Dielektrici i njihova svojstva, polarizacija i probojna čvrstoća dielektrika

Tvari (tijela) zanemarive električne vodljivosti nazivaju se dielektrici ili izolatori.

Dielektrici ili nevodiči predstavljaju veliku klasu tvari koje se koriste u elektrotehnici i koje su važne za praktične svrhe. Služe za izolaciju električnih krugova, kao i za davanje posebnih svojstava električnim uređajima, koja omogućuju potpunije korištenje volumena i težine materijala od kojih su izrađeni.

Dielektrici mogu biti tvari u svim agregatnim stanjima: plinovitom, tekućem i krutom. U praksi se kao plinoviti dielektrici koriste zrak, ugljikov dioksid, vodik u normalnom i komprimiranom stanju.

Svi ti plinovi imaju gotovo beskonačan otpor. Električna svojstva plinova su izotropna. Od tekućih tvari, kemijski čiste vode, mnogih organskih tvari, prirodnih i umjetnih ulja (transformatorsko ulje, sova, itd.).

Tekući dielektrici također imaju izotropna svojstva.Visoka izolacijska svojstva ovih tvari ovise o njihovoj čistoći.

Na primjer, izolacijska svojstva transformatorskog ulja smanjuju se kada se vlaga apsorbira iz zraka. U praksi se najviše koriste čvrsti dielektrici. Obuhvaćaju tvari anorganskog (porculan, kvarc, mramor, tinjac, staklo itd.) i organskog (papir, jantar, guma, razne umjetne organske tvari) podrijetla.

Većina ovih tvari ima visoka električna i mehanička svojstva i koriste se za izolaciju električnih uređajanamijenjen za unutarnju i vanjsku upotrebu.

Brojne tvari zadržavaju svoja visoka izolacijska svojstva ne samo pri normalnim već i pri povišenim temperaturama (silicij, kvarc, spojevi silicija i silicija). Čvrsti i tekući dielektrici imaju određenu količinu slobodnih elektrona, zbog čega je otpor dobrog dielektrika oko 1015 - 1016 ohm x m.

Pod određenim uvjetima, u dielektricima dolazi do razdvajanja molekula u ione (na primjer, pod utjecajem visoke temperature ili u jakom polju), u ovom slučaju dielektrici gube svoja izolacijska svojstva i postaju vozači.

Dielektrici imaju svojstvo polarizacije i u njima je moguće dugotrajno postojanje. elektrostatičko polje.

Posebnost svih dielektrika nije samo visoka otpornost na prolaz električne struje, određena prisutnošću u njima malog broja elektroni, slobodno se kreću kroz cijeli volumen dielektrika, ali i promjena njihovih svojstava pod djelovanjem električnog polja, što se naziva polarizacija. Polarizacija ima veliki utjecaj na električno polje u dielektriku.

Jedan od glavnih primjera uporabe dielektrika u elektrotehničkoj praksi je izolacija elemenata električnih uređaja od zemlje i jedni od drugih, zbog čega uništavanje izolacije remeti normalan rad električnih instalacija i dovodi do nesreća.
Da bi se to izbjeglo, pri projektiranju električnih strojeva i instalacija izolacija pojedinih elemenata bira se tako da, s jedne strane, jakost polja u dielektricima nigdje ne prelazi njihovu dielektričnu čvrstoću, a s druge strane, ta izolacija u pojedinačnim vezama uređaja koristi se što je moguće potpunije (bez viška zaliha).
Da biste to učinili, prvo morate znati kako je električno polje raspoređeno u uređaju, a zatim se odabirom odgovarajućih materijala i njihove debljine može riješiti navedeni problem na zadovoljavajući način.

Dielektrična polarizacija

Ako se u vakuumu stvara električno polje, tada veličina i smjer vektora jakosti polja u određenoj točki ovisi samo o veličini i položaju naboja koji stvaraju polje. Ako je polje stvoreno u bilo kojem dielektriku, tada se u molekulama potonjeg javljaju fizički procesi koji utječu na električno polje.

Pod djelovanjem sila električnog polja elektroni u orbitama se pomiču u smjeru suprotnom od polja. Kao rezultat toga, prethodno neutralne molekule postaju dipoli s jednakim nabojem na jezgri i elektronima u orbitama. Ta se pojava naziva dielektrična polarizacija... Nestankom polja nestaje i pomak. Molekule ponovno postaju električki neutralne.

Polarizirane molekule - dipoli stvaraju vlastito električno polje, čiji je smjer suprotan smjeru glavnog (vanjskog) polja, stoga ga dodatno polje, kombinirajući se s glavnim, slabi.

Što je dielektrik polariziraniji, to je rezultirajuće polje slabije, njegov intenzitet u bilo kojoj točki manji za iste naboje koji stvaraju glavno polje, pa je dielektrična konstanta takvog dielektrika veća.

Ako je dielektrik u izmjeničnom električnom polju, pomak elektrona također postaje izmjeničan. Taj proces dovodi do povećanja gibanja čestica i stoga do zagrijavanja dielektrika.

Dielektrik se više zagrijava što se češće mijenja električno polje. U praksi se ovaj fenomen koristi za zagrijavanje mokrih materijala za njihovo sušenje ili za dobivanje kemijskih reakcija koje se odvijaju na povišenim temperaturama.

Pročitajte također: Što je dielektrični gubitak zbog onoga što se događa

Polarni i nepolarni dielektrici

Iako dielektrici praktički ne provode struju, ipak pod utjecajem električnog polja mijenjaju svoja svojstva. Ovisno o strukturi molekula i prirodi učinka električnog polja na njih, dielektrici se dijele na dvije vrste: nepolarne i polarne (s elektronskom i orijentacijskom polarizacijom).

U nepolarnim dielektricima, ako nisu u električnom polju, elektroni se okreću u orbitama sa središtem koje se podudara sa središtem jezgre. Stoga se djelovanje ovih elektrona može promatrati kao djelovanje negativnih naboja smještenih u središtu jezgre.Budući da su središta djelovanja pozitivno nabijenih čestica - protona - koncentrirana u središtu jezgre, u svemiru se atom percipira kao električki neutralan.

Kada se te tvari uvedu u elektrostatsko polje, elektroni se pomiču pod utjecajem sila polja, a središta djelovanja elektrona i protona se ne podudaraju. U svemiru se atom u ovom slučaju percipira kao dipol, odnosno kao sustav dva jednaka različita točkasta naboja -q i + q, smještena jedan od drugoga na određenoj maloj udaljenosti a, jednakoj pomaku središte putanje elektrona u odnosu na središte jezgre.

U takvom sustavu ispada da je pozitivni naboj pomaknut u smjeru jakosti polja, a negativan u suprotnom smjeru. Što je veća jakost vanjskog polja, to je veći relativni pomak naboja u svakoj molekuli.

Kada polje nestane, elektroni se vraćaju u svoja prvobitna stanja gibanja u odnosu na atomsku jezgru i dielektrik ponovno postaje neutralan. Gornja promjena svojstava dielektrika pod utjecajem polja naziva se elektronska polarizacija.

U polarnim dielektricima molekule su dipoli. Budući da je u kaotičnom toplinskom gibanju, dipolni moment cijelo vrijeme mijenja svoj položaj.To dovodi do kompenzacije polja dipola pojedinih molekula i do činjenice da izvan dielektrika, kada nema vanjskog polja, nema ni makroskopskog polja. polje.

Kada su te tvari izložene vanjskom elektrostatskom polju, dipoli će se okretati i postaviti svoje osi duž polja. Ovaj potpuno uređen raspored bit će ometen toplinskim gibanjem.

Pri maloj jakosti polja dolazi samo do rotacije dipola pod određenim kutom u smjeru polja, koji je određen ravnotežom između djelovanja električnog polja i učinka toplinskog gibanja.

S povećanjem jakosti polja povećava se rotacija molekula i, sukladno tome, stupanj polarizacije. U takvim slučajevima udaljenost a između naboja dipola određena je prosječnom vrijednošću projekcija osi dipola na smjer jakosti polja. Osim ove vrste polarizacije, koja se naziva orijentacijska, u ovim dielektricima postoji i elektronska polarizacija uzrokovana pomakom naboja.

Gore opisani uzorci polarizacije osnovni su za sve izolacijske tvari: plinovite, tekuće i čvrste. U tekućim i krutim dielektricima, gdje su prosječni razmaci između molekula manji nego u plinovima, pojava polarizacije je komplicirana, jer osim pomaka središta putanje elektrona u odnosu na jezgru ili rotacije polarnih dipola, dolazi i do pojave polarizacije. postoji i međudjelovanje između molekula.

Budući da su u masi dielektrika pojedini atomi i molekule samo polarizirani, a ne raspadaju se na pozitivno i negativno nabijene ione, u svakom elementu volumena polariziranog dielektrika naboji obaju predznaka su jednaki. Stoga dielektrik u cijelom svom volumenu ostaje električki neutralan.

Izuzetak su naboji polova molekula koji se nalaze na graničnim površinama dielektrika. Takvi naboji stvaraju tanke nabijene slojeve na tim površinama. U homogenom mediju fenomen polarizacije može se prikazati kao harmonijski raspored dipola.

Probojna čvrstoća dielektrika

U normalnim uvjetima dielektrik ima zanemariva električna vodljivost… Ovo svojstvo ostaje sve dok se jakost električnog polja ne poveća do određene granične vrijednosti za svaki dielektrik.

U jakom električnom polju molekule dielektrika se cijepaju na ione, a tijelo koje je u slabom polju bilo dielektrik postaje vodič.

Jakost električnog polja pri kojoj počinje ionizacija molekula dielektrika naziva se probojni napon (električna čvrstoća) dielektrika.

Naziva se veličina jakosti električnog polja koja je dopuštena u dielektriku kada se koristi u električnim instalacijama dopušteni napon... Dopušteni napon je obično nekoliko puta manji od prekidnog napona. Određuje se omjer probojnog napona i dopuštene sigurnosne granice... Najbolji nevodiči (dielektrici) su vakuum i plinovi, osobito pri visokom tlaku.

Kvar dielektrika

Proboj se različito odvija u plinovitim, tekućim i krutim tvarima i ovisi o nizu uvjeta: o homogenosti dielektrika, tlaku, temperaturi, vlažnosti, debljini dielektrika itd. Stoga se pri određivanju vrijednosti dielektrične čvrstoće uzimaju u obzir ovi obično se osiguravaju uvjeti .

Za materijale koji rade, na primjer, u zatvorenim prostorijama i nisu izloženi atmosferskim utjecajima, uspostavljaju se normalni uvjeti (na primjer, temperatura + 20 ° C, tlak 760 mm). Vlažnost se također normalizira, ponekad učestalost itd.

Plinovi imaju relativno nisku električnu čvrstoću. Dakle, gradijent kvara zraka u normalnim uvjetima iznosi 30 kV/cm.Prednost plinova je u tome što se nakon njihovog uništenja brzo vraćaju izolacijska svojstva.

Tekući dielektrici imaju nešto veću električnu čvrstoću. Posebnost tekućina je dobro uklanjanje topline iz uređaja koji se zagrijavaju kada struja prolazi kroz žice. Prisutnost nečistoća, posebice vode, značajno smanjuje dielektričnu čvrstoću tekućih dielektrika. U tekućinama, kao iu plinovima, njihova se izolacijska svojstva obnavljaju nakon uništenja.

Čvrsti dielektrici predstavljaju široku klasu izolacijskih materijala, prirodnih i umjetnih. Ovi dielektrici imaju široku paletu električnih i mehaničkih svojstava.

Upotreba ovog ili onog materijala ovisi o izolacijskim zahtjevima date instalacije i uvjetima njezina rada. Tinjac, staklo, parafin, ebonit, kao i razne vlaknaste i sintetičke organske tvari, bakelit, getinax itd. Karakterizira ih visoka električna čvrstoća.

Ako je, uz zahtjev za visokim gradijentom proboja, zahtjev za visokom mehaničkom čvrstoćom nametnut materijalu (na primjer, u potpornim i ovjesnim izolatorima, za zaštitu opreme od mehaničkog naprezanja), električni porculan se široko koristi.

Tablica prikazuje vrijednosti probojne čvrstoće (u normalnim uvjetima i pri konstantnoj konstantnoj nuli) nekih od najčešćih dielektrika.

Vrijednosti dielektrične probojne čvrstoće

Materijal Probojni napon, kv / mm Papir impregniran parafinom 10,0-25,0 Zrak 3,0 Mineralno ulje 6,0 -15,0 Mramor 3,0 — 4,0 Mikanit 15,0 — 20,0 Električni karton 9 ,0 — 14,0 Tinjac 80,0 — 200,0 Staklo 10,0 — 40,0 Porculan 6 .0 — 7,5 Škriljevac 1,5 — 3,0