Dielektrikai ir jų savybės, dielektrikų poliarizacija ir skilimo stipris

Medžiagos (kūnai), kurių elektrinis laidumas yra nereikšmingas, vadinamos dielektrikais arba izoliatoriais.

Dielektrikai arba nelaidininkai sudaro didelę elektrotechnikoje naudojamų medžiagų, kurios yra svarbios praktiniais tikslais, klasę. Jie skirti izoliuoti elektros grandines, taip pat suteikti elektros prietaisams ypatingų savybių, kurios leidžia visapusiškiau išnaudoti medžiagų, iš kurių jie pagaminti, tūrį ir svorį.

Dielektrikai gali būti visų agreguotų būsenų medžiagos: dujinės, skystos ir kietos. Praktikoje oras, anglies dioksidas, vandenilis naudojami kaip dujiniai dielektrikai tiek normalioje, tiek suslėgtoje būsenoje.

Visos šios dujos turi beveik begalinį pasipriešinimą. Dujų elektrinės savybės yra izotropinės. Iš skystų medžiagų, chemiškai gryno vandens, daugelio organinių medžiagų, natūralių ir dirbtinių aliejų (transformatorinė alyva, pelėda ir kt.).

Skysti dielektrikai taip pat turi izotropinių savybių.Aukštos šių medžiagų izoliacinės savybės priklauso nuo jų grynumo.

Pavyzdžiui, transformatorinės alyvos izoliacinės savybės sumažėja, kai iš oro susigeria drėgmė. Praktikoje plačiausiai naudojami kietieji dielektrikai. Joms priskiriamos neorganinės (porcelianas, kvarcas, marmuras, žėrutis, stiklas ir kt.) ir organinės (popierius, gintaras, guma, įvairios dirbtinės organinės medžiagos) kilmės medžiagos.

Dauguma šių medžiagų turi aukštų elektrinių ir mechaninių savybių ir yra naudojamos elektros prietaisų izoliacijaiskirtas vidaus ir išorės naudojimui.

Nemažai medžiagų išlaiko savo aukštas izoliacines savybes ne tik esant normaliai, bet ir aukštai temperatūrai (silicis, kvarcas, silicio silicio junginiai). Kietieji ir skystieji dielektrikai turi tam tikrą laisvųjų elektronų kiekį, todėl gero dielektriko varža yra apie 1015 - 1016 omų x m.

Tam tikromis sąlygomis molekulių atskyrimas į jonus vyksta dielektrikuose (pavyzdžiui, veikiant aukštai temperatūrai arba stipriame lauke), tokiu atveju dielektrikai praranda savo izoliacines savybes ir tampa vairuotojai.

Dielektrikai turi savybę būti poliarizuoti ir juose galimas ilgalaikis egzistavimas. elektrostatinis laukas.

Skiriamasis visų dielektrikų bruožas yra ne tik didelis atsparumas elektros srovei, kurį lemia nedidelis jų skaičius. elektronų, laisvai judantys per visą dielektriko tūrį, bet ir jų savybių pasikeitimas veikiant elektriniam laukui, kuris vadinamas poliarizacija. Poliarizacija turi didelį poveikį dielektriko elektriniam laukui.

Vienas iš pagrindinių dielektrikų panaudojimo elektros praktikoje pavyzdžių – elektros prietaisų elementų izoliavimas nuo žemės ir vienas nuo kito, dėl ko sunaikinus izoliaciją, sutrinka įprastas elektros instaliacijos darbas ir įvyksta avarijos.
Norint to išvengti, projektuojant elektros mašinas ir įrenginius atskirų elementų izoliacija parenkama taip, kad, viena vertus, lauko stipris dielektrikuose niekur neviršytų jų dielektrinio stiprumo, o kita vertus, ši izoliacija atskirose įrenginių jungtyse išnaudojama maksimaliai (neperteklinių atsargų).
Norėdami tai padaryti, pirmiausia turite žinoti, kaip įrenginyje pasiskirsto elektrinis laukas, tada, pasirinkus tinkamas medžiagas ir jų storį, minėtą problemą galima patenkinamai išspręsti.

Dielektrinė poliarizacija

Jei elektrinis laukas sukuriamas vakuume, tai lauko stiprumo vektoriaus dydis ir kryptis tam tikrame taške priklauso tik nuo lauką sukuriančių krūvių dydžio ir vietos. Jei laukas sukuriamas kokiame nors dielektrike, tai pastarojo molekulėse vyksta fizikiniai procesai, kurie veikia elektrinį lauką.

Veikiant elektrinio lauko jėgoms, elektronai orbitose pasislenka priešinga laukui kryptimi. Dėl to anksčiau neutralios molekulės virsta dipoliais su vienodais branduolio ir elektronų krūviais orbitose. Šis reiškinys vadinamas dielektrine poliarizacija... Išnykus laukui išnyksta ir poslinkis. Molekulės vėl tampa elektriškai neutralios.

Poliarizuotos molekulės – dipoliai sukuria savo elektrinį lauką, kurio kryptis yra priešinga pagrindinio (išorinio) lauko krypčiai, todėl papildomas laukas, jungdamasis su pagrindiniu, jį susilpnina.

Kuo dielektrikas labiau poliarizuotas, tuo susidarantis laukas silpnesnis, tuo mažesnis jo intensyvumas bet kuriame taške tiems patiems krūviams, kurie sukuria pagrindinį lauką, todėl tokio dielektriko dielektrinė konstanta yra didesnė.

Jei dielektrikas yra kintamajame elektriniame lauke, elektronų poslinkis taip pat tampa kintamu. Dėl šio proceso padidėja dalelių judėjimas, taigi ir dielektrikas įkaista.

Kuo dažniau keičiasi elektrinis laukas, tuo labiau dielektrikas įkaista. Praktiškai šis reiškinys naudojamas drėgnoms medžiagoms kaitinti, kad jas išdžiovintų, arba cheminėms reakcijoms, vykstančioms aukštesnėje temperatūroje, gauti.

Taip pat skaitykite: Kas yra dielektrinis nuostolis dėl to, kas atsitinka

Poliniai ir nepoliniai dielektrikai

Nors dielektrikai praktiškai nepraleidžia elektros, vis dėlto, veikiami elektrinio lauko, jie keičia savo savybes. Priklausomai nuo molekulių struktūros ir elektrinio lauko poveikio joms pobūdžio, dielektrikai skirstomi į du tipus: nepolinius ir polinius (su elektronine ir orientacine poliarizacija).

Nepoliniuose dielektrikuose, jei ne elektriniame lauke, elektronai sukasi orbitomis, kurių centras sutampa su branduolio centru. Todėl šių elektronų veikimas gali būti vertinamas kaip neigiamų krūvių, esančių branduolio centre, veikimas.Kadangi teigiamai įkrautų dalelių – protonų – veikimo centrai susitelkę branduolio centre, kosminėje erdvėje atomas suvokiamas kaip elektriškai neutralus.

Įvedant šias medžiagas į elektrostatinį lauką, veikiant lauko jėgoms elektronai pasislenka, o elektronų ir protonų veikimo centrai nesutampa. Kosminėje erdvėje atomas šiuo atveju suvokiamas kaip dipolis, tai yra kaip dviejų vienodų skirtingų taškinių krūvių -q ir + q, esančių vienas nuo kito tam tikru mažu atstumu a, lygiu taško poslinkiui, sistema. elektronų orbitos centras branduolio centro atžvilgiu.

Tokioje sistemoje teigiamas krūvis pasislenka lauko stiprumo kryptimi, neigiamas – priešinga kryptimi. Kuo didesnis išorinio lauko stiprumas, tuo didesnis santykinis krūvių poslinkis kiekvienoje molekulėje.

Kai laukas išnyksta, elektronai grįžta į pradines judėjimo būsenas atomo branduolio atžvilgiu ir dielektrikas vėl tampa neutralus. Minėtas dielektriko savybių pokytis veikiant laukui vadinamas elektronine poliarizacija.

Poliariniuose dielektrikuose molekulės yra dipoliai. Būdamas chaotiškame šiluminiame judėjime, dipolio momentas visą laiką keičia savo padėtį, tai lemia atskirų molekulių dipolių laukų kompensaciją ir tai, kad dielektriko išorėje, kai nėra išorinio lauko, nėra makroskopinio. lauke.

Kai šias medžiagas veikia išorinis elektrostatinis laukas, dipoliai sukasi ir savo ašis išdėstys išilgai lauko. Šiai pilnai sutvarkytam išdėstymui trukdys šiluminis judėjimas.

Esant mažam lauko stipriui, tam tikru kampu lauko kryptimi vyksta tik dipolių sukimasis, kurį lemia pusiausvyra tarp elektrinio lauko veikimo ir šiluminio judėjimo poveikio.

Didėjant lauko stiprumui, didėja molekulių sukimasis ir atitinkamai poliarizacijos laipsnis. Tokiais atvejais atstumas a tarp dipolio krūvių nustatomas pagal dipolio ašių projekcijų į lauko stiprumo kryptį vidutinę vertę. Be šio tipo poliarizacijos, kuri vadinama orientacine, šiuose dielektrikuose taip pat yra elektroninė poliarizacija, kurią sukelia krūvių poslinkis.

Aukščiau aprašyti poliarizacijos modeliai yra pagrindiniai visoms izoliacinėms medžiagoms: dujinėms, skystoms ir kietoms. Skystuose ir kietuosiuose dielektrikuose, kur vidutiniai atstumai tarp molekulių yra mažesni nei dujų, poliarizacijos reiškinys yra komplikuotas, nes be elektronų orbitos centro poslinkio branduolio atžvilgiu ar poliarinių dipolių sukimosi, t. taip pat vyksta sąveika tarp molekulių.

Kadangi dielektriko masėje atskiri atomai ir molekulės yra tik poliarizuoti, neskyla į teigiamai ir neigiamai įkrautus jonus, kiekviename poliarizuoto dielektriko tūrio elemente abiejų ženklų krūviai yra vienodi. Todėl dielektrikas visame tūryje išlieka elektriškai neutralus.

Išimtis yra molekulių polių, esančių ant dielektriko ribinių paviršių, krūviai. Tokie krūviai ant šių paviršių sudaro plonus įkrautus sluoksnius. Homogeninėje terpėje poliarizacijos reiškinį galima pavaizduoti kaip harmoningą dipolių išsidėstymą.

Dielektrikų skilimo stipris

Įprastomis sąlygomis dielektrikas turi nereikšmingas elektros laidumas… Ši savybė išlieka tol, kol kiekvieno dielektriko elektrinio lauko stiprumas padidinamas iki tam tikros ribinės vertės.

Stipriame elektriniame lauke dielektriko molekulės skyla į jonus, o kūnas, kuris buvo dielektrikas silpname lauke, tampa laidininku.

Elektrinio lauko, nuo kurio prasideda dielektriko molekulių jonizacija, stiprumas vadinamas dielektriko skilimo įtampa (elektrine stipriu).

Jis vadinamas elektrinio lauko stiprio dydžiu, kuris leidžiamas dielektrikoje, kai jis naudojamas elektros įrenginiuose leistina įtampa... Leidžiama įtampa dažniausiai yra kelis kartus mažesnė už trūkimo įtampą. Nustatomas skilimo įtampos ir leistinos saugos ribos santykis... Geriausi nelaidininkai (dielektrikai) yra vakuumas ir dujos, ypač esant aukštam slėgiui.

Dielektrinis gedimas

Dujinėse, skystose ir kietose medžiagose skilimas vyksta skirtingai ir priklauso nuo daugelio sąlygų: nuo dielektriko vienalytiškumo, slėgio, temperatūros, drėgmės, dielektriko storio ir kt. Todėl, nustatant dielektriko stiprio vertę, šios paprastai pateikiamos sąlygos .

Medžiagoms, kurios dirba, pavyzdžiui, uždarose patalpose ir nėra veikiamos atmosferos poveikio, nustatomos normalios sąlygos (pavyzdžiui, temperatūra + 20 ° C, slėgis 760 mm). Drėgmė taip pat normalizuojasi, kartais dažnumas ir pan.

Dujų elektrinis stiprumas yra palyginti mažas. Taigi oro skilimo gradientas normaliomis sąlygomis yra 30 kV / cm.Dujų privalumas yra tas, kad jas sunaikinus greitai atkuriamos jų izoliacinės savybės.

Skystieji dielektrikai turi šiek tiek didesnį elektrinį stiprumą. Skiriamasis skysčių bruožas yra geras šilumos pašalinimas iš prietaisų, kurie šildomi, kai srovė teka per laidus. Priemaišų, ypač vandens, buvimas žymiai sumažina skystų dielektrikų dielektrinį stiprumą. Skysčiuose, kaip ir dujose, po sunaikinimo atkuriamos jų izoliacinės savybės.

Kietieji dielektrikai atstovauja plačiai natūralių ir dirbtinių izoliacinių medžiagų klasei. Šie dielektrikai turi daugybę elektrinių ir mechaninių savybių.

Šios ar kitos medžiagos naudojimas priklauso nuo konkretaus įrenginio izoliacijos reikalavimų ir jo eksploatavimo sąlygų. Žėrutis, stiklas, parafinas, ebonitas, taip pat įvairios skaidulinės ir sintetinės organinės medžiagos, bakelitas, getinaksas ir kt. Jie pasižymi dideliu elektriniu stiprumu.

Jei, be didelio gedimo gradiento reikalavimo, medžiagai keliamas ir didelio mechaninio stiprumo reikalavimas (pavyzdžiui, atraminiuose ir pakabinamuose izoliatoriuose, siekiant apsaugoti įrangą nuo mechaninio įtempimo), elektrinis porcelianas yra plačiai naudojamas.

Lentelėje pateikiamos kai kurių labiausiai paplitusių dielektrikų skilimo stiprio vertės (įprastomis sąlygomis ir esant pastoviai nuliui).

Dielektrinės skilimo stiprio vertės

Medžiaga Skilimo įtampa, kv / mm Popierius, impregnuotas parafinu 10,0-25,0 Oras 3,0 Mineralinė alyva 6,0 -15,0 Marmuras 3,0 — 4,0 Mikanitas 15,0 — 20,0 Elektros kartonas 9 ,0 — 14,0 —Žėrutis 9 ,0 — 14,0 —Žėrutis 20,0-25,0 glazūras 20.0-25.0 6,0 — 7,5 Šiferis 1,5 – 3,0