Dielektrika och deras egenskaper, polarisations- och genombrottshållfasthet hos dielektrika

Ämnen (kroppar) med försumbar elektrisk ledningsförmåga kallas dielektrika eller isolatorer.

Dielektriska eller icke-ledare representerar en stor klass av ämnen som används inom elektroteknik och som är viktiga för praktiska ändamål. De tjänar till att isolera elektriska kretsar, såväl som att ge speciella egenskaper till elektriska anordningar, vilket möjliggör mer fullständig användning av volymen och vikten av de material som de är gjorda av.

Dielektrikum kan vara ämnen i alla aggregerade tillstånd: gasformiga, flytande och fasta. I praktiken används luft, koldioxid, väte som gasformiga dielektrika både i normalt och komprimerat tillstånd.

Alla dessa gaser har nästan oändligt motstånd. Gasernas elektriska egenskaper är isotropa. Från flytande ämnen, kemiskt rent vatten, många organiska ämnen, naturliga och konstgjorda oljor (transformatorolja, uggla, etc.).

Flytande dielektrika har också isotropa egenskaper.De höga isoleringsegenskaperna hos dessa ämnen beror på deras renhet.

Till exempel minskar transformatoroljans isolerande egenskaper när fukt absorberas från luften. De mest använda i praktiken är solida dielektrika. De inkluderar ämnen av oorganiskt (porslin, kvarts, marmor, glimmer, glas etc.) och organiskt (papper, bärnsten, gummi, olika konstgjorda organiska ämnen) ursprung.

De flesta av dessa ämnen har höga elektriska och mekaniska egenskaper och används för isolering av elektriska apparateravsedd för internt och externt bruk.

Ett antal ämnen behåller sina höga isoleringsegenskaper inte bara vid normala utan även vid förhöjda temperaturer (kisel, kvarts, kiselkiselföreningar). Fasta och flytande dielektrika har en viss mängd fria elektroner, varför resistansen hos ett bra dielektrikum är cirka 1015 - 1016 ohm x m.

Under vissa förhållanden sker separationen av molekyler till joner i dielektrika (till exempel under inverkan av hög temperatur eller i ett starkt fält), i detta fall förlorar dielektrika sina isolerande egenskaper och blir förare.

Dielektrika har egenskapen att vara polariserad och långvarig existens är möjlig i dem. elektrostatiskt fält.

En utmärkande egenskap hos alla dielektrika är inte bara det höga motståndet mot passage av elektrisk ström, bestämt av närvaron i dem av ett litet antal elektroner, som fritt rör sig genom hela volymen av dielektrikumet, men också en förändring i deras egenskaper under inverkan av ett elektriskt fält, vilket kallas polarisering. Polarisering har stor effekt på det elektriska fältet i ett dielektrikum.

Ett av de viktigaste exemplen på användningen av dielektrikum i elektrisk praxis är isoleringen av delar av elektriska enheter från marken och från varandra, på grund av vilken förstörelsen av isoleringen stör den normala driften av elektriska installationer och leder till olyckor.
För att undvika detta, vid konstruktion av elektriska maskiner och installationer, väljs isoleringen av enskilda element så att å ena sidan fältstyrkan i dielektriken inte överstiger deras dielektriska styrka någonstans, och å andra sidan denna isolering i de individuella anslutningarna av enheterna används så fullt som möjligt (inget överskott av lager).
För att göra detta måste du först veta hur det elektriska fältet är fördelat i enheten.Sedan, genom att välja lämpliga material och deras tjocklek, kan ovanstående problem lösas på ett tillfredsställande sätt.

Dielektrisk polarisation

Om ett elektriskt fält skapas i ett vakuum, beror storleken och riktningen på fältstyrkevektorn vid en given punkt endast på storleken och placeringen av laddningarna som skapar fältet. Om fältet skapas i något dielektrikum inträffar fysikaliska processer i molekylerna i det senare som påverkar det elektriska fältet.

Under inverkan av elektriska fältkrafter förskjuts elektroner i banor i motsatt riktning mot fältet. Som ett resultat blir tidigare neutrala molekyler dipoler med lika laddningar på kärnan och elektronerna i banorna. Detta fenomen kallas dielektrisk polarisation... När fältet försvinner försvinner också förskjutningen. Molekylerna blir elektriskt neutrala igen.

Polariserade molekyler - dipoler skapar sitt eget elektriska fält, vars riktning är motsatt riktningen för huvudfältet (externt), därför försvagar det extra fältet, i kombination med huvudet, det.

Ju mer polariserat dielektrikumet är, desto svagare är det resulterande fältet, desto lägre är dess intensitet vid vilken punkt som helst för samma laddningar som skapar huvudfältet, och därför är dielektricitetskonstanten för ett sådant dielektrikum större.

Om dielektrikumet befinner sig i ett elektriskt växelfält blir förskjutningen av elektronerna också alternerande. Denna process leder till en ökning av rörelsen av partiklar och därför till uppvärmning av dielektrikumet.

Ju oftare det elektriska fältet ändras, desto mer värms dielektrikumet upp. I praktiken används detta fenomen för att värma våta material för att torka dem eller för att få kemiska reaktioner som sker vid förhöjda temperaturer.

Läs också: Vad är dielektrisk förlust på grund av vad som händer

Polär och opolär dielektrik

Även om dielektrika praktiskt taget inte leder elektricitet, ändrar de ändå sina egenskaper under påverkan av ett elektriskt fält. Beroende på strukturen hos molekylerna och arten av effekten på dem av det elektriska fältet, delas dielektrika in i två typer: opolär och polär (med elektronisk och orienterande polarisation).

I opolära dielektrika, om inte i ett elektriskt fält, snurrar elektronerna i banor med ett centrum som sammanfaller med kärnans centrum. Därför kan verkan av dessa elektroner ses som verkan av negativa laddningar som ligger i kärnans centrum.Eftersom verkningscentra för positivt laddade partiklar - protoner - är koncentrerade i kärnans centrum, uppfattas atomen i yttre rymden som elektriskt neutral.

När dessa ämnen införs i det elektrostatiska fältet förskjuts elektronerna under påverkan av fältkrafterna, och elektronernas och protonernas verkningscentra sammanfaller inte. I yttre rymden uppfattas atomen i detta fall som en dipol, det vill säga som ett system av två lika olika punktladdningar -q och + q, belägna från varandra på ett visst litet avstånd a, lika med förskjutningen av elektronens omloppsbana i förhållande till kärnans centrum.

I ett sådant system visar sig den positiva laddningen vara förskjuten i fältstyrkans riktning, den negativa i motsatt riktning. Ju större styrka det yttre fältet har, desto större är den relativa förskjutningen av laddningarna i varje molekyl.

När fältet försvinner återgår elektronerna till sina ursprungliga rörelsetillstånd i förhållande till atomkärnan och dielektrikumet blir neutralt igen. Ovanstående förändring av egenskaperna hos ett dielektrikum under påverkan av ett fält kallas elektronisk polarisation.

I polär dielektrik är molekylerna dipoler. I kaotisk termisk rörelse ändrar dipolmomentet sin position hela tiden, vilket leder till kompensation av fälten för dipolerna hos enskilda molekyler och till det faktum att utanför dielektrikumet, när det inte finns något yttre fält, finns det inget makroskopiskt fält. fält.

När dessa ämnen utsätts för ett externt elektrostatiskt fält kommer dipolerna att rotera och placera sina axlar längs fältet. Detta fullt ordnade arrangemang kommer att hindras av termisk rörelse.

Vid låg fältstyrka sker endast rotation av dipolerna i en viss vinkel i fältets riktning, vilken bestäms av balansen mellan det elektriska fältets verkan och effekten av termisk rörelse.

När fältstyrkan ökar ökar rotationen av molekylerna och följaktligen graden av polarisation. I sådana fall bestäms avståndet a mellan dipolladdningarna av medelvärdet av dipolaxlarnas projektioner på fältstyrkans riktning. Förutom denna typ av polarisering, som kallas orienterande, finns det också en elektronisk polarisering i dessa dielektrikum orsakad av förskjutning av laddningar.

Polarisationsmönstren som beskrivs ovan är grundläggande för alla isolerande ämnen: gasformiga, flytande och fasta. I flytande och fast dielektrik, där medelavstånden mellan molekyler är mindre än i gaser, är fenomenet med polarisering komplicerat, eftersom förutom förskjutningen av elektronomloppets centrum i förhållande till kärnan eller rotationen av de polära dipolerna, det finns också en interaktion mellan molekylerna.

Eftersom i massan av ett dielektrikum är enskilda atomer och molekyler endast polariserade och inte bryts upp i positivt och negativt laddade joner, i varje element av volymen av ett polariserat dielektrikum, är laddningarna för båda tecknen lika. Därför förblir dielektrikumet genom hela sin volym elektriskt neutralt.

Undantag är laddningarna av polerna hos molekylerna som är belägna på dielektriska gränsytorna. Sådana laddningar bildar tunna laddade skikt på dessa ytor. I ett homogent medium kan fenomenet polarisering representeras som ett harmoniskt arrangemang av dipoler.

Nedbrytningsstyrkan hos dielektrika

Under normala förhållanden har dielektrikum försumbar elektrisk ledningsförmåga… Denna egenskap kvarstår tills den elektriska fältstyrkan ökas till ett visst gränsvärde för varje dielektrikum.

I ett starkt elektriskt fält delas dielektrikets molekyler till joner och kroppen, som var ett dielektrikum i ett svagt fält, blir en ledare.

Styrkan hos det elektriska fältet vid vilket joniseringen av dielektriska molekyler börjar kallas dielektrikets genomslagsspänning (elektriska styrka).

Det kallas storleken på den elektriska fältstyrkan som är tillåten i ett dielektrikum när det används i elektriska installationer tillåten spänning... Den tillåtna spänningen är vanligtvis flera gånger mindre än brytspänningen. Förhållandet mellan genombrottsspänningen och den tillåtna säkerhetsmarginalen bestäms... De bästa icke-ledarna (dielektrika) är vakuum och gaser, speciellt vid högt tryck.

Dielektriskt fel

Nedbrytning sker olika i gasformiga, flytande och fasta ämnen och beror på ett antal förhållanden: på dielektrikets homogenitet, tryck, temperatur, fuktighet, tjockleken på dielektrikumet etc. När man bestämmer värdet på den dielektriska hållfastheten måste dessa därför villkor tillhandahålls vanligtvis.

För material som arbetar, till exempel i slutna rum och inte utsätts för atmosfärisk påverkan, etableras normala förhållanden (till exempel temperatur + 20 ° C, tryck 760 mm). Fuktigheten normaliseras också, ibland frekvens osv.

Gaser har relativt låg elektrisk styrka. Så nedbrytningsgradienten för luft under normala förhållanden är 30 kV / cm.Fördelen med gaser är att efter deras förstörelse återställs deras isolerande egenskaper snabbt.

Flytande dielektrikum har en något högre elektrisk styrka. En utmärkande egenskap hos vätskor är den goda avlägsningen av värme från enheter som värms upp när strömmen passerar genom ledningarna. Närvaron av föroreningar, i synnerhet vatten, minskar avsevärt den dielektriska hållfastheten hos flytande dielektrika. I vätskor, som i gaser, återställs deras isolerande egenskaper efter förstörelse.

Fasta dielektrika representerar en bred klass av isoleringsmaterial, både naturliga och konstgjorda. Dessa dielektrika har en mängd olika elektriska och mekaniska egenskaper.

Användningen av det här eller det materialet beror på isoleringskraven för den givna installationen och villkoren för dess drift. Glimmer, glas, paraffin, ebonit, samt olika fibrösa och syntetiska organiska ämnen, bakelit, getinax m.m. De kännetecknas av hög elektrisk styrka.

Om det utöver kravet på hög nedbrytningsgradient ställs krav på hög mekanisk hållfasthet på materialet (till exempel i stöd- och upphängningsisolatorer för att skydda utrustning från mekanisk påfrestning) används elektriskt porslin i stor utsträckning.

Tabellen visar värdena för genombrottshållfasthet (under normala förhållanden och vid en konstant konstant noll) för några av de vanligaste dielektrikerna.

Dielektriska genombrottshållfasthetsvärden

Material Nedbrytningsspänning, kv / mm Papper impregnerat med paraffin 10,0-25,0 Luft 3,0 Mineralolja 6,0 -15,0 Marmor 3,0 — 4,0 Mikanit 15,0 — 20,0 Elkartong 9 ,0 — 14,0 Glimmer 80,0 — Glas 40,0 — Glas 40,0 — Glas 20in. 7.5 Skiffer 1.5 — 3,0