Dielektrikumok és tulajdonságaik, dielektrikumok polarizációja és áttörési szilárdsága

Az elhanyagolható elektromos vezetőképességű anyagokat (testeket) dielektrikumoknak vagy szigetelőknek nevezzük.

A dielektrikumok vagy nem vezető anyagok az elektrotechnikában használt anyagok nagy csoportját képviselik, amelyek gyakorlati célokra fontosak. Az elektromos áramkörök szigetelésére szolgálnak, valamint olyan különleges tulajdonságokat adnak az elektromos berendezéseknek, amelyek lehetővé teszik az anyagok térfogatának és tömegének teljesebb kihasználását, amelyekből készülnek.

A dielektrikum minden halmazállapotú anyag lehet: gáznemű, folyékony és szilárd halmazállapotú. A gyakorlatban levegőt, szén-dioxidot, hidrogént használnak gáznemű dielektrikumként normál és sűrített állapotban is.

Mindezen gázok ellenállása szinte végtelen. A gázok elektromos tulajdonságai izotrópok. Folyékony anyagokból, vegytiszta vízből, sok szerves anyagból, természetes és mesterséges olajokból (transzformátor olaj, bagoly stb.).

A folyékony dielektrikumok izotróp tulajdonságokkal is rendelkeznek.Ezeknek az anyagoknak a kiváló szigetelő tulajdonságai a tisztaságuktól függenek.

Például a transzformátorolaj szigetelő tulajdonságai csökkennek, ha a levegőből nedvesség szívódik fel. A gyakorlatban legszélesebb körben használt szilárd dielektrikumok. Ezek közé tartoznak a szervetlen (porcelán, kvarc, márvány, csillám, üveg stb.) és szerves (papír, borostyán, gumi, különféle mesterséges szerves anyagok) eredetű anyagok.

Ezen anyagok többsége magas elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, és használatos elektromos készülékek szigetelésérebelső és külső használatra készült.

Számos anyag nem csak normál, hanem magas hőmérsékleten is megőrzi kiváló szigetelő tulajdonságait (szilícium, kvarc, szilícium-szilíciumvegyületek). A szilárd és folyékony dielektrikumok bizonyos mennyiségű szabad elektronnal rendelkeznek, ezért egy jó dielektrikum ellenállása körülbelül 1015 - 1016 ohm x m.

Bizonyos körülmények között a molekulák ionokká válása a dielektrikumokban megtörténik (például magas hőmérséklet hatására vagy erős térben), ilyenkor a dielektrikumok elvesztik szigetelő tulajdonságaikat és válnak járművezetők.

A dielektrikumoknak megvan az a tulajdonságuk, hogy polarizáltak, és hosszú távú létezés lehetséges bennük. elektrosztatikus mező.

Az összes dielektrikum megkülönböztető jellemzője nemcsak az elektromos áram áthaladásával szembeni nagy ellenállás, amelyet kis számú jelenléte határoz meg. elektronok, szabadon mozognak a dielektrikum teljes térfogatán, de tulajdonságaik megváltoznak elektromos tér hatására, amit polarizációnak nevezünk. A polarizáció nagy hatással van a dielektrikum elektromos mezőjére.

A dielektrikumok villamos gyakorlatban való felhasználásának egyik fő példája az elektromos készülékek elemeinek földtől és egymástól való leválasztása, melynek következtében a szigetelés tönkremenetele megzavarja az elektromos berendezések normál működését és balesetekhez vezet.
Ennek elkerülése érdekében a villamos gépek és berendezések tervezésénél az egyes elemek szigetelését úgy választják meg, hogy egyrészt a dielektrikumokban a térerősség sehol se haladja meg a dielektromos szilárdságukat, másrészt ez a szigetelés a készülékek egyes csatlakozásaiban a lehető legteljesebb kihasználás (nincs felesleges készlet).
Ehhez először ismerni kell, hogyan oszlik el az elektromos tér a készülékben, majd a megfelelő anyagok és vastagságuk megválasztásával a fenti probléma kielégítően megoldható.

Dielektromos polarizáció

Ha vákuumban elektromos tér jön létre, akkor a térerősség vektorának nagysága és iránya egy adott pontban csak a teret létrehozó töltések nagyságától és elhelyezkedésétől függ. Ha bármely dielektrikumban létrejön a mező, akkor az utóbbi molekuláiban fizikai folyamatok mennek végbe, amelyek befolyásolják az elektromos teret.

Az elektromos térerők hatására a pályán lévő elektronok a térrel ellentétes irányban elmozdulnak. Ennek eredményeként a korábban semleges molekulák dipólusokká válnak, amelyek az atommagon és a pályákon lévő elektronokon egyenlő töltéssel rendelkeznek. Ezt a jelenséget dielektromos polarizációnak hívják... Amikor a mező eltűnik, az elmozdulás is eltűnik. A molekulák ismét elektromosan semlegesek lesznek.

A polarizált molekulák - a dipólusok saját elektromos mezőt hoznak létre, amelynek iránya ellentétes a fő (külső) mező irányával, ezért a kiegészítő mező a fővel kombinálva gyengíti azt.

Minél polarizáltabb a dielektrikum, annál gyengébb a keletkező mező, annál kisebb az intenzitása bármely ponton ugyanazon töltések esetén, amelyek a főteret létrehozzák, és ezért az ilyen dielektrikum dielektromos állandója nagyobb.

Ha a dielektrikum váltakozó elektromos térben van, akkor az elektronok elmozdulása is váltakozóvá válik. Ez a folyamat a részecskék mozgásának növekedéséhez és ezáltal a dielektrikum felmelegedéséhez vezet.

Minél gyakrabban változik az elektromos tér, annál jobban felmelegszik a dielektrikum. A gyakorlatban ezt a jelenséget nedves anyagok melegítésére használják szárítás céljából, vagy olyan kémiai reakciók végzésére, amelyek megemelt hőmérsékleten mennek végbe.

Olvassa el még: Mi a dielektromos veszteség a történések miatt

Poláris és nem poláris dielektrikumok

Bár a dielektrikumok gyakorlatilag nem vezetnek elektromosságot, elektromos tér hatására mégis megváltoztatják tulajdonságaikat. A molekulák szerkezetétől és az elektromos tér rájuk gyakorolt ​​hatásától függően a dielektrikumokat két típusra osztják: nem polárisra és polárisra (elektronikus és orientációs polarizációval).

A nem poláris dielektrikumokban, ha nem is elektromos térben, az elektronok olyan pályán forognak, amelynek középpontja egybeesik az atommag középpontjával. Ezért ezeknek az elektronoknak a hatása az atommag közepén elhelyezkedő negatív töltések hatásának tekinthető.Mivel a pozitív töltésű részecskék – a protonok – hatásközpontjai a mag közepén koncentrálódnak, a világűrben az atomot elektromosan semlegesnek érzékeljük.

Amikor ezeket az anyagokat az elektrosztatikus térbe juttatjuk, a térerők hatására az elektronok elmozdulnak, és az elektronok és a protonok hatásközpontja nem esik egybe. A világűrben az atomot ebben az esetben dipólnak tekintjük, vagyis két egyenlő -q és + q ponttöltés rendszereként, amelyek egymástól bizonyos kis távolságra a távolságra helyezkednek el, amely egyenlő az atom elmozdulásával. az elektronpálya középpontja az atommag középpontjához viszonyítva.

Egy ilyen rendszerben a pozitív töltés a térerősség irányába tolódik el, a negatív pedig az ellenkező irányba. Minél nagyobb a külső tér erőssége, annál nagyobb a töltések relatív elmozdulása az egyes molekulákban.

Amikor a mező eltűnik, az elektronok visszatérnek eredeti mozgásállapotukba az atommaghoz képest, és a dielektrikum ismét semleges lesz. A dielektrikum tulajdonságainak fenti változását egy tér hatására elektronpolarizációnak nevezzük.

A poláris dielektrikumokban a molekulák dipólusok. A kaotikus hőmozgásban a dipólusmomentum állandóan változtatja helyzetét, ami az egyes molekulák dipólusainak mezőinek kompenzálásához vezet, és ahhoz, hogy a dielektrikumon kívül, amikor nincs külső tér, nincs makroszkopikus. terület.

Amikor ezeket az anyagokat külső elektrosztatikus térnek teszik ki, a dipólusok elfordulnak, és tengelyeiket a mező mentén helyezik el. Ezt a teljesen rendezett elrendezést a hőmozgás akadályozza.

Alacsony térerősségnél csak a dipólusok forgása fordul elő bizonyos szögben a tér irányában, amit az elektromos tér hatása és a hőmozgás hatása közötti egyensúly határoz meg.

A térerő növekedésével a molekulák forgása és ennek megfelelően a polarizáció mértéke is nő. Ilyen esetekben a dipólustöltések közötti a távolságot a dipólustengelyek térerősség irányára vetületeinek átlagértéke határozza meg. Ezen a típusú polarizáción kívül, amit orientációsnak neveznek, ezekben a dielektrikumokban a töltések elmozdulása okozta elektronikus polarizáció is van.

A fent leírt polarizációs minták alapvetőek minden szigetelőanyagra: gáznemű, folyékony és szilárd halmazállapotúak. Folyékony és szilárd dielektrikumban, ahol a molekulák közötti átlagos távolságok kisebbek, mint a gázokban, a polarizáció jelensége bonyolult, mert az elektronpálya középpontjának az atommaghoz viszonyított eltolódása vagy a poláris dipólusok forgása mellett a polarizáció jelensége is bonyolult. kölcsönhatás is van a molekulák között.

Mivel a dielektrikum tömegében az egyes atomok és molekulák csak polarizáltak, nem bomlanak fel pozitív és negatív töltésű ionokra, ezért a polarizált dielektrikum térfogatának minden elemében mindkét előjel töltése egyenlő. Ezért a dielektrikum teljes térfogatában elektromosan semleges marad.

Ez alól kivételt képeznek a dielektrikum határfelületein elhelyezkedő molekulák pólusainak töltései. Az ilyen töltések vékony töltött rétegeket képeznek ezeken a felületeken. Homogén közegben a polarizáció jelensége a dipólusok harmonikus elrendezéseként ábrázolható.

A dielektrikumok áttörési szilárdsága

Normál körülmények között a dielektrikum rendelkezik elhanyagolható elektromos vezetőképesség… Ez a tulajdonság mindaddig megmarad, amíg az elektromos térerősséget egy bizonyos határértékre nem növelik minden egyes dielektrikum esetében.

Erős elektromos térben a dielektrikum molekulái ionokra bomlanak, és a test, amely gyenge térben dielektrikum volt, vezetővé válik.

Az elektromos tér erősségét, amelynél a dielektromos molekulák ionizációja megkezdődik, a dielektrikum áttörési feszültségének (elektromos szilárdságának) nevezzük.

Az elektromos térerősség nagyságának nevezik, amely egy dielektrikumban megengedett, ha azt elektromos berendezésekben használják megengedett feszültség... A megengedett feszültség általában többszöröse a megszakítási feszültségnek. Meghatározzák az áttörési feszültség és a megengedett biztonsági határ arányát... A legjobb nem vezetők (dielektrikumok) a vákuum és a gázok, különösen nagy nyomáson.

Dielektromos hiba

A lebomlás gáznemű, folyékony és szilárd halmazállapotú anyagokban eltérően megy végbe, és számos körülménytől függ: a dielektrikum homogenitásától, nyomástól, hőmérséklettől, páratartalomtól, a dielektrikum vastagságától stb. Ezért a dielektromos szilárdság értékének meghatározásakor ezek a tényezők feltételek általában biztosítottak.

Az olyan anyagok esetében, amelyek például zárt helyiségekben dolgoznak, és nincsenek kitéve a légköri hatásoknak, normál körülményeket kell kialakítani (például hőmérséklet + 20 ° C, nyomás 760 mm). A páratartalom is normalizálódik, néha frekvencia stb.

A gázok elektromos szilárdsága viszonylag alacsony. Tehát a levegő bontási gradiense normál körülmények között 30 kV / cm.A gázok előnye, hogy megsemmisítésük után gyorsan helyreállnak szigetelő tulajdonságaik.

A folyékony dielektrikumok valamivel nagyobb elektromos szilárdsággal rendelkeznek. A folyadékok megkülönböztető jellemzője a hő jó eltávolítása azokról az eszközökről, amelyeket felmelegítenek, amikor az áram áthalad a vezetékeken. A szennyeződések, különösen a víz jelenléte jelentősen csökkenti a folyékony dielektrikumok dielektromos szilárdságát. Folyadékokban, akárcsak a gázokban, szigetelő tulajdonságaik a megsemmisítés után helyreállnak.

A szilárd dielektrikumok a természetes és mesterséges szigetelőanyagok széles osztályát képviselik. Ezek a dielektrikumok sokféle elektromos és mechanikai tulajdonsággal rendelkeznek.

Ennek vagy annak az anyagnak a használata az adott berendezés szigetelési követelményeitől és működési feltételeitől függ. Csillám, üveg, paraffin, ebonit, valamint különféle rostos és szintetikus szerves anyagok, bakelit, getinax stb. Nagy elektromos szilárdság jellemzi őket.

Ha a nagy áttörési gradiens követelménye mellett az anyagra nagy mechanikai szilárdsági követelmény is vonatkozik (például a tartó- és felfüggesztési szigetelőkben, hogy megvédje a berendezéseket a mechanikai igénybevételtől), akkor az elektromos porcelánt széles körben használják.

A táblázat bemutatja néhány leggyakoribb dielektrikum áttörési szilárdsági értékeit (normál körülmények között és állandó nulla állandó mellett).

Dielektromos áttörési szilárdsági értékek

Anyag Áttörési feszültség, kv / mm Paraffinnal impregnált papír 10.0-25.0 Levegő 3.0 Ásványolaj 6.0 -15.0 Márvány 3.0 — 4.0 Mikanit 15.0 — 20.0 Elektromos karton 9 .0 — 14.0 Csillám 9 .0 — 14.0 Csillám 20.0-25.0 —üveg 80.0.0. 6,0 — 7,5 Pala 1,5 – 3.0