

Charakteristickým znakom všetkých dielektrík nie je len vysoká odolnosť voči prechodu elektrického prúdu, ktorá je určená prítomnosťou malého počtu v nich. elektróny, voľne sa pohybujúce celým objemom dielektrika, ale aj zmena ich vlastností pôsobením elektrického poľa, ktorá sa nazýva polarizácia. Polarizácia má veľký vplyv na elektrické pole v dielektriku.

Jedným z hlavných príkladov použitia dielektrika v elektrotechnickej praxi je izolácia prvkov elektrických zariadení od zeme a od seba navzájom, v dôsledku čoho zničenie izolácie narúša normálnu prevádzku elektrických inštalácií a vedie k nehodám.
Aby sa tomu zabránilo, pri projektovaní elektrických strojov a inštalácií sa izolácia jednotlivých prvkov volí tak, aby na jednej strane sila poľa v dielektrikách nikde neprevyšovala ich dielektrickú pevnosť a na druhej strane táto izolácia v jednotlivých pripojeniach zariadení je maximálne využité (žiadne prebytočné zásoby).
Aby ste to dosiahli, musíte najskôr vedieť, ako je elektrické pole v zariadení rozložené.Potom výberom vhodných materiálov a ich hrúbky možno vyššie uvedený problém uspokojivo vyriešiť.

Dielektrická polarizácia

Ak sa vo vákuu vytvorí elektrické pole, potom veľkosť a smer vektora intenzity poľa v danom bode závisí len od veľkosti a umiestnenia nábojov, ktoré pole vytvárajú. Ak je pole vytvorené v akomkoľvek dielektriku, potom sa v molekulách dielektrika vyskytujú fyzikálne procesy, ktoré ovplyvňujú elektrické pole.

Pôsobením síl elektrického poľa sa elektróny na obežných dráhach posúvajú v smere opačnom k ​​poľu. Výsledkom je, že predtým neutrálne molekuly sa stanú dipólmi s rovnakým nábojom v jadre a elektrónoch na obežných dráhach. Tento jav sa nazýva dielektrická polarizácia... Keď pole zmizne, zmizne aj posun. Molekuly sa opäť stanú elektricky neutrálnymi.

Polarizované molekuly - dipóly vytvárajú vlastné elektrické pole, ktorého smer je opačný ako smer hlavného (vonkajšieho) poľa, preto ho doplnkové pole v kombinácii s hlavným zoslabuje.

Čím je dielektrikum polarizovanejšie, tým je výsledné pole slabšie, tým nižšia je jeho intenzita v ktoromkoľvek bode pre rovnaké náboje, ktoré vytvárajú hlavné pole, a preto je dielektrická konštanta takéhoto dielektrika väčšia.

Ak je dielektrikum v striedavom elektrickom poli, posun elektrónov sa tiež stáva striedavým. Tento proces vedie k zvýšeniu pohybu častíc a tým k zahrievaniu dielektrika.

Čím častejšie sa elektrické pole mení, tým viac sa dielektrikum zahrieva. V praxi sa tento jav využíva na zahriatie vlhkých materiálov na ich vysušenie alebo na získanie chemických reakcií, ku ktorým dochádza pri zvýšených teplotách.

Prečítajte si tiež: Čo je to dielektrická strata v dôsledku toho, čo sa stane

Polárne a nepolárne dielektrika

Dielektriká síce prakticky nevedú elektrinu, no vplyvom elektrického poľa menia svoje vlastnosti. V závislosti od štruktúry molekúl a povahy vplyvu elektrického poľa na ne sa dielektriká delia na dva typy: nepolárne a polárne (s elektronickou a orientačnou polarizáciou).

V nepolárnych dielektrikách, ak nie v elektrickom poli, sa elektróny otáčajú na obežných dráhach so stredom zhodným so stredom jadra. Preto pôsobenie týchto elektrónov možno vnímať ako pôsobenie negatívnych nábojov umiestnených v strede jadra.Keďže centrá pôsobenia kladne nabitých častíc — protónov — sú sústredené v strede jadra, vo vesmíre je atóm vnímaný ako elektricky neutrálny.

Keď sa tieto látky zavedú do elektrostatického poľa, elektróny sa pod vplyvom síl poľa premiestnia a centrá pôsobenia elektrónov a protónov sa nezhodujú. Vo vesmíre je atóm v tomto prípade vnímaný ako dipól, to znamená ako systém dvoch rovnakých rôznych bodových nábojov -q a + q, ktoré sa nachádzajú od seba v určitej malej vzdialenosti a, ktorá sa rovná posunutiu stred elektrónovej dráhy vzhľadom na stred jadra.

V takomto systéme je kladný náboj posunutý v smere intenzity poľa, záporný v opačnom smere. Čím väčšia je sila vonkajšieho poľa, tým väčší je relatívny posun nábojov v každej molekule.

Keď pole zmizne, elektróny sa vrátia do pôvodného stavu pohybu vzhľadom na atómové jadro a dielektrikum sa opäť stane neutrálnym. Vyššie uvedená zmena vlastností dielektrika vplyvom poľa sa nazýva elektronická polarizácia.

V polárnych dielektrikách sú molekuly dipóly. Pri chaotickom tepelnom pohybe dipólový moment neustále mení svoju polohu, čo vedie ku kompenzácii polí dipólov jednotlivých molekúl a k tomu, že mimo dielektrika, keď nie je vonkajšie pole, neexistuje makroskopické pole. lúka.

Keď sú tieto látky vystavené vonkajšiemu elektrostatickému poľu, dipóly sa budú otáčať a umiestniť svoje osi pozdĺž poľa. Tomuto plne usporiadanému usporiadaniu bude brániť tepelný pohyb.

Pri nízkej intenzite poľa dochádza len k rotácii dipólov pod určitým uhlom v smere poľa, ktorý je určený rovnováhou medzi pôsobením elektrického poľa a účinkom tepelného pohybu.

So zvyšujúcou sa intenzitou poľa sa zvyšuje rotácia molekúl a tým aj stupeň polarizácie. V takýchto prípadoch je vzdialenosť a medzi dipólovými nábojmi určená priemernou hodnotou priemetov osí dipólov do smeru intenzity poľa. Okrem tohto typu polarizácie, ktorá sa nazýva orientačná, existuje v týchto dielektrikách aj elektronická polarizácia spôsobená vytesnením nábojov.

Vyššie opísané polarizačné vzory sú základné pre všetky izolačné látky: plynné, kvapalné a pevné. V kvapalných a tuhých dielektrikách, kde sú priemerné vzdialenosti medzi molekulami menšie ako v plynoch, je jav polarizácie komplikovaný, pretože okrem posunu stredu dráhy elektrónu voči jadru alebo rotácie polárnych dipólov, napr. existuje aj interakcia medzi molekulami.

Keďže v hmote dielektrika sú jednotlivé atómy a molekuly iba polarizované a nerozpadajú sa na kladne a záporne nabité ióny, v každom prvku objemu polarizovaného dielektrika sú náboje oboch znamienok rovnaké. Preto zostáva dielektrikum v celom svojom objeme elektricky neutrálne.

Výnimkou sú náboje pólov molekúl nachádzajúcich sa na hraničných plochách dielektrika. Takéto náboje tvoria tenké nabité vrstvy na týchto povrchoch. V homogénnom prostredí možno jav polarizácie znázorniť ako harmonické usporiadanie dipólov.

Prierazná sila dielektrika

Za normálnych podmienok má dielektrikum zanedbateľná elektrická vodivosť… Táto vlastnosť zostáva, kým sa intenzita elektrického poľa nezvýši na určitú limitnú hodnotu pre každé dielektrikum.

V silnom elektrickom poli sa molekuly dielektrika rozštiepia na ióny a teleso, ktoré bolo dielektrikom v slabom poli, sa stane vodičom.

Sila elektrického poľa, pri ktorej začína ionizácia molekúl dielektrika, sa nazýva prierazné napätie (elektrická pevnosť) dielektrika.

Nazýva sa to veľkosť intenzity elektrického poľa, ktorá je povolená v dielektriku, keď sa používa v elektrických inštaláciách povolené napätie... Dovolené napätie je zvyčajne niekoľkonásobne menšie ako vypínacie napätie. Stanoví sa pomer prierazného napätia k prípustnej bezpečnostnej rezerve... Najlepšie nevodiče (dielektriká) sú vákuum a plyny, najmä pri vysokom tlaku.

Porucha dielektrika

V plynných, kvapalných a pevných látkach dochádza k rozkladu rozdielne a závisí od množstva podmienok: od homogenity dielektrika, tlaku, teploty, vlhkosti, hrúbky dielektrika atď. Preto pri určovaní hodnoty dielektrickej pevnosti tieto podmienky sú zvyčajne poskytnuté.

Pre materiály, ktoré pracujú napríklad v uzavretých priestoroch a nie sú vystavené atmosférickým vplyvom, sú stanovené normálne podmienky (napríklad teplota + 20 ° C, tlak 760 mm). Vlhkosť sa tiež normalizuje, niekedy frekvencia atď.

Plyny majú relatívne nízku elektrickú silu. Takže gradient rozpadu vzduchu za normálnych podmienok je 30 kV / cm.Výhodou plynov je, že po ich zničení sa rýchlo obnovia ich izolačné vlastnosti.

Kvapalné dielektriká majú o niečo vyššiu elektrickú pevnosť. Charakteristickým znakom kvapalín je dobrý odvod tepla zo zariadení, ktoré sa zahrievajú, keď prúd prechádza drôtmi. Prítomnosť nečistôt, najmä vody, výrazne znižuje dielektrickú pevnosť kvapalných dielektrík. V kvapalinách, rovnako ako v plynoch, sa ich izolačné vlastnosti po zničení obnovia.

Pevné dielektriká predstavujú širokú triedu izolačných materiálov, prírodných aj umelých. Tieto dielektrika majú širokú škálu elektrických a mechanických vlastností.

Použitie tohto alebo toho materiálu závisí od izolačných požiadaviek danej inštalácie a podmienok jej prevádzky. Sľuda, sklo, parafín, ebonit, ako aj rôzne vláknité a syntetické organické látky, bakelit, getinax atď. Vyznačujú sa vysokou elektrickou pevnosťou.

Ak sa okrem požiadavky na vysoký gradient prierazu kladie na materiál aj požiadavka na vysokú mechanickú pevnosť (napríklad v nosných a závesných izolátoroch na ochranu zariadení pred mechanickým namáhaním), elektroporcelán má široké využitie.

V tabuľke sú uvedené hodnoty prieraznej pevnosti (za normálnych podmienok a pri konštantnej nule) niektorých najbežnejších dielektrík.

Hodnoty dielektrickej prieraznej pevnosti

Materiál Prierazné napätie, kv / mm Papier impregnovaný parafínom 10,0-25,0 Vzduch 3,0 Minerálny olej 6,0 -15,0 Mramor 3,0 — 4,0 Mikanit 15,0 — 20,0 Elektrokartón 9 ,0 — 14,0 Sľuda 80,0 — 7 100.6 Sklo.0 Porce —7 100.6 5 Bridlica 1.5 — 3,0