Dielektrikud ja nende omadused, dielektrikute polarisatsioon ja läbilöögitugevus

Vähese elektrijuhtivusega aineid (kehasid) nimetatakse dielektrikuteks või isolaatoriteks.

Dielektrikud või mittejuhid esindavad suurt hulka elektrotehnikas kasutatavaid aineid, mis on praktilistel eesmärkidel olulised. Need on mõeldud elektriahelate isoleerimiseks, samuti elektriseadmetele eriomaduste andmiseks, mis võimaldavad täielikumalt kasutada nende valmistamise materjalide mahtu ja kaalu.

Dielektrikud võivad olla ained kõigis agregaatides: gaasilised, vedelad ja tahked. Praktikas kasutatakse õhku, süsihappegaasi, vesinikku gaasiliste dielektrikutena nii normaal- kui ka kokkusurutud olekus.

Kõigil neil gaasidel on peaaegu lõpmatu takistus. Gaaside elektrilised omadused on isotroopsed. Vedelatest ainetest, keemiliselt puhtast veest, paljudest orgaanilistest ainetest, looduslikest ja tehisõlidest (trafo õli, öökull jne).

Vedelatel dielektrikutel on ka isotroopsed omadused.Nende ainete kõrged isolatsiooniomadused sõltuvad nende puhtusest.

Näiteks trafoõli isolatsiooniomadused vähenevad õhust niiskuse imendumisel. Praktikas kasutatakse kõige laialdasemalt tahkeid dielektrikuid. Nende hulka kuuluvad anorgaanilise (portselan, kvarts, marmor, vilgukivi, klaas jne) ja orgaanilise (paber, merevaik, kumm, mitmesugused tehislikud orgaanilised ained) päritoluga ained.

Enamikul neist ainetest on kõrged elektrilised ja mehaanilised omadused ning neid kasutatakse elektriseadmete isoleerimiseksmõeldud sise- ja väliskasutuseks.

Mitmed ained säilitavad oma kõrged isoleerivad omadused mitte ainult normaalsel, vaid ka kõrgendatud temperatuuril (räni, kvarts, räni räniühendid). Tahkel ja vedelal dielektrikul on teatud hulk vabu elektrone, mistõttu on hea dielektriku takistus umbes 1015 - 1016 oomi x m.

Teatud tingimustel toimub dielektrikutes (näiteks kõrge temperatuuri mõjul või tugevas väljas) molekulide eraldumine ioonideks, sel juhul kaotavad dielektrikud oma isoleerivad omadused ja muutuvad autojuhid.

Dielektrikutel on omadus olla polariseeritud ja nendes on võimalik pikaajaline eksisteerimine. elektrostaatiline väli.

Kõigi dielektrikute eripäraks ei ole mitte ainult suur takistus elektrivoolu läbipääsule, mis on määratud väikese arvu olemasolu tõttu. elektronid, mis liiguvad vabalt läbi kogu dielektriku ruumala, aga ka nende omaduste muutus elektrivälja toimel, mida nimetatakse polarisatsiooniks. Polarisatsioonil on suur mõju dielektriku elektriväljale.

Üks peamisi näiteid dielektrikute kasutamisest elektripraktikas on elektriseadmete elementide isoleerimine maapinnast ja üksteisest, mille tõttu isolatsiooni purunemine häirib elektripaigaldiste tavapärast tööd ja toob kaasa õnnetusi.
Selle vältimiseks valitakse elektrimasinate ja -paigaldiste projekteerimisel üksikute elementide isolatsioon nii, et ühelt poolt ei ületaks väljatugevus dielektrikutes kusagil nende dielektrilist tugevust ja teisest küljest see isolatsioon. seadmete üksikutes ühendustes kasutatakse võimalikult täielikult ära (ülejääke pole).
Selleks tuleb esmalt teada, kuidas elektriväli seadmes jaotub.Seejärel saab sobivate materjalide ja nende paksuse valikuga ülaltoodud probleemi rahuldavalt lahendada.

Dielektriline polarisatsioon

Kui elektriväli tekib vaakumis, siis väljatugevuse vektori suurus ja suund antud punktis sõltub ainult välja tekitavate laengute suurusest ja asukohast. Kui väli luuakse suvalises dielektrikus, siis viimase molekulides toimuvad füüsikalised protsessid, mis mõjutavad elektrivälja.

Elektrivälja jõudude toimel nihkuvad orbiitidel olevad elektronid väljale vastassuunas. Selle tulemusena muutuvad varem neutraalsed molekulid dipoolideks, mille tuuma ja elektronide laengud on orbiitidel võrdsed. Seda nähtust nimetatakse dielektriliseks polarisatsiooniks... Kui välja kaob, kaob ka nihe. Molekulid muutuvad taas elektriliselt neutraalseks.

Polariseeritud molekulid - dipoolid loovad oma elektrivälja, mille suund on põhi(välise) välja suunaga vastupidine, seetõttu nõrgendab lisaväli põhiväljaga ühinedes seda.

Mida polariseeritum on dielektrik, seda nõrgem on tekkiv väli, seda väiksem on selle intensiivsus mis tahes punktis samade laengute puhul, mis loovad põhivälja, ja seetõttu on sellise dielektriku dielektriline konstant suurem.

Kui dielektrik on vahelduvas elektriväljas, muutub ka elektronide nihe vahelduvaks. See protsess suurendab osakeste liikumist ja seega ka dielektriku kuumenemist.

Mida sagedamini elektriväli muutub, seda rohkem dielektrik soojeneb. Praktikas kasutatakse seda nähtust märgade materjalide soojendamiseks nende kuivatamiseks või kõrgendatud temperatuuridel toimuvate keemiliste reaktsioonide saamiseks.

Loe ka: Mis on dielektriline kadu selle tõttu, mis juhtub

Polaarsed ja mittepolaarsed dielektrikud

Kuigi dielektrikud praktiliselt ei juhi elektrit, muudavad nad elektrivälja mõjul siiski oma omadusi. Sõltuvalt molekulide struktuurist ja elektrivälja mõju olemusest jagatakse dielektrikud kahte tüüpi: mittepolaarsed ja polaarsed (elektroonilise ja orientatsioonilise polarisatsiooniga).

Mittepolaarsetes dielektrikutes, kui mitte elektriväljas, pöörlevad elektronid orbiitidel, mille keskpunkt langeb kokku tuuma keskmega. Seetõttu võib nende elektronide tegevust vaadelda kui tuuma keskel paiknevate negatiivsete laengute toimet.Kuna positiivselt laetud osakeste – prootonite – toimekeskused on koondunud tuuma keskmesse, siis kosmoses tajutakse aatomit elektriliselt neutraalsena.

Nende ainete elektrostaatilisesse välja viimisel elektronid väljajõudude mõjul nihkuvad ning elektronide ja prootonite toimekeskused ei lange kokku. Kosmoses tajutakse aatomit sel juhul dipoolina, see tähendab kahe võrdse erineva punktlaengu -q ja + q süsteemina, mis asuvad üksteisest teatud väikesel kaugusel a, mis on võrdne aatomi nihkega. elektroni orbiidi keskpunkt tuuma keskpunkti suhtes.

Sellises süsteemis osutub positiivne laeng nihutatuks väljatugevuse suunas, negatiivne vastupidises suunas. Mida suurem on välisvälja tugevus, seda suurem on laengute suhteline nihe igas molekulis.

Kui väli kaob, naasevad elektronid aatomituuma suhtes oma algsesse liikumisolekusse ja dielektrik muutub taas neutraalseks. Ülaltoodud dielektriku omaduste muutust välja mõjul nimetatakse elektrooniliseks polarisatsiooniks.

Polaarsetes dielektrikutes on molekulid dipoolid. Olles kaootilises soojusliikumises, muudab dipoolmoment kogu aeg oma asendit, mis viib üksikute molekulide dipoolide väljade kompenseerimiseni ja selleni, et väljaspool dielektrikut, kui välist välja ei ole, pole makroskoopilist. valdkonnas.

Kui need ained puutuvad kokku välise elektrostaatilise väljaga, siis dipoolid pöörlevad ja asetavad oma teljed piki välja. Seda täielikult järjestatud paigutust takistab termiline liikumine.

Madala väljatugevuse korral toimub ainult dipoolide pöörlemine teatud nurga all välja suunas, mille määrab tasakaal elektrivälja toime ja soojusliikumise mõju vahel.

Väljatugevuse kasvades suureneb molekulide pöörlemine ja vastavalt sellele ka polarisatsiooniaste. Sellistel juhtudel määratakse dipoollaengute vaheline kaugus a dipooltelgede projektsioonide keskmise väärtusega väljatugevuse suunas. Lisaks seda tüüpi polarisatsioonile, mida nimetatakse orientatsiooniks, esineb nendes dielektrikutes ka laengute nihkest põhjustatud elektrooniline polarisatsioon.

Ülalkirjeldatud polarisatsioonimustrid on põhilised kõikide isoleerivate ainete jaoks: gaasilised, vedelad ja tahked ained. Vedelate ja tahkete dielektrikute puhul, kus molekulide keskmised kaugused on väiksemad kui gaasidel, on polarisatsiooninähtus komplitseeritud, sest lisaks elektroni orbiidi keskpunkti nihkele tuuma suhtes või polaarsete dipoolide pöörlemisele on polarisatsiooninähtus keeruline. molekulide vahel on ka vastastikmõju.

Kuna dielektriku massis on üksikud aatomid ja molekulid ainult polariseeritud, mitte ei lagune positiivselt ega negatiivselt laetud ioonideks, on polariseeritud dielektriku ruumala igas elemendis mõlema märgi laengud võrdsed. Seetõttu jääb dielektrik kogu oma ruumala ulatuses elektriliselt neutraalseks.

Erandiks on dielektriku piirpindadel paiknevate molekulide pooluste laengud. Sellised laengud moodustavad nendel pindadel õhukesed laetud kihid. Homogeenses keskkonnas võib polarisatsiooni nähtust kujutada dipoolide harmoonilise paigutusena.

Dielektrikute purunemistugevus

Normaaltingimustes on dielektrikul tühine elektrijuhtivus… See omadus säilib seni, kuni elektrivälja tugevust suurendatakse iga dielektriku jaoks teatud piirväärtuseni.

Tugevas elektriväljas jagunevad dielektriku molekulid ioonideks ja keha, mis oli nõrgas väljas dielektrik, muutub juhiks.

Elektrivälja tugevust, millest algab dielektriliste molekulide ionisatsioon, nimetatakse dielektriku läbilöögipingeks (elektritugevuseks).

Seda nimetatakse elektrivälja tugevuse suuruseks, mis on lubatud dielektrikus, kui seda kasutatakse elektripaigaldistes lubatud pinge... Lubatav pinge on tavaliselt mitu korda väiksem kui katkestuspinge. Määratakse läbilöögipinge ja lubatud ohutusvaru suhe... Parimad mittejuhid (dielektrikud) on vaakum ja gaasid, eriti kõrgel rõhul.

Dielektriline rike

Lagunemine toimub gaasilistes, vedelates ja tahketes ainetes erinevalt ja sõltub paljudest tingimustest: dielektriku homogeensusest, rõhust, temperatuurist, niiskusest, dielektriku paksusest jne. Seetõttu tuleb dielektrilise tugevuse väärtuse määramisel arvesse võtta neid tingimused on tavaliselt ette nähtud.

Materjalide jaoks, mis töötavad näiteks suletud ruumides ja ei puutu kokku atmosfäärimõjudega, kehtestatakse normaalsed tingimused (näiteks temperatuur + 20 ° C, rõhk 760 mm). Niiskus ka normaliseerub, vahel sagedus jne.

Gaasidel on suhteliselt madal elektriline tugevus. Seega on õhu lagunemise gradient tavatingimustes 30 kV / cm.Gaaside eeliseks on see, et pärast nende hävitamist taastuvad nende isoleerivad omadused kiiresti.

Vedelatel dielektrikutel on veidi suurem elektriline tugevus. Vedelike eripäraks on hea soojuse eemaldamine seadmetest, mida kuumutatakse siis, kui vool läbib juhtmeid. Lisandite, eriti vee olemasolu vähendab oluliselt vedelate dielektrikute dielektrilist tugevust. Vedelikes, nagu ka gaasides, taastuvad nende isolatsiooniomadused pärast hävitamist.

Tahked dielektrikud esindavad laia isolatsioonimaterjalide klassi, nii looduslikke kui ka tehislikke. Nendel dielektrikutel on lai valik elektrilisi ja mehaanilisi omadusi.

Selle või selle materjali kasutamine sõltub antud paigalduse isolatsiooninõuetest ja selle töötingimustest. Vilgukivi, klaas, parafiin, eboniit, aga ka mitmesugused kiulised ja sünteetilised orgaanilised ained, bakeliit, getinaks jne. Neid iseloomustab kõrge elektriline tugevus.

Kui materjalile esitatakse lisaks suure läbilöögigradiendi nõudele ka kõrge mehaanilise tugevuse nõue (näiteks tugi- ja vedrustusisolaatorites, et kaitsta seadmeid mehaanilise pinge eest), kasutatakse laialdaselt elektrilist portselani.

Tabelis on toodud mõnede levinumate dielektrikute purunemistugevuse väärtused (tavalistes tingimustes ja konstantse nulli juures).

Dielektrilise läbilöögitugevuse väärtused

Materjal Läbilöögipinge, kv / mm Parafiiniga immutatud paber 10,0-25,0 Õhk 3,0 Mineraalõli 6,0 -15,0 Marmor 3,0 — 4,0 Mikaniit 15,0 — 20,0 Elektripapp 9 ,0 — 14,0 Elektripapp 9 ,0 — 14,0 Vilgukivi —glas. 6,0 — 7,5 kiltkivi 1,5 — 3,0